全球地下水–碳循环由热带盆地和副热带碳汇塑造

《ACS ES&T Water》：Global Groundwater–Carbon Cycling Shaped by Tropical Basins and Extra-Tropical Sinks

　　

与其它碳库相比，地下水在全球碳循环中的作用在定量上尚不充分，尤其是在全球空间尺度上。研究人员在此表明，陆地地下水的碳储量约等于现代大气层中的碳储量，并显著超过植被中的碳储量。在全球范围内，地下水是一个天然净碳汇，其规模与天然净海洋通量相当（分别约为-0.4 PgC/yr和+0.6 PgC/yr），但这种分布是不均匀的。此外，具有较大地下水–碳通量（无论是作为CO₂排放还是碳汇）的区域，正是预计将经历重大气候驱动水文变化的区域。最大的天然地下水CO₂排放发生在环大西洋热带盆地（即亚马逊和刚果），这些盆地占全球陆地地下水CO₂气体排放的一半以上；然而，此处的高补给量在很大程度上抵消了这些排放，使其目前接近CO₂中性。相比之下，最大的陆地地下水–碳汇出现在南部非洲、欧洲和地中海等副热带地区，以及热带马达加斯加，所有这些地区预计未来将经历降雨和蒸散发的显著变化。因此，理解这种水文气候转变将如何改变地下水–大气碳交换，是未来研究的一个关键机遇。

**研究背景、问题与目的**
全球碳循环是当代气候变化的关键驱动因素，然而地下水对碳循环的贡献在定量上仍相对不足，尤其是在全球空间分布方面。碳循环涉及碳储量（碳储存库）和碳通量（碳在储存库之间的传输）。天然碳通量在所有水文和气候条件下运行，湿地和河流的大气通量已被充分认识（全球分别约为1.5 PgC/yr和0.8 PgC/yr），而地下水相关的碳通量则知之甚少。这些天然碳循环通量本身正受到人类活动和气候反馈回路的改变。因此，为了预测、减缓和适应气候变化，必须更全面地理解碳循环的所有组成部分。地下水流量通常远高于水文系统其他部分的水流量，且碳浓度更高。全球地下水体积超过地表水体积两个数量级以上，由于地下压力和矿物相互作用，碳浓度通常更高：淡水地下水中的溶解无机碳（DIC）约为230 mg/L，而河流中约为140 mg/L。水还含有溶解有机碳（DOC），其浓度通常低两个数量级，在地下水中的范围为2.2至4.4 mg/L。这些特征意味着地下水可能代表一个主要的全球碳库和碳途径，但它的空间分布和行为——特别是在主要盆地和气候带方面——仍不清楚。现有地下水–碳通量和储量的估计来自不同研究，这些研究使用了不同的假设、数据集和空间尺度。抽取带来的CO₂排放似乎可忽略不计（约0.0017 PgC/yr），而天然排泄通量估计约为0.9 PgC yr^–1。较旧的全球地下水–碳补给估计（约0.2 PgC/yr）忽略了DOC贡献；它们早于近期改进的地下水、土壤和地球化学数据集。由于这些估计基于多项研究且很少具有空间分辨率，它们无法揭示地下水–碳循环在不同主要盆地或气候梯度间的变化。降雨是决定补给模式的关键变量——尽管当地土壤、地形和地质特性也影响补给。到2100年，在全球平均升温1.5°C、2°C和4°C情景下，全球降雨预计将比工业化前水平（1850–1900）分别平均增加4.8%、6.5%和15%，但这些全球平均值掩盖了区域和季节性差异。补给后果仍不确定，但鉴于补给是地下水–碳通量的主要驱动因素，未来不同地区降雨的变化可能会影响全球地下水–碳循环模式。全球碳循环研究显示出热带和副热带地区之间的强烈对比。热带地区植被中的碳储量相对多于土壤，而副热带地区——特别是北纬地区——大部分碳储存在土壤和泥炭地中。这些高纬度泥炭和土壤库也是预计在未来气候变化下碳损失最大的库之一。在通量方面，热带河流的CO₂逸出量远高于其副热带同类河流。鉴于气候和生态梯度强烈影响其他地球系统库的碳储存和运输，因此有必要检验地下水–碳循环是否表现出类似的热带–副热带模式。鉴于水文循环可能发生的变化，全面了解地下水在全球碳循环中的作用至关重要。在过去五年中，研究人员已对全球地下水进出水流量以及地下水和土壤化学进行了空间分辨的估计。在本研究中，研究人员整合这些数据集，生成了地下水–碳储量和通量的网格化全球估计，识别了地下水–碳循环的区域模式和热点，并评估了这些通量对气候驱动补给变化的敏感性。这些分析共同建立了一个全球基线，以便评估未来变化，并突出关键不确定性——例如地下水–地表水界面的碳形态以及沿海和海洋地下水系统约束不足的作用——这些是未来研究的重要优先事项。

**研究方法与技术路线**
本研究使用了公开可用的同行评审数据，计算地下水–碳储量和通量的全球分布。所有储量与通量计算均采用蒙特卡罗模拟以稳健估计不确定性。主要关键技术方法包括：(1) 使用全球0.5°×0.5°网格化的地下水体积数据（基于年轻地下水（<50年）体积分布和全球总地下水体积估计，后者范围在16–3000万km³，均值2200万km³）与地下水化学数据（HCO₃^–和pH，来自Wood等人（2023））计算总地下水–碳储量；(2) 利用已有数据集计算补给、排泄、抽取和沿海排放等水通量，并结合地下水DIC（HCO₃^–碳当量）和DOC浓度（对于排泄等输出通量，DOC忽略不计；对于补给输出，DOC来自土壤数据）计算碳通量；(3) 补给碳通量中DIC部分采用Kessler和Harvey（1975）的方法，基于蒸散发、土壤pH和补给数据计算pCO₂并校正至DIC；(4) 根据MacPherson（1989）的HCO₃^–饱和公式（基于pCO₂和pH）将排泄通量分为气体（CO₂）和水相部分；(5) 净地下水–碳汇定义为补给输入减去气体输出；(6) 通过假设补给流量与降雨成比例变化，对三种全球变暖情景（1.5°C、2°C和4°C）下未来补给–碳通量进行一阶估计。数据来源包括全球补给、排泄、抽取、沿海排放的水通量数据集（如来自Reinecke等人、Wada等人、Luijendijk等人、Zhou等人、Kwon等人）以及土壤DOC数据（来自Langeveld等人）。数据集存在地理偏差：北美和欧洲数据密集，而非洲、亚洲和高纬度地区稀疏。

**研究结果**
**全球地下水–碳储量与通量**
研究人员估计全球地下水平均溶解无机碳（DIC）储量为880±5 PgC，占总地下水–碳储量的97%以上。该值略低于之前的估计（1400 PgC），差异主要反映了更新的全球地下水体积数据集和空间显式网格化化学输入。该储量大致等于人为改变的大气碳储量（870 PgC），但显著高于植被碳储量（450 PgC）。陆地地下水是一个全球年度净碳汇，为0.409±0.007 PgC/yr。该净汇源于补给在全球尺度上超过地下水排泄扩散的CO₂。其规模与岩石风化（0.2 Pg/yr）、地表埋藏（0.2 Pg/yr）和天然净海洋–大气通量（0.6 PgC/yr）相当。补给是模型净地下水–大气碳通量的主导驱动因素，解释模型方差的53%（95% CI: 50–56%），远超过所有其他参数（各<2%）。全球地下水补给碳通量估计为0.647±0.003 PgC/yr，高于Kessler和Harvey的原始估计，反映了更新底图以及同时估计了DIC和DOC。DOC约占补给输入的25%，但研究人员假设其在地下水中快速矿化为DIC。

**副热带地区主导陆地地下水–碳汇**
十个HydroBASIN二级区域（基于HydroSHEDS框架）占全球净地下水–碳汇的54%，这些区域主要位于南部非洲、马达加斯加、欧洲大陆和地中海。这些高汇盆地共同封存0.234±0.006 PgC yr^–1，规模与全球地表碳埋藏通量（约0.2 PgC yr^–1）相当。最大的净汇出现在沿海或近沿海地区——这令人担忧，因为气候变化预计将使沿海地区地下水–碳排泄减少9%至29%。温带南部非洲盆地和热带马达加斯加盆地每年分别封存约0.048±0.001和0.034±0.001 PgC yr^–1。其他高汇区域包括巽他群岛（两个盆地共约0.046±0.001 PgC yr^–1）以及南、北地中海盆地和西北欧（合计约0.056±0.001 PgC yr^–1）。这些模式表明最重要的陆地地下水–碳汇要么出现在热带岛屿系统（如马达加斯加、巽他群岛），要么出现在温带大陆地区如欧洲和南部非洲。值得注意的是，这些地区中有许多预计在未来几十年将经历显著的水文气候变化——包括降雨减少或重新分布——表明其地下水–碳汇能力可能发生未来转变。

**大型热带大西洋盆地是地下水CO₂排放热点**
大型热带大西洋盆地，特别是亚马逊、刚果以及巴拉那和巴拉圭盆地，排放了超过50%的地下水来源CO₂气体。仅这三个盆地每年分别天然排放0.140±0.009、0.030±0.002和0.013±0.002 PgC yr^–1，而本研究估计的全球地下水CO₂总排放为0.241±0.009 PgC yr^–1。然而，在这三个盆地中，这些排放被它们自身最高的全球碳补给通量所平衡（每年分别为0.120±0.001、0.037±0.001和0.033±0.001 PgC yr^–1），意味着它们基本上处于净碳中性。这些高排放是高排泄量和相对酸性地下水的共同结果，这导致了高扩散速率。而高补给则是由于植物高初级生产力产生DOC以及高降雨引发快速补给的双重效应。这些热带盆地与主导全球地下水–碳汇的副热带地区形成鲜明对比。

**气候变化对补给–碳通量的影响**
由于补给解释了净地下水–碳通量方差的53%，研究人员进行了一个简单的一阶测试，以说明降雨驱动补给变化可能如何影响未来通量。在三种全球变暖情景（1.5°C、2°C和4°C）下，补给相关的地下水–碳通量从基线的约0.647 PgC yr^–1分别降至0.582、0.583和0.583 PgC yr^–1，相当于减少10.0%、9.8%和9.8%。尽管全球响应相似，但空间响应高度异质。最大的百分比增加发生在干旱地区如撒哈拉（在4°C下达到约150%增加），但这些变化与低基线补给相关，因此对全球总量影响有限。相反，补给相关碳通量的减少发生在当前重要的地下水–碳汇区域，包括热带雨林地区、地中海气候区和南部非洲。然而，一些对全球补给相关碳吸收贡献显著的地区，特别是欧洲部分地区和高纬度环境，其通量增加部分抵消了这些减少。这些预测应被视为说明性而非预测性，因为它们孤立了补给效应，未包括土壤碳循环、植被、蒸散发、地下水化学、pH、水文连通性或土地利用的并发变化。

**结论与讨论**
这项研究证明，在全球尺度上，地下水对碳的封存规模与全球岩石风化或地表埋藏相当，这些是广泛接受的重要全球碳通量过程。最高的净碳汇出现在副热带地区、南部非洲和欧洲，以及印度洋周边的热带地区。陆地全球地下水–碳循环的核心是大西洋热带雨林盆地；在这里，这些热带系统释放了超过一半的陆地地下水气体排放，但这被补给所平衡，使这些系统目前处于净CO₂中性。关键的是，所有这些地区都将经历人为变化——无论是气候性的还是陆地资源/土地利用的——这些变化将改变地下水过程。研究人员做出一个初步但附带大量保留的估计：净地下水–碳汇可能因气候变化影响而减少约10%。因此，虽然这项研究证明了陆地地下水是天然碳循环的重要组成部分，但气候和环境变化对其的影响仍然是一个重要的新研究领域。