中国东北永久冻土泥炭地流域溶解碳输出的水文控制

《Frontiers in Environmental Science》：Hydrological controls on dissolved carbon export from permafrost peatland catchments of northeastern China

　　

欧亚永久冻土区的泥炭地是全球最重要的土壤碳库之一，可能通过碳释放强烈影响未来气候。径流介导的溶解碳输出是永久冻土泥炭地中一个关键的碳损失途径，然而来自欧亚永久冻土南缘的观测仍然稀少。在此，研究人员调查了中国东北大兴安岭两个不同大小的永久冻土泥炭地流域的溶解碳输出。研究人员估算了溶解有机碳（DOC）和溶解无机碳（DIC）的输出通量，并利用三个荧光指数评估了溶解碳动态的水文控制。DOC和DIC浓度在季节性水文波动期间与流量密切耦合，表明径流动态是溶解碳输出的主要驱动因素。在生长季，福库奇河输出了703.84 t总溶解碳，相当于泥炭地净生态系统交换的约20%。水文过程不仅调节了溶解碳通量以及DOC和DIC的相对贡献，还调节了DOC的化学特征。洪峰流量促进了更腐殖化DOC的输出，其特征为更高的腐殖化指数和更低的荧光指数及新鲜度指数，而基流则呈现相反模式。泥炭地土壤的垂直有机-矿物分层，具有对比性的水力传导度和溶解碳产生潜力，直接控制了流量和溶解碳浓度的时间变化。活动层加深可能增加来自深层矿物土壤的径流贡献，从而增加DIC比例，同时降低DOC浓度和腐殖化程度。两个流域中荧光指数始终与流量相关，表明它们作为水文过程稳健指标的潜力。总体而言，这些发现强调了径流介导的溶解碳输出是一个未被充分代表的碳损失途径，并表明永久冻土退化将在未来变暖下重塑溶解碳输出的规模和化学组成。

永久冻土泥炭地作为全球重要的土壤碳库，其碳释放对气候反馈具有潜在影响。径流介导的溶解碳输出是永久冻土泥炭地碳损失的关键途径，但欧亚永久冻土南缘（如中国东北大兴安岭）的观测数据稀缺。研究人员针对这一空白，旨在量化该区域溶解碳输出通量，揭示水文控制机制，并评估荧光指数作为水文过程示踪剂的潜力。该研究在大兴安岭的福库奇河（小流域）和阿穆尔河（大流域）两个不同大小的永久冻土泥炭地流域开展，于2024年生长季（5月至10月）进行系统监测。论文发表在《Frontiers in Environmental Science》。

主要技术方法包括：在福库奇河和阿穆尔河下游设置监测断面，每2-7天手工采集河水样品，洪水期加密；在福库奇泥炭地设置三个土壤孔隙水采样点，沿活动层每10 cm深度用陶瓷土壤孔隙水采样器（SIC20, Germany）提取孔隙水；使用TOC分析仪（C-VCPH, Shimadzu, Japan）测定DOC和DIC浓度；使用Hitachi F-7000荧光光谱仪记录三维荧光激发-发射矩阵，计算荧光指数（FI、HIX、BIX）；使用Picarro L2140-i腔衰荡光谱水同位素分析仪测定δ¹⁸O；通过Odyssey水位记录仪和Argonaut-ADV声学多普勒流速仪监测流量；土壤总孔隙度（STP）用液体置换法和自动孔隙度仪（Autopore IV9505, China）测定。样本来源为两个流域（福库奇和阿穆尔），位于中国东北大兴安岭欧亚永久冻土南缘，泥炭地广泛分布。

研究结果部分：

3.1 溶解碳浓度和通量：通过流量和浓度监测，发现两个河流的DOC浓度在春季洪水期间最高（约16.0 mg L^-1），DIC在仲夏达到峰值（7.6-7.9 mg L^-1）。DOC浓度与流量呈显著正相关（p<0.01），DIC呈显著负相关（p<0.01）。总溶解碳（TDC）通量在福库奇河达到703.84 t，相当于泥炭地净生态系统交换（NEE）的约20%，表明径流输出是该区域泥炭地碳汇的重要调节因素。

3.2 荧光指数和氧同位素比：三个荧光指数（HIX、FI、BIX）与流量显著相关，其中HIX与流量正相关（p<0.01），FI和BIX与流量负相关（p<0.01）。BIX与流量和DOC浓度的决定系数最高。氧同位素（δ¹⁸O）与流量和DOC的相关性较弱，表明荧光指数在水文过程示踪方面优于氧同位素。

3.3 土壤剖面物理化学性质：泥炭地土壤具有明显的有机-矿物分层，在30-40 cm深度SOC和STP急剧变化。土壤孔隙水DOC浓度在约20 cm深度最高（约35 mg L^-1），向下递减。HIX随深度变化与DOC相似，而FI和BIX相反。荧光指数垂直梯度显著，而δ¹⁸O垂直分化较弱，表明土壤剖面结构主导了理化性质的时空动态。

讨论部分总结：4.1 输出通量讨论中，福库奇河TDC输出占NEE约19.7%，与先前研究相比，表明溶解碳输出是泥炭地碳平衡的重要组成部分。4.2 土壤剖面结构影响中，有机-矿物分层的水力特性和DOC产生潜力差异直接控制了流量和溶解碳浓度的时间变化，洪水期优先输出高DOC，基流期DIC贡献增加。4.3 永久冻土退化改变化学组成中，活动层加深将增加矿物土壤径流贡献，提高DIC输出，降低DOC浓度和腐殖化程度，并增加DOC新鲜度。4.4 荧光指数作为水文过程指标中，荧光指数与流量的关系强于氧同位素，且在不同流域尺度上一致，BIX作为示踪剂表现最佳。

研究结论部分翻译：径流介导的溶解碳输出对大兴安岭永久冻土泥炭地的碳储存具有关键控制作用，溶解碳通量和组成的变化可能显著影响邻近水生生态系统。在此，研究人员调查了大兴安岭两条河流中DOC和DIC输出的季节性动态。DOC浓度与流量正相关，而DIC浓度呈显著负相关，表明季节性流量变化是溶解碳通量的主要驱动因素。在2024年生长季，福库奇河的TDC负荷达到703.84 t yr^-1，相当于泥炭地NEE的约20%，突出了径流输出作为该区域泥炭地碳汇的重要调节因素。季节性流量波动改变了径流中DOC:DIC平衡，并重塑了DOC化学性质。高流量时期，特别是洪峰，优先输出具有更高HIX和更低FI及BIX值的DOC，而基流条件呈现相反模式。泥炭地土壤的垂直有机-矿物分层在两层之间产生了显著的水力传导度和溶解碳产生潜力差异，从而直接控制了流量和溶解碳组成的时间变化。持续的永久冻土退化，通过活动层加深反映，可能增加DIC输出的相对贡献，同时降低DOC浓度和腐殖化程度，并增强DOC新鲜度。研究结果进一步表明，DOC荧光指数可作为永久冻土流域水文过程的稳健代理指标。三个荧光指数与流量之间的关系显著强于氧同位素与流量之间的关系，且这些荧光-流量关系在不同大小的流域中保持一致。总体而言，这些发现揭示了欧亚永久冻土南缘径流介导的溶解碳输出的巨大潜力，并表明永久冻土退化将重塑输出溶解碳的数量和化学特征。这些结果强调了扩大区域观测和改进溶解碳通量评估的必要性，以完善对欧亚永久冻土区土壤碳对变暖响应的预测。