土地利用对寒冷温带河流碳动态的影响：以中国东北部乌苏里（Wusuli）河流域为例

《Anthropocene》：Impact of land use on carbon dynamics in cold-temperate rivers: A case study of the Ussuri (Wusuli) River basin, Northeast China

　　•土地利用构成对河流碳动态具有首要控制作用。
•农业扩张增强了无机碳的输出和碳酸盐风化。
•二氧化碳的排放显著影响了δ13CDIC的特征。
•水化学和碳同位素的空间变化反映了岩石学和土地利用的共同控制作用。

引言
河流是碳从陆地向水体横向转移的主要通道，同时也实现了与大气之间的二氧化碳垂直交换（Gu等人，2022；Lambert等人，2017；López-Tarazón等人，2016；Zhao等人，2021）。作为水文、生物地球化学和地表过程的结合体，河流碳动态敏感地反映了流域内的气候变化和环境变化，因此是全球碳循环的重要组成部分（Borges等人，2018；Cole等人，2007；Galy等人，2015；Régnier等人，2022）。根据先前的研究，从河流输送到海洋的碳主要是河流溶解的无机碳（DIC），约占河流碳通量的大约一半（Li等人，2019）。在全球范围内，河流每年向海洋输送约0.38 Pg C（1 Pg = 10^15 g）的DIC，主要以碳酸氢根离子的形式（Liu等人，2022；Meybeck，1987；Xu等人，2024）。
河流中的DIC主要来源于：（i）由化学风化产生的HCO3-的输送；（ii）由土壤呼吸产生的CO2随后转移到水生系统中（Wang等人，2025；Zheng等人，2024）。这些途径及其横向输送受到气候变异性和人为干扰的强烈调节，特别是土地利用变化（Noacco等人，2017；Régnier等人，2013）。张等人（2025）利用锶同位素和贝叶斯混合模型发现，碳酸盐风化贡献了澜沧河上游溶解锶的约35%，而包括肥料使用和水库调节在内的人为干扰可能通过改变水文条件来增强风化速率和CO2消耗通量。这表明，在受人类影响的寒温带或农业流域中，土地利用变化可能是河流碳动态的关键驱动因素。此外，河流中的DIC主要由HCO3-、碳酸根离子（CO32-）、碳酸（H2CO3）和溶解的CO2组成，其中溶解的CO2直接决定了pCO2水平（Doney等人，2007；Wu等人，2024）。从水生系统转移到大气的CO2过程，即CO2逸出，受pCO2控制（Raymond等人，2013）。河流生态系统通常具有相对较高的pCO2，是大气中二氧化碳的重要来源（Borges等人，2015；Frankignoulle等人，1998；Hotchkiss等人，2015；Qian等人，2019）。根据Battin等人的研究，全球河流CO2排放量约为每年2.3 Pg C（Battin等人，2023）。碳酸盐风化在短期碳循环中起着关键作用，通过消耗大气中的CO2（Gaillardet等人，1999）。稳定同位素（例如Ca、Li、Mg）的最新进展为追踪风化过程和河流碳输送提供了新的见解。Han和Li（2025）表明，碳酸盐和蒸发岩风化贡献了澜沧河中溶解的Ca的90%以上，而二次碳酸盐沉淀是富集河水中重Ca同位素的关键过程。这一发现强调了在评估河流碳通量时考虑二次碳酸盐沉淀的必要性。
河流系统的碳排放构成了全球碳预算的重要部分（Lauerwald等人，2015）。
重要的是，河流系统中的DIC并不具有保守性：它可以被水生初级生产者吸收，通过呼吸-光合作用耦合转化，或以CO2的形式释放，从而将碳输送与河流内的转化和空气-水之间的CO2交换联系起来（Liu和Li，2024；Wang等人，2016；Yin等人，2006）。此外，诸如矿物溶解和CO2逸出等过程可以显著改变DIC的13C/12C比率。因此，河流DIC的碳同位素组成（δ13CDIC）可以与水化学特征（例如主要离子）一起解释为碳源示踪器和反应诊断工具（Han等人，2025；Herath等人，2022）。因此，了解DIC的模式及其控制因素对于限制河流碳通量并改善在持续全球变化背景下的碳预算估计至关重要。
由人类活动加剧的土地利用变化是控制河流系统中DIC动态的关键因素之一。人类活动的增强已将大面积的森林和湿地转变为农田和城市用地，极大地重塑了区域土地利用格局（Gao，2022）。这种人为的景观转变通过改变水文连通性、土壤CO2供应、通过酸化和施肥加速化学风化速率以及河流内的CO2逸出来改变河流碳循环（Han等人，2025；Noacco等人，2017；Raymond等人，2008）。寒温带地区的生态系统对气候变化特别敏感，但这些脆弱环境中的土地利用变化压力尚未得到充分量化。气候变暖引起的永久冻土退化和湿地萎缩，加上人为开发的加剧，进一步加剧了寒温带河流水生环境和碳循环的脆弱性。然而，关于人类引起的土地利用转变如何系统地调节寒温带流域内河流DIC的迁移、转化和同位素特征的研究仍然很少，导致关于潜在调节机制及其在人类压力加剧下的区域碳预算影响的知识空白。位于中高纬度寒温带的乌苏里（Wusuli）河流域拥有多样化的土地覆盖类型，包括森林、湿地和农田。其独特的永久冻土-湿地水文系统和跨界流域特征使其成为探索寒温带地区土地利用变化与河流碳动态之间耦合关系的理想研究区域。对该流域的系统研究对于填补区域研究空白具有重要的科学价值。
乌苏里（Wusuli）河流域是中国北部的一个重要生态屏障，包括广阔的农田和森林，以及河流沿岸独特而典型的寒温带湿地（Zou等人，2014）。然而，在过去的半个世纪中，该地区经历了严重的土地利用变化，尤其是三江平原（中国最集约化的农业区）的大规模自然湿地和森林转变为农田。城市化建设、河流筑坝和农业活动的增加常常深刻改变河流的碳循环过程，乌苏里（Wusuli）河流域的土地利用类型变化预计将影响该流域的碳循环过程。了解这些人为改变如何与流域独特的永久冻土-湿地水文相互作用以调节碳输出对于预测河流碳动态的未来趋势至关重要。先前在该地区的研究已经涉及了河流有机碳动态和干扰影响的各个方面，例如三江平原河流中的DOC模式（Wang等人，2013）以及中段乌苏里（Wusuli）河流湿地中的火灾、气候和碳之间的相互作用（Zhao等人，2025）。然而，人为驱动的土地利用类型对寒温带地区河流DIC的影响仍不甚明确。在这里，我们通过分析主要离子化学、DIC浓度和δ13CDIC来研究两条主要支流（Naoli河和Muling河）及主干流（乌苏里河）。我们假设河流DIC和δ13CDIC的空间差异与各子流域内的土地利用组成（森林/湿地与耕地/城市）存在系统关联，反映了人类土地利用决策对流域碳动态的综合影响。这项研究的目的是：1）阐明子流域尺度上DIC、DOC、POC、C/N和pCO2的空间分布特征；2）确定碳源并揭示碳动态的潜在空间异质性；3）表征土地利用和人为活动如何影响河流碳动态。这项研究加深了我们对人为土地利用变化如何调节寒温带流域碳动态的理解。

研究区域
乌苏里（Wusuli）河流构成了中国黑龙江省（东北部）与俄罗斯远东地区的边界。这条河有两个源头：一个位于俄罗斯滨海边疆区锡霍特-阿林山脉西侧的Ula河，另一个位于兴凯湖（Khanka湖）的Songacha河（Han，2006）。通常，Ula河是主要源头，从南向北流入黑龙江。流域内的水物理化学参数的空间变化和特征
表S2列出了本次采样期间测量的水物理化学参数的统计摘要。河水普遍呈现轻微碱性，pH值在7.1到9.4之间。水温介于22.8°C至27.1°C之间，平均值为25.2°C。以森林为主的土地利用下的子流域平均pH值最高（8.0 ± 0.5），其次是城市-耕地为主的流域（7.9 ± 0.6）。

将土地利用类型与水质联系起来
水化学特征和水质参数共同表明，耕地和城市用地是促进主要离子、营养物质和人为污染物进入河流系统的关键来源区域（Chang和Zhang，2023；Jia，2024）。在乌苏里（Wusuli）河流域，中上游部分地区阳离子（K+、Na+）、阴离子（SO42-、Cl-）和营养物质的浓度升高与集约化的农业活动空间相关联。

结论
在人类世，人类活动已成为重塑陆地-水域连续体中河流水化学和碳循环的主要力量。本研究调查了中国东北部乌苏里（Wusuli）河流域主要离子和碳成分的空间变化，重点关注溶解无机碳及其同位素组成。这些结果表明，土地利用构成对河流碳动态具有首要控制作用。

作者贡献声明
Yunshan Liang：写作 – 审稿与编辑、方法论、调查、形式分析、概念化。
Ruiqi Zhang：写作 – 审稿与编辑、原始草稿编写、方法论、调查、形式分析、数据管理。
Si-Liang Li：写作 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。
Xinchu Wang：写作 – 审稿与编辑、方法论、调查、形式分析、概念化。
Shiwei Li：方法论、调查。
Jiaxu Han：方法论。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42494824、42503042）和CPSF博士后奖学金计划（项目编号GZC20241195、2024M762342、2024T019TJ）的支持。

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