在极端天气条件下，水文因素主导了水陆交错带的温室气体排放

《Journal of Environmental Sciences》：Hydrological controls dominate greenhouse gas emissions in aquatic–terrestrial ecotones under extreme weather

　　

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  量化了极端天气事件早期和后期的影响模式。
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  CO₂、CH₄和N₂O的排放对同一极端天气强迫表现出分化的响应。
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  与热浪相比，干旱/洪涝主导了温室气体排放和CO₂当量通量。
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  极端天气事件降低了微生物多样性，但通过功能冗余维持了核心生物地球化学功能。

引言

工业化的快速推进和全球变暖正在增加极端天气事件的频率和强度，深刻重塑内陆水生生态系统中的碳循环过程（Lamb等人，2024；Weber等人，2024）。作为连接陆地和水体系统的关键界面，水陆交错带（如河岸带和湖滨带）由于显著的水文波动和反复的氧化还原条件变化，已成为重要但被忽视的温室气体（包括CO₂、CH₄和N₂O）排放热点（Cologna等人，2025）。然而，极端天气事件在自然界中很少孤立发生；热浪、干旱和极端降水经常同时或相继出现，它们之间的相互作用可以放大对温室气体产生和排放的影响，超越单一事件单独引起的效应（Camps-Valls等人，2025）。虽然难以隔离单一因素的影响，但系统分析热浪、干旱和洪涝等不同极端事件的主导路径，是理解复合极端气候效应背后科学机制的必要第一步（Guo等人，2023）。这种机制性理解对于改善未来气候情景下水陆交错带碳源-碳汇动态的预测至关重要（Van Vliet等人，2023）。

在内陆水域中，河岸带和湖泊沿岸带代表了重要但历史上被忽视的温室气体排放热点（Rochera等人，2025）。这些区域作为具有独特水文和生物地球化学特征的过渡交错带，由于水位、温度和氧化还原条件的频繁波动，其温室气体通量往往高于开阔水域生态系统（Rosentreter等人，2023）。这种脆弱性因人为干扰而进一步加剧。例如，城市化的河岸带遭受强烈干扰（Liu等人，2022），而浅水湖泊沿岸带由于低静水压力和短传输路径限制了CH₄的氧化，促进了甲烷的快速逃逸（Lv等人，2025；Yu等人，2025）。

由于生态敏感性高，这些区域对极端天气干扰尤为脆弱。内陆水域温室气体排放的加速不再仅由局部营养状态或水文条件驱动，而是越来越多地由气候极端事件引发（Ansari等人，2024；Lippmann等人，2024）。包括干旱和洪涝在内的水文极端事件可以快速改变水量可用性、停留时间和氧化还原条件，从而重塑微生物温室气体产生路径。在2022年长江流域极端干旱期间，降水量减少50%导致总氮增加25-30%，溶解氧降低0.5-1.0 mg/L（Jiang等人，2025）。同时，极端热浪直接增强微生物代谢和有机物矿化作用，每升温1°C使CH₄排放增加10-20%（Rocher-Ros等人，2023），并加剧蓝藻水华等生态危害。这些水华的后续衰亡会释放大量CO₂和CH₄（Qin等人，2021）。河岸带和沿岸带位于陆地和水体系统的交界处，因此代表了极端天气可以快速传导为温室气体响应的敏感生态边界。

尽管形势紧迫，关键的知识空白依然存在，限制了我们准确预测气候反馈的能力。当前研究存在三大主要局限。首先，评估在很大程度上忽视了河岸带（Rochera等人，2025）。其次，很少有研究在考虑CO₂、CH₄和N₂O的同时，定量比较同一河-湖系统中水文极端事件与热浪的相对影响（Ury等人，2025）。第三，也是最为根本的，极端天气期间微生物群落演替与温室气体产生之间的机制性联系仍知之甚少，这主要归因于微生物群落对外部扰动的延迟响应（Gong等人，2024）。如果不了解微生物群落在复合极端事件下如何重组，准确预测温室气体动态仍然充满挑战。

为解决这一问题，本研究对极端天气条件下的多气体响应进行了机制性评估。我们选择长江南京段和富营养化太湖作为对比的河岸-湖泊沿岸系统，分别代表高流量流动伴城市干扰和高滞留时间伴营养富集。通过整合原位监测与实验室微宇宙模拟，我们能够独立隔离温度异常（热浪/寒潮）和水文极端事件（干旱/洪涝）对CO₂、CH₄和N₂O动态的影响。此外，我们将高通量16S rRNA基因测序与功能预测框架相结合，追踪微生物群落重组与温室气体排放响应之间的时间滞后。这些方法共同阐明了极端天气如何通过环境约束和微生物过程传导来调控内陆水体温室气体排放。然而，温室气体响应主要是由温度引起的代谢加速驱动，还是由水文介导的底物再分配和微生物重组驱动，仍有待解决。本研究通过量化对比水生态系统中热力和水文强迫的相对贡献来解决这一问题。

尽管越来越多的证据表明变暖和改变的水文过程都可能显著影响水生温室气体排放，但以往研究大多独立考察这些驱动因素。因此，水文极端事件或温度异常哪个对温室气体排放的控制更强，以及微生物群落重组如何介导这些不同的响应，仍有待阐明。回答这些问题对于改善日益频繁的复合气候极端事件下水生碳循环的预测至关重要。

因此，本研究将全年野外观测与受控微宇宙实验相结合，以（1）量化不同极端天气类型对温室气体的响应，（2）比较热力和水文扰动的相对贡献，以及（3）阐明将环境变化与温室气体生成和排放联系起来的微生物机制。我们假设：（1）不同类型的极端天气通过不同环境路径差异化调控温室气体排放；（2）由于水文扰动对底物可用性和沉积物氧化还原条件的影响更大，其对温室气体动态的调控强于热力扰动；以及（3）微生物功能类群的转变介导了温室气体产生和排放对极端天气的响应。

章节摘要

研究区域描述

本研究在中国东部长江下游盆地的两个对比水陆交错带进行（图1）：长江河岸带（南京段）和太湖湖泊沿岸带。这些点位代表了根本不同的水文过程。长江点位是一个高径流量的流动水系，流速快且水力停留时间短（径流量高达1.0×10¹² m³）（Niu等人，2025），水文扰动快速

基于原位监测的估算

原位监测导出的极端事件指数（EEI）在长江和太湖之间表现出明显的时态差异（图2），反映了使用公式（2）-（3）估算的CO₂、CH₄和N₂O综合交换的差异（**图S6**）。

两个交错带表现出显著对比的EEI动态。在长江河岸带，EEI在负值和正值之间波动，综合EEI为-1.65 mg·CO₂-e/(m²·day)（图2a）。正向峰值仅限于早春，而

极端天气事件的协同效应和遗留效应

超越将极端天气视为孤立事件的传统范式，本研究通过原位监测定量阐明了复合极端事件对水-气界面温室气体交换的协同放大和滞后级联效应。近年来，长江下游盆地夏季热浪经常与干旱同时发生（Wang等人，2022）。我们的野外观测证实，这种并发产生了协同

结论

超越传统的稳态假设，本研究整合了原位监测、微宇宙实验和结构方程模型（SEM），阐明了极端天气下驱动地表水温室气体排放的水文-微生态协同作用。我们展示了气体特异性的解耦响应：CO₂和CH₄排放主要依赖于温度，而N₂O通量对水文极端事件高度敏感。微宇宙实验进一步量化了离散事件

未引用参考文献

Ho等人，2026

CRediT作者贡献声明

殷景云：撰写–审阅与编辑，撰写–原始草稿，可视化，验证，软件，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。边文斌：撰写–审阅与编辑，可视化，验证，软件，调查，正式分析。徐科：撰写–审阅与编辑，方法学。潘丽宇：可视化，调查。何迪：验证，数据管理。王辰宇：软件，调查。宋晓华：可视化，调查。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所述工作的报告。

致谢

本研究受中国教育部基础学科和交叉学科突破计划（编号：JYB2025XDXM908）、江苏省科学技术厅碳中和创新基金（编号：SBK2021060170）以及国家自然科学基金（编号：42307172）资助。

殷景云|边文斌|徐科|潘丽宇|何迪|王辰宇|宋晓华|葛晓彤|孔陈源|郑宇滢|任洪强|王梦梦|杨柳燕