追踪河流至河口连续体系中不同粒径颗粒物的迁移路径：来自短寿命铋-210（21?Bi）的启示

《Journal of Hydrology》：Tracing the journey of size-fractionated particles in the river-to-estuary continuum: insights from short-lived 210Bi

　　短寿命同位素揭示了从河流到海洋的颗粒动态变化。河流中颗粒有机碳的解体与河口咸水中颗粒的聚集形成对比。颗粒沉降（主要发生在中盐度区）限制了河流颗粒有机碳向海洋的输送。约33%的河流颗粒有机碳通过河口被输运到外海。**引言**人类活动导致大气CO?浓度升高，深刻扰动了全球碳循环（Sarmiento和Sundquist，1992；Jacobson等，2007）。海洋作为碳汇，封存了约25%–30%的人为CO?排放（Heinze等，2015；Gruber等，2019；Friedlingstein等，2025）。因此，准确约束陆地-海洋水连续体（LOAC）上的碳输运对于完善全球碳收支和了解海洋碳汇的变化至关重要（Cole等，2007；Aufdenkampe等，2011；Regnier等，2022；Liu等，2024）。在陆海界面，河流-河口系统作为动态的生物地球化学过渡带，连接了陆地碳的动员与沿海-海洋碳循环（McKee等，2004；Bauer等，2013；Wang等，2024）。近几十年来，河流碳输出的估计值被反复修订（Li等，2017；van Hoek等，2021）。每年约有2–3 Pg的陆源（无）机碳进入河流水系（Regnier等，2022；Battin等，2023；Tian等，2023），但根据政府间气候变化专门委员会第六次评估报告，最终只有约0.8 Pg C/年被输送到海洋（Canadell等，2023）。这一数值被广泛认为是目前对河流碳输出的最佳约束（Bauer等，2013；Regnier等，2022）。然而，近期的一项评估表明，陆地向海洋的碳通量可能被低估了约0.24 Pg/年（Liu等，2024）。在大陆和流域尺度上，河流碳输出的经验模型和过程模型估计值之间存在显著差异（Li等，2017；van Hoek等，2021；Liu等，2024）。这些差异不能完全用气候变化或人为影响驱动的时间变异性来解释，而是反映了河流系统中碳动态（如输运、沉降、聚集和解体）约束的持续挑战，以及现有评估方法之间的不一致性（Bauer等，2013；Ward等，2016；Regnier等，2022；Tian等，2023；Liu等，2024）。不确定性对颗粒碳尤为显著，其输运和留存受到从河流到河口过程中快速物理和生物地球化学过程的强烈影响。尽管溶解有机碳的行为现已可被很好地归类为添加、去除和混合模式（García-Martín等，2021；Zhang等，2025），但颗粒碳在短时间尺度上的复杂多变动态使其在陆海连续体上表现出高度的非保守性（McKee等，2004；Burd和Jackson，2009；García-Martín等，2023；Sun等，2024；Yang等，2025）。与溶解碳不同，颗粒有机碳（POC）和无机碳（PIC）合计占河流碳输出的0.21 Pg C/年（Liu等，2024），仍然是陆地向海洋碳转移中约束较差的组成部分，其信号在陆海边缘海中也得到了证实（Sun等，2021；Yang等，2025）。一个主要的限制因素是，广泛用于约束开阔大洋颗粒动态的示踪剂（如23?Th、21?Po、22?Th）的半衰期长于河流-河口系统中过程的时间尺度（Bacon等，1976；Moore和Dymond，1988；Buesseler等，1992；Deng和Lin，2023；Yang等，2026），从而限制了它们分辨此类快速动态的能力。此外，高频观测的成本也进一步限制了这些方法在河流-河口环境中的应用（Yang等，2025）。因此，颗粒碳输出通常通过将碳浓度与河流径流量相乘来近似（Guo和Macdonald，2006；Coppola等，2018；Jones等，2020）。这种方法显然高估了河流颗粒碳的输出，因为相当一部分颗粒在输运过程中沉降到了沉积物中。例如，一项案例研究报告称，67%–85%的河流颗粒黑碳在亚热带河口中被滞留（Yang等，2025）。因此，需要新的方法来表征陆海连续体上颗粒物质的行为，并改进对河流向海洋碳通量的量化。为了研究水体环境中极短时间尺度上的颗粒动态，研究人员最近开始关注短寿命放射性核素21?Bi（T?/? = 5.01天）的分析方法开发。早期21?Bi的水中测定依赖于电化学分离（Narita等，1989）和液体闪烁计数法（Biggin等，2002）。然而，即使是稳定的铋，环境数据仍然稀缺（Filella，2010）。近年来，21?Bi分析的时间高效方案已建立（Waples，2020；Zhong等，2020；Tian等，2022），从而促进了21?Bi在水体系统中颗粒循环示踪中的应用。21?Bi相对于其母体21?Pb（T?/? = 22.3年）的亏损首次在水域河口（Tian等，2022）和陆架海水中（Yang等，2022）被报道。结合21?Bi的强颗粒反应活性（Wang等，2019），21?Bi–21?Pb对已被用于约束活性浮游生物生产条件下真光层中POC下沉、再矿化和停留时间尺度的动态（Yang等，2022）。鉴于21?Bi的半衰期与其他陆地-河口连续体中的放射性核素相比更为适合颗粒循环的时间尺度（Jweda等，2008），且在pH > 5时具有强颗粒反应活性（Wang等，2019），21?Bi原则上可用于约束颗粒物质（如聚集、解体、输运、下沉）的地球化学行为，从而量化陆地向海洋的POC输出。此外，离子强度对21?Bi吸附的影响较小（Ulrich & Degueldre，1993），支持使用21?Bi来示踪不同粒径颗粒的行为。短半衰期也导致21?Bi记录较窄时间窗口内的颗粒循环信息，较少受较长尺度过程的影响。在本研究中，沿九龙江河流-河口连续体测定了粒径分级的21?Bi和21?Pb（>60 μm、10–60 μm、3–10 μm和<3 μm），以及颗粒组分（POC、bSiO?、CaCO?和岩源物质）和δ13C特征。具体目标包括：i）表征21?Bi沿河流-河口连续体的分布和行为；ii）约束粒径分级颗粒的来源、（解）聚集过程和命运；iii）定量评估颗粒组分从河流到河口及邻近沿海水域的输运和下沉。**章节摘要****采样**大气降水在河口附近的陆地站（ATS）从11月至12月收集（图1），以确定21?Bi的大气沉积通量。采样频率取决于降雨事件。雨水使用HCl清洗的采样器收集。在收集雨水期间，采样器内壁也用0.1 mol/L HCl冲洗，以回收可能吸收的21?Bi。21?Bi的活度在收集后立即进行分析。**颗粒组分**>60 μm、10–60 μm和3–10 μm分级中TPM的含量分别为0.011–2.80 mg/L、0.042–194.7 mg/L和0.21–19.6 mg/L（图2a，b）。总体而言，TPM平均为23 ± 47 mg/L（表S1），显著高于厦门湾-台湾海峡出口处报道的13 ± 10 mg/L（Yang等，2025）。岩源组分范围为0.19–215 mg/L，平均为22 ± 47 mg/L（表S1），占TPM总量的86 ± 13%。POC和...**通过化学组成、δ13C和C/N比约束颗粒来源**在水体环境中，颗粒物质由外源和自生材料组成（Yang等，2013；Yang等，2026）。岩源组分作为外源颗粒，在河流水和河口水中的TPM总量中分别占76 ± 17%和92 ± 6%（平均值 ± 标准差）（表S1，图2a），表明两种水团中陆地贡献均占主导地位。出人意料的是，河口的岩源组分比例高于河流（t检验，p < 0.01），尽管...**结论**首次在河流-河口连续体上考察了粒径分级的21?Bi和21?Pb，从河流上游到河口下游，同时研究了TPM及其主要颗粒组分（POC、bSiO?、CaCO?和岩源物质）。出人意料的是，无论是同位素特征（δ13C）还是地球化学示踪（C/N比）都表明，河流中的POC主要由淡水硅藻的原位生产占主导，尽管岩源物质构成了TPM总量的大部分。这些...**CRediT作者贡献声明****田杰：** 撰写——初稿、验证、调查、形式化分析、概念化。**杨卫峰：** 撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、概念化。**陈敏：** 资源、方法论。**方子明：** 撰写——审阅与编辑、调查、形式化分析。**郑敏芳：** 资源、方法论。**陈梦雅：** 资源、方法论。**利益冲突声明**作者声明不存在可能影响本文工作的已知竞争性财务利益或个人关系。**致谢**作者感谢编辑和匿名审稿人的建设性建议。本研究得到国家自然科学基金（批准号42476030和42076030）的资助。感谢"九龙江河口-厦门湾开放航次"的支持，以及台湾海峡海洋生态系统国家观测研究站数据中心提供的数据服务；还要感谢黄水英和郑少伟...Jie Tian | Weifeng Yang | Min Chen | Ziming Fang | Minfang Zheng | Mengya Chen