晚过渡季改变来自不同永久冻土区河流中铁和溶解性有机碳的迁移性

《Chemical Geology》：The late shoulder season modifies the mobility of iron and dissolved organic carbon in rivers from distinct permafrost regions

　　

摘要

河流是将陆地铁（Fe）和溶解性有机碳（DOC）输送到海洋的重要途径。尽管北极河流中元素的输运主要在夏季进行了研究，但在晚夏秋过渡季（即夏末与初冬之间的过渡期）的迁移性仍然知之甚少。本研究调查了晚夏秋过渡季期间，两条来自不同冻土区域和水文条件的河流（美国阿拉斯加州和瑞典阿比斯科）中铁和DOC迁移性的演变规律。我们通过浓度、胶体Fe百分比以及间接Fe氧化物示踪剂（Ce异常值和δ³⁰Si）对铁和DOC进行了表征。我们发现了两种对比鲜明的过程：(i) 在阿拉斯加，河冰的逐步形成与河流输入向地下水主导的转变相吻合，表明Fe以颗粒（>0.22 μm）形式发生聚集，证据是晚夏秋过渡季期间过滤后水体（<0.22 μm）中Fe浓度的降低；与此同时Ce异常值更加负值，以及DOC浓度的降低，进一步表明与DOC相关的颗粒态Fe氧化物的聚集；(ii) 在阿比斯科，较温暖和近乎停滞的河流条件使土壤孔隙水与河流之间的连通性在晚夏秋过渡季得以维持，促进了Fe的侧向转移，证据是Fe浓度的增加；胶体Fe百分比的增加、Ce异常值负值减小、δ³⁰Si的轻微降低以及DOC浓度的增加，进一步表明与DOC相关的胶体Fe氧化物（1 nm–0.22 μm）在河流中的增加。这两种不同的Fe粒径范围对北极DOC的出口通量具有直接影响。

引言

河流是将陆地铁（Fe）和溶解性有机碳（DOC）输送到海洋的重要渠道（Dai和Martin, 1995; Hirst等, 2023a; Krachler等, 2005, Krachler等, 2010; Kritzberg等, 2014）。铁主要以颗粒（> 0.22 μm）和胶体（1 nm–0.22 μm）形式输运，特别是包含化学活性Fe（氧氢）氧化物（如纳米无定形氧化铁）作为与DOC相关的Fe氧化物（Hirst等, 2017; Pokrovsky和Schott, 2002; Pryer等, 2020）。剩余部分的Fe以真正溶解态Fe（< 1 nm）形式输运，通常以水溶液物种（Fe(II)_aq、Fe(III)_aq）或低分子量Fe-DOC络合物形式存在（Ilina等, 2014）。Fe氧化物与DOC的关联尤为重要，因为Fe氧化物在土壤孔隙水中通过物理化学作用稳定DOC，使其免受微生物降解（Kappler等, 2021; Kleber等, 2021; Opfergelt, 2020; Opfergelt等, 2026）。一旦转移到水生态系统，这部分DOC可以（i）被矿物元素稳定、聚集并贡献给水体沉积物，从而延迟温室气体的释放，或者（ii）通过光降解或微生物降解分解，从而立即作为温室气体（CO₂和CH₄）排放（Bowen等, 2020; Hirst等, 2017; Kelley等, 2026）。水生态系统中DOC的分解主要受光照、温度和溶解氧浓度的控制，这些因素共同控制着光降解和微生物矿化的速率（Chupakova等, 2018; Grunert等, 2021）。然而，Fe是调节DOC迁移性的另一个重要因素：河流中与DOC相关的Fe氧化物是决定碳是保留还是矿化的关键控制因素（Opfergelt等, 2026）。由于冻土土壤储存的有机碳超过1600 Gt，约为当前地球大气中碳含量的两倍（Strauss等, 2025），而冻土区域DOC的侧向通量约占每年通过水文过程导出的冻土碳库的5%（Plaza等, 2019），因此理解控制DOC稳定和动员的机制至关重要（Drake等, 2018; Tank等, 2018）。在无阻控的气候情景下，预计到2100年，近地表冻土的70%将融化（Hugelius等, 2014; Schuur等, 2022），这将加剧水循环并向主要河流网络增加径流（Tian等, 2026; Walvoord等, 2012），并增加Fe和DOC等溶解元素向北极水生态系统的转移（Dial等, 2026）。因此，导出的DOC是否以矿物结合态到达海洋和/或在河流中被快速矿化，对冻土碳反馈具有重大影响。

理解Fe和DOC的迁移性需要了解水文连通性如何随时间演变，因为土壤孔隙水和地下水是输往内陆和沿海水生态系统的水和成分的主要来源（Vonk等, 2019）。此外，北极河流中的元素输运主要在春汛期间或以年尺度进行了研究（Krickov等, 2019; Sun等, 2018），而诸如晚夏秋过渡季（即夏末与初冬之间的过渡期）这样的过渡时期仍缺乏足够的约束（Shogren等, 2020）。鉴于最强的气候放大效应发生在晚夏秋过渡季和冬季（Box等, 2019），而此时水文连通性及其对Fe和DOC的影响了解最少（Lyu等, 2024; Natali等, 2019），这一知识空白尤为令人担忧。此外，目前缺乏多站点比较来阐明晚夏秋过渡季期间不同冻土区域的环境条件差异（Krickov等, 2020; Villani等, 2025; Vonk等, 2019; Walvoord等, 2019）。

为了弥补这一空白，本研究解决以下研究问题：不同冻土区域北极河流中铁和DOC的迁移性在晚夏秋过渡季如何演变？我们从美国阿拉斯加州的不连续冻土区（Panguingue Creek）和瑞典阿比斯科的零星冻土区（Stordalen泥炭地）的河流中采集了河水（< 0.22 μm）样本，采样时间为晚夏秋过渡季（阿拉斯加为2023年9月至11月，阿比斯科为2021年；图1）。

这些样本用于解决从研究问题中衍生出的两个递进性子目标。首先，我们需要通过使用pH、电导率和稳定水同位素（δ¹⁸O和δD）来识别河流中的水源，从而评估晚夏秋过渡季的水文连通性。稳定水同位素是追踪土壤孔隙水与深层地下水之间水源变化的有力代理指标（Mueller等, 2014; Tan等, 2016; Tananaev等, 2021）。来自土壤孔隙水和/或深层地下水的河流水源输入将影响Fe和DOC在河流中的迁移性。

其次，我们需要评估随着晚夏秋过渡季水文连通性的变化，河流中Fe和DOC浓度的变化。我们假设晚夏秋过渡季期间的条件变化会导致河水中的Fe氧化物形成；因此我们评估了胶体Fe的百分比，并使用水Ce异常值（Ce/Ce*）作为间接示踪剂来鉴定Fe氧化物的存在（见第2.4.5节）。我们还使用水硅同位素组成（δ³⁰Si）作为间接示踪剂来支持Fe氧化物的存在（Delstanche等, 2009; 见第2.4.6节）。连同胶体Fe的直接测量，Ce异常值和δ³⁰Si为Fe氧化物的形成提供了互补的间接约束。

最终，晚夏秋过渡季期间河水中Fe氧化物出现和DOC浓度的演变被用于阐明Fe和DOC的迁移性，更具体地说是Fe在调节DOC输运中的潜在作用。

章节摘要

研究站点

实地工作于两个不同的地理区域开展：美国阿拉斯加州的Panguingue Creek流域（63°52′N，149°15′W；海拔700 m），以及瑞典阿比斯科的Stordalen泥炭地（68°20′N，19°03′E；海拔385 m）（图1a; Obu, 2021）。这两次实地工作均在晚夏秋过渡季进行，时间为9月至11月（阿拉斯加为2023年，阿比斯科为2021年）。

在阿拉斯加，河水在Panguingue Creek河（二级河）靠近八英里湖处进行了采样

晚夏秋过渡季两个冻土区域对比鲜明的气候特征

本研究比较了两个不同冻土区域的站点：阿拉斯加的不连续冻土区和阿比斯科的零星冻土区。除了冻土范围之外，两个站点在水文上也存在差异：阿拉斯加的河流具有明显的季节性径流变率，而阿比斯科的河流更像近乎停滞的河流而非自由流动的河流（见第2.1节）。在晚夏秋过渡季期间，阿拉斯加的日均气温（?3.5 ± 5.4 °C）显著低于5 °C（Wilcoxon检验；p

结论

我们的结果表明，在晚夏秋过渡季期间，北极河流中铁和DOC的迁移性受到水文连通性的强烈控制，而水文连通性本身取决于地理（区域冻土）、气候（采样期间的气温和降水）和水文（自由流动或近乎停滞的河流）条件。我们展示了不连续冻土区（美国阿拉斯加）和零星冻土区（阿比斯科）之间的两种对比鲜明的过程，

生成式AI和AI辅助技术在稿件准备过程中的声明

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CRediT作者贡献声明

Ma?lle Villani：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，可视化，方法论，调查，正式分析，概念化。Catherine Hirst：撰写–审阅与编辑，方法论，正式分析。Eléonore du Bois d'Aische：撰写–审阅与编辑，方法论，正式分析。Cécile Osy：撰写–审阅与编辑，方法论。Maxime Thomas：撰写–审阅与编辑，方法论。Philippe Roux：撰写–审阅与编辑，方法论，正式分析。Erik

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们要感谢瑞典极地研究局、ICOS Sweden和SITES对在阿比斯科科研站工作的支持。ICOS Sweden和SITES由瑞典研究委员会支持。我们感谢"L?nsstyrelsen Norrbotten"允许我们进入Stordalens自然保护区。我们感谢生态系统科学与社会中心（ECOSS）为我们在阿拉斯加的研究站点提供便利。我们感谢R. Giesler和C.-M. M?rth

Ma?lle Villani | Catherine Hirst | Eléonore du Bois d'Aische | Cécile Osy | Maxime Thomas | Philippe Roux | Erik Lundin | Justin Ledman | Edward Schuur | Sophie Opfergelt

地球与生命学院，比利时天主教鲁汶大学，鲁汶-拉新