土地利用对喀斯特地表水-地下水系统中碳-氮-磷耦合循环与碳汇稳定性的调控：基于中国西南莎湾水-碳循环试验场的综合研究

《Journal of Hydrology》：Land-use regulation of coupled carbon–nitrogen–phosphorus cycling and carbon-sink stability in karst surface water–groundwater systems: synthesis from the Shawan water–carbon cycle experimental test site, SW China

　　

•土地利用重塑喀斯特地表—地下界面碳氮磷循环。•水文连通性控制喀斯特水体中DIC、氮和磷的通量。•碳汇强度与营养盐化学计量比及富营养化密切相关。•极端降雨放大土地利用对生物地球化学和水体稳定性的影响。引言近年来，受化石燃料燃烧、土地利用变化及其他人为活动驱动，大气CO?浓度持续上升。2024年，全球大气CO?浓度达到约423 ppm，全球平均温度上升约1.36°C，接近1.5°C阈值。这些变化表明全球碳循环和气候系统正在经历重大转变（Friedlingstein et al., 2025, Rogelj and Rajamani, 2025）。内陆水体，包括河流、湖泊和水库，覆盖面积约3.6×10? km2，占全球陆地表面积约2.6%（Gao et al., 2024, Raymond et al., 2013）。长期以来，内陆水体主要被视为将陆地碳输送至海洋的通道，其在全球碳预算中的作用受到的关注相对有限。然而，近期研究表明，内陆水体不仅是陆源碳输运的路径，同时也是CO?和CH?排放以及有机碳保存的活跃场所，通过有机物分解、空气—水气体交换、水生生物固碳、颗粒有机碳沉降和沉积物埋藏等过程实现（Battin et al., 2023, Cole et al., 2007, Hotchkiss et al., 2015）。因此，明确内陆水体在碳源—汇转变中的作用对于改进区域和全球碳循环评估具有重要意义。内陆水体的碳循环和富营养化均受到流域土地利用变化的强烈影响。随着人口增长和人类活动加剧，全球土地利用格局发生了巨大变化（Chen et al., 2025, Winkler et al., 2021）。土地利用变化是陆地碳循环的主要驱动因素（Gao et al., 2025, Qin et al., 2024），同时也能通过改变植被覆盖、土壤呼吸、径流路径、入渗过程和营养盐保持能力来调节从流域向水体系统输出的碳（C）、氮（N）和磷（P）的负荷和化学计量关系（Pielke, 2005, Zhang et al., 2026）。在农业系统中，高强度的氮和磷施肥通常会增加通过地表径流和地下淋溶输出的营养盐通量，从而加剧富营养化风险（Oenema and Roest, 1998）。相反，自然植被恢复可能增加土壤有机质积累、根系呼吸和微生物活性，促进土壤CO?产生，同时减少部分氮和磷输出（Houser and Richardson, 2010）。因此，土地利用变化可能通过改变C、N、P输入的总量和相对比例，进而影响水生代谢、碳汇功能和水质演化。喀斯特地区覆盖全球陆地面积约15%，以活跃的碳酸盐岩风化作用为特征，通常形成高pH值、高Ca2?浓度和丰富的DIC（溶解无机碳）的地下水和地表水（Jiang et al., 2020, Plummer et al., 1978）。碳酸驱动型碳酸盐溶解可用以下反应表示：CaCO? + CO? + H?O ? Ca2? + 2HCO??植被可通过增加土壤pCO?来增强该过程，而根系呼吸和微生物分解可提升土壤CO?浓度；在农业土壤中，化肥衍生的酸度和硝化作用可能进一步促进硝酸盐相关的碳酸盐溶解，这对风化衍生碳的来源和命运具有不同含义（Zeng et al., 2022）。因此，土地利用不仅影响碳酸盐风化产生的DIC量，还影响其来源。喀斯特水体的DIC浓度往往是非喀斯特水体的6—10倍（Wang et al., 2024, Yi et al., 2021），为生物利用DIC、碳酸盐沉淀和有机碳稳定化提供了独特的水化学环境（Liu et al., 2021, Zeng et al., 2021）。同时，发育完善的表土层、裂隙和管道创造了强烈的地下水—地表水连通性，使DIC、Ca2?和营养盐能够快速输运至受纳水体，并随后被生物和矿物过程改造（Barry-Sosa et al., 2024, Gao et al., 2021, Shao et al., 2025a）。因此，通过影响土壤CO?产生、碳酸盐溶解、地下水补给和营养盐活化，土地利用变化可能改变地下水—地表水界面DIC、N、P的水化学组成和化学计量关系，进而影响水生碳处理和富营养化风险（Chen et al., 2021b, Qi et al., 2025, Sun et al., 2022）。在耦合的C—N—P框架内，喀斯特水体中的碳过程尤其值得关注，因为碳酸盐风化持续供给DIC，将岩石风化与水生代谢、碳酸盐沉淀和营养盐循环联系起来。考察DIC的命运，为理解碳汇形成和富营养化风险如何受到共同调控提供了切入点。然而，高DIC可用性并不必然导致持久的碳储存（Shao et al., 2026）。DIC可支持水生光合生产和自生有机碳（AOC）的形成，但在pH > 8的碱性水体中，DIC主要以HCO??和CO?2?形式存在，而CO?(aq)相对有限。这可能限制了依赖游离CO?或需要高效碳浓缩机制（CCMs）的生物（He et al., 2024）。尽管水—岩—气—生物相互作用可促进风化衍生DIC向有机碳的部分转化（Liu et al., 2010, Liu et al., 2018），但DIC的利用和稳定化还受到N和P可用性、C:N化学计量比、水力停留时间、生物群落组成和微生物代谢的调节（Barry-Sosa et al., 2024）。由于土地利用可改变地下水补给、DIC和DOC供给、营养盐负荷和氧化还原条件，它可能间接调节地下水—地表水界面微生物暗碳固定的底物和能源支持，这代表了DIC向有机碳转化的另一途径（Zhao et al., 2024）。然而，其相对贡献和对土地利用变化的敏感性仍缺乏明确约束。土地利用是流域尺度的关键强迫因子，可能重塑喀斯特水生系统中耦合的C—N—P循环（Bao et al., 2023）。通过改变植被覆盖、土壤CO?产生、入渗路径、地下水补给、碳酸盐溶解和营养盐活化，不同的土地利用类型可改变输往地表水的DIC、N、P输入的总量和组成（Chang et al., 2026）。这些变化可能进一步影响水生代谢、碳酸盐沉淀、营养盐保持以及碳汇形成与富营养化风险之间的平衡（Bao et al., 2023, Shao et al., 2025b, Zeng et al., 2019a）。然而，在自然流域中，区分特定土地利用类型的影响往往困难，因为多种土地利用并存，并与异质性的水文路径、土壤特性和生物地球化学边界条件相互作用。这种复杂性限制了对土地利用驱动的输入如何调节喀斯特水体中耦合的C—N—P循环及相关生态后果的机制理解（图1）。贵州射滩水碳循环试验站为研究这些问题提供了理想的场地。该站具有连接表土层含水层与地表水的典型连通系统。在相同的初始地质背景下，包括裸岩、裸土、草地、灌木地和农业耕地等不同土地利用类型下的独立地下水（泉）—地表水（池塘）系统（Zeng et al., 2017）。与土地利用类型混合且边界条件复杂的自然流域相比，该试验站在相对可控的条件下，允许比较不同土地利用如何影响土壤CO?产生、地下水DIC和营养盐输入、地表水代谢以及C—N—P的命运。这有助于识别土地利用调节喀斯特水体碳汇功能和营养盐循环的关键过程（Bao et al., 2022, Zeng et al., 2019a, Zeng et al., 2025, Zhao et al., 2024）。基于射滩试验站长期、高频的原位监测数据，结合水化学、生物群落结构和沉积物化学计量特征，本综述聚焦喀斯特地下水—地表水界面，综合论述土地利用变化如何调节耦合的C—N—P循环。本综述特别关注不同土地利用背景下DIC输入、N/P供给、水生代谢、生物群落组成和AOC形成之间的关系。基于碳酸盐风化与水生光合耦合的碳汇框架，本综述探讨了生物利用DIC和磷保留如何共同调节富含DIC的喀斯特水体中的碳封存和富营养化风险。本综述旨在为评估喀斯特流域的碳汇潜力、优化土地利用管理以及维持水质安全提供概念基础。我们强调，土地利用变化不仅通过改变风化衍生DIC输入影响喀斯特碳汇，还通过重塑地下水—地表水界面的C—N—P化学计量关系和相关生物地球化学过程，共同影响碳汇效率和富营养化风险。章节片段试验站结构与土地利用处理：射滩水碳循环试验站由五个钢筋混凝土箱体系统（20 m × 5 m × 3 m）组成，定义了试验边界。内表面涂覆环氧树脂并铺设HDPE膜以防止外部水交换。使用黔西南州册亨县射滩镇三叠纪中统关岭组破碎白云质灰岩作为喀斯特含水层介质。尽管该材料无法复现真实喀斯特含水层结构的复杂性……关键元素时空耦合动力学：地表—地下界面C—N—P循环对土地利用变化的响应机制：经碳酸盐风化形成的高DIC地下水溢流至地表并进入池塘系统后，主导生物地球化学过程从土壤和岩石呼吸转变为水生生物代谢。在这一跨越界面的动态转变过程中，碳物种的分布和浓度在日周期和季节尺度上表现出显著规律。土地利用变化驱动的喀斯特水体耦合C—N/P循环：碳酸盐风化、DIC施肥效应和生物碳泵的级联响应：由化石燃料燃烧、土地利用变化及其他人为活动驱动的大气CO?浓度快速上升，凸显了基于自然的解决方案增强生态系统碳汇的必要性（Shao et al., 2025a）。传统上，硅酸盐风化被认为是大气CO?的长期主导调节因素，而单独的碳酸盐风化通常被视为瞬时碳汇。然而，越来越多的证据表明，当碳酸盐风化衍生……生态修复通过DIC—BCP耦合增强喀斯特水生碳汇：生态修复可能并非简单通过增加风化衍生DIC输入来增强喀斯特水体的碳汇，而是通过将DIC供给与生物吸收、有机碳生产和沉积保存相耦合来实现。然而，长期碳储存最终取决于气体交换、再矿化、沉积、埋藏和矿物保护之间的平衡，而修复可能通过改变土地利用、土壤……结论：本综述强调了土地利用变化作为关键上游驱动因素，将耦合的C—N—P循环与光照充足的浅水喀斯特水体中碳汇形成和富营养化风险联系起来。跨越地表水—地下水界面，土地利用调节植被覆盖、土壤CO?产生、碳酸盐风化、水文传输和营养盐保持，从而重塑从流域输送至下游水体的DIC、氮和磷的数量和化学计量平衡。利益冲突声明：作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知经济利益冲突或个人关系。致谢：本工作受国家自然科学基金（42141008, 42407287, 42130501, 42307070）、贵州省2021年科技专项（GZ2021SIG）支持。潘涛|Mingyu Shao|曾思博|刘再华|鲍倩|贾一坤|Mohamed Aboueldahab|孙海龙|史梁星|赵敏|王旭|严君耀|李杭|张一润