综述：从传统的危机应对方式到工程化的动态韧性：在变化环境下对城市粮食-能源-水资源安全问题的综述

《Journal of Environmental Management》：From traditional crisis response to engineering dynamic resilience: A review of urban food–energy–water security under the changing environment

森林头流溪碳通量与排放机制研究：基于粤北喀斯特区一年监测数据，揭示农业干扰下森林头流溪以CO?为主（1843.56 t C·a?1）的气态碳排放远超溶解碳（DIC 203.72 t C·a?1，DOC 82.23 t C·a?1）下游输运，pH、溶解氧、电导率等水文化学因子与坡度、海拔等地貌参数共同调控碳通量，农业用地通过影响土壤侵蚀和微生物活性对气态碳排放产生显著负相关作用。

　　

陈后兵|余阳波|方旭鹏|江楠|薛冰|李玉琪|唐国平

中国广东省北部喀斯特地区的碳-水研究站，中山大学地理与规划学院，广州，510006

摘要

源头溪流是全球碳排放的主要贡献者，然而调节亚热带森林源头溪流中碳传输和排放的机制仍不完全清楚。我们在中国南部的一个亚热带森林源头流域进行了长期监测，以量化溪流中的碳通量，并评估其季节性模式和环境控制因素。研究结果表明，气体碳排放占溪流网络总碳损失的主要部分，年度CO₂和CH₄排放量（分别为1843.56吨·年^?1和0.88吨·年^?1）远远超过了下游溶解无机碳（DIC）和溶解有机碳（DOC）的排放量（分别为203.72吨·年^?1和82.23吨·年^?1）。农业用地覆盖与整个流域、河岸带和采样点的DIC、DOC和CH₄呈正相关，但与CO₂呈负相关，这表明低强度的农业干扰可以略微改变森林源头溪流中的碳处理过程。此外，pH值、溶解氧、电导率、河道坡度和海拔等环境因素也在调节碳通量中起着关键作用，从而突显了土地利用和水文地貌控制的综合影响。总体而言，这项研究表明，受农业干扰的森林源头溪流中的碳通量受到流域特征、水质和土地利用模式的共同影响。这些发现有助于我们更好地理解溪流碳排放过程及其影响因素，对于区域碳预算评估和环境管理具有重要意义。

引言

源头溪流是全球碳循环的重要组成部分，也是碳排放的重要来源（Botter等人，2022年；Butman和Raymond，2011年；Winterdahl等人，2016年）。它们通过输送颗粒态和溶解态碳将陆地和海洋碳库联系起来，但这种转移的量级仍难以准确量化（Reiman和Xu，2019年）。研究表明，全球溶解碳（DC）的通量甚至可能超过颗粒态碳的通量（Li等人，2017年，2021年）。DOC和DIC是源头溪流中纵向碳传输的关键组成部分，并可以输送到更高级别的河流系统（Li等人，2021年；Solano等人，2024年）。然而，由于方法上的限制和区域间的显著差异，对源头溪流中溶解碳通量的估计仍然存在很大不确定性（Jiang等人，2025年；Lauerwald等人，2015年；Xu等人，2024a年），这限制了我们对源头溪流中碳传输、排放及其潜在机制的理解。

除了作为通往海洋的主要途径外，源头溪流还是通过水-空气界面向大气排放气体碳的重要来源（Luo等人，2019年）。这些溪流通常富含溶解态气体碳，会向大气中释放大量的CO₂和CH₄（Butman和Raymond，2011年；Raymond等人，2013年）。据估计，通过水-空气界面的全球河流碳排放量为2180太克碳·年^?1，远高于河流输送到海洋的950太克碳·年^?1（Raymond等人，2013年）。通过水-空气界面的CO₂排放量远远超过CH₄的排放量（Li等人，2021年）。在水-空气界面释放的碳主要来自附近的森林生态系统，这些生态系统为源头溪流提供了大量的碳。全球河流网络中大约70%的CO₂排放来自森林源头溪流，但这些溪流的排放特征和潜在机制仍不甚清楚（Luo等人，2019年；Raymond等人，2013年）。

森林源头溪流在将碳从陆地生态系统输送到下游河流的过程中起着关键作用，输送的碳的形式和浓度强烈影响下游的水生过程（Liao等人，2020年）。溪流中的溶解碳（DC）主要来源于陆地输入、岩石风化、地下水流入和溪流内的生物代谢。它可能以DOC和DIC的形式输送到下游，或者以CO₂和CH₄的形式排放到大气中（Li等人，2021年）。作为水生生物地球化学的关键组成部分，DC调节着溪流网络内的碳通量（Shan等人，2021年；Wen等人，2020年）。在坡度低、流速慢的溪流中，DOC倾向于通过沉积作用积累，从而减少通过水-空气界面的碳逃逸（Liao等人，2020年）。当CO₂或CH₄的分压超过表面张力和沉积物孔隙压力的总和时，会发生气泡气体通量（S?等人，2024年）。由于森林源头溪流的总CO₂和CH₄排放量可能超过下游输送的溶解碳量，水-空气碳交换成为区域碳循环中的关键途径（Raymond等人，2013年）。因此，研究森林源头溪流中碳通量的主要贡献因素是否仍然占主导地位对于理解小流域内的碳传输和转化途径至关重要。

森林源头溪流中的碳通量变化受多种环境因素的调节，包括气候条件（如降水和温度）和空间异质性（如地形和河道坡度）（Liao等人，2020年；Lin等人，2025年）。在这些因素中，降水是通过改变陆地水文条件来影响碳通量动态的主要因素之一。在雨季，增强的水流湍流会改变溪流中的DC浓度并提高通过水-空气界面的气体传输速度，从而促进CO₂或CH₄的逃逸（Daniel等人，2025年）。土壤中的DC可以渗入溪流，在潮湿时期导致DOC浓度升高（Maavara等人，2023年；Wu等人，2023年）。降水还会将大量CO₂从土壤输送到溪流中，导致水-空气碳通量高于干燥时期（Clow等人，2023年；Ding等人，2022年）。空气温度同样在调节溪流碳动态中起着关键作用。Clow等人（2023年）报告称，当年平均温度在0到2摄氏度之间时，山区源头溪流中的DOC排放量达到峰值。升高的水温加速了沉积物中CH₄的扩散，导致CH₄的过饱和和从溪流表面的增强排放。全球范围内，纬度温度梯度导致了水-空气碳通量的明显空间差异：热带>温带>北方地区（Aufdenkampe等人，2011年；Lauerwald等人，2015年）。地形条件的空间异质性也影响了碳动态。靠近河岸湿地的溪流通常具有更高的DOC浓度，而浓度随着海拔的降低而下降（Lin等人，2025年；Solano等人，2024年）。此外，人为活动（Duvert等人，2018年；Shi等人，2017年）、溪流的物理化学特性（Dang等人，2025年；Song等人，2021年）和流域特征（Xu等人，2024a）也都影响了溶解碳和水-空气碳通量的变化。现有研究表明，多种环境因素调节碳通量，但在亚热带源头溪流中，它们综合效应的量化仍不充分，特别是不同土地利用模式如何影响各个碳通量组分。

目前，森林源头溪流与亚热带流域碳动态之间的关系仍然复杂且了解不足。现有研究主要集中在热带（Chiriboga和Borges，2023年；Solano等人，2024年）和温带地区（Clow等人，2023年；Reiman和Xu，2019年；Shan等人，2021年），而亚热带系统中不同溪流等级、土地利用类型和环境因素驱动碳通量变化的机制仍不清楚。土地利用对碳通量的影响也因地区而异，因为土壤性质和土地管理实践的差异会改变碳交换过程。中国南部的亚热带森林生态系统，如南岭国家自然保护区（Xu等人，2024b）、湘西流域（Song等人，2022年）和牛盘山水域（Jiang等人，2025年），在生态上至关重要，代表了山地亚热带地区的湿润季风气候。为了确保亚热带农业干扰森林源头系统在地理上的代表性，选择了牛盘山水域作为研究区域。该流域具有密集的森林覆盖和一定的农业干扰，位于中国南部典型的山地亚热带地区，处于湿润的季风气候下。

为了解决上述问题，我们在中国南部的源头溪流中进行了一年的监测项目。我们假设土地利用模式、水体的物理化学性质和流域特征共同调节了溪流中的碳排放，而溪流等级和季节的变化通过改变水动力和生物地球化学过程驱动了碳通量的系统差异。基于对DOC和DIC浓度、CO₂和CH₄通量（FCO₂、FCH₄）的测量，以及一系列水文气象和环境数据的分析，本研究旨在：1）量化亚热带农业干扰森林源头溪流中不同溪流等级的碳通量的季节性变化；2）确定溪流等级、土地利用和关键环境因素对溶解碳和气体碳通量的时空动态的影响。这些发现为亚热带农业干扰森林源头溪流中的碳循环提供了新的见解，并为未来气候变化下的区域碳管理提供了科学依据。

研究区域

中国南部的亚热带地区以多样的植被和独特的季风气候为特征。充沛的降雨和山地地形形成了许多小型森林源头溪流，使该地区成为中国重要的森林碳库。位于广东省北部的牛盘山水域（NPSW）展示了这些典型的亚热带特征，包括湿润的季风气候、陡峭的地形和密集的植被（图1）。

源头溪流的水文特征

总体而言，研究区域的水文物理化学变量表现出明显的季节性模式（图2），其中Tw、DO和EC显示出明显的季节性变化，而pH值和流速（FV）的变化较弱。具体来说，Tw呈单峰分布，在8月达到峰值，在冬季降至最低值。平均水pH值介于5.27到7.11之间，反映出微酸性到中性的条件。与Tw不同，DO、EC和ORP也表现出单峰趋势，但最小值

森林源头溪流中的碳通量和排放

NPSW下游的溶解碳通量主要由溶解无机碳（DIC）主导，其年排放量约为溶解有机碳（DOC）的2.48倍。具体来说，年DIC排放量为203.72吨，相应的侵蚀通量为4.02吨·平方公里^?1·年^?1，而年DOC排放量为82.23吨，侵蚀通量为1.63吨·平方公里^?1·年^?1。与一些亚热带河流相比，NPSW观察到的DIC侵蚀通量较低

结论

本研究评估了亚热带农业干扰森林源头流域中溶解碳和气体碳的动态。虽然溶解碳库，特别是DIC，表现出适度的季节性变化，但CO₂和CH₄的气体通量表现出较弱的季节性变化，但在溪流网络中存在明显的空间异质性。总体而言，受农业干扰的森林源头溪流表现为净碳源，年排放量约为1843.56吨·年^?1

CRediT作者贡献声明

陈后兵：撰写——初稿、可视化、验证、软件、资源、方法论、调查、正式分析、概念化。余阳波：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、调查、数据管理。方旭鹏：撰写——初稿、可视化、调查、正式分析、数据管理、概念化。江楠：可视化、软件、方法论、调查、数据管理。薛冰：可视化、软件、数据

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述的工作。

致谢

作者感谢匿名审稿人的宝贵意见和建议。本研究得到了广东省研发基础设施和设施发展计划（编号2024B1212040005）以及国家自然科学基金（编号42171025）的资助。