下托坎廷斯河碳动态的季节性变化：流量与环境驱动因子的影响

《River Research and Applications》：Seasonal Variation in Carbon Dynamics in the Lower Tocantins River: Influence of Discharge and Environmental Drivers

　　

热带河流在区域碳收支中发挥关键作用，然而受调控河流系统中的温室气体（GHG）动态仍缺乏充分认识。本研究考察了下托坎廷斯河这一受流量调控与土地利用变化影响的清水河流系统中，二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）浓度、同位素组成（δ¹³C）以及河流—大气通量的季节变异性。在为期3年的研究期间（2014–2016年），研究人员开展了逐月生物地球化学测量，并同步进行水文监测。CO₂浓度及其通量在高水期达到峰值，并与流量、溶解氧、pH、悬浮泥沙以及溶解有机碳呈正相关。相比之下，CH₄通量在低水期显著更高，并与较低的河流流量、风速以及细颗粒悬浮泥沙有关。δ¹³CO₂同位素分析表明，不同季节间碳源发生了变化，其中高水期河流pCO₂的贡献以陆源呼吸输入为主。这些发现强调了季节性水文过程对温室气体排放的影响，尽管上游水坝的流量调节削弱了洪泛脉冲动态并降低了与泛滥平原的侧向连通性。鉴于亚马孙流域内河流调控增强及土地转换加剧，理解这些过程对于指导可持续河流管理和完善区域温室气体（GHG）清单具有重要意义。

本文发表于《River Research and Applications》，聚焦巴西下托坎廷斯河这一受上游大坝调控显著影响的热带清水河流，系统分析了河流碳动态及其温室气体排放的季节性变化。研究背景在于，亚马孙区域河流是全球碳循环的重要组成部分，不仅承担陆地与海洋之间有机碳和无机碳输送通道的功能，还在碳的转化与向大气释放过程中发挥主动作用。既往研究已表明，亚马孙淡水系统中的二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）具有显著的时空异质性，并受水文条件、有机质输入及原位生物地球化学过程共同调控。然而，现有认识主要集中于亚马孙主干流及少数典型河流类型，对托坎廷斯河这类在巴西具有重要战略地位、同时又经历强烈水文调控和土地利用变化的大河系统，相关温室气体动态和河气交换研究明显不足。因此，开展本研究的必要性在于填补该流域温室气体排放记录空白，阐明受调控热带河流中季节性水文变化如何影响碳的输送、转化与释放，并为区域碳收支核算与河流管理提供依据。

研究人员围绕下托坎廷斯河溶解态、颗粒态和气态碳组分的季节变化开展了连续3年的月尺度观测，重点评估CO₂和CH₄浓度、通量及溶解CO₂稳定碳同位素组成（δ¹³CO₂）的变化规律，并解析其主要环境控制因子。研究结果表明，该河流在大多数时间内对CO₂和CH₄均表现为过饱和状态，但二者呈现相反的季节特征：CO₂浓度及扩散通量在高水期升高，并与流量同步变化；CH₄浓度和排放则在低水期显著增强，并与流量呈负相关。稳定同位素证据进一步显示，高水期较低的δ¹³CO₂值指示陆源有机质呼吸输入增强，而低水期较高的δ¹³CO₂值则反映河道内光合作用、气体交换等原位过程的影响更为突出。研究的重要意义在于揭示了即便在洪泛脉冲已被上游水坝削弱、河道与泛滥平原侧向连通性下降的背景下，季节性水文学仍然是控制温室气体排放的核心机制，同时也提供了托坎廷斯流域首批CO₂与CH₄观测证据。

在技术方法方面，研究人员于2014—2016年在下托坎廷斯河主河道固定站位开展23次月度野外调查，采集表层与60%水深样品，并结合邻近国家水务机构水文站的流量和降水数据进行分析。CO₂分压采用顶空气平衡法结合Licor LI-820现场测定，CH₄分压通过密闭容器顶空气平衡后用气相色谱测定；δ¹³CO₂利用Picarro CRDS（腔衰荡光谱，Cavity Ring-Down Spectroscopy）分析；CO₂扩散通量通过浮箱法直接测量，CH₄通量则基于分压差和气体传输速度进行估算。与此同时，研究人员同步测定水温、pH、溶解氧（DO）、电导率（EC）、悬浮泥沙、颗粒有机碳（POC）、溶解有机碳（DOC）和溶解无机碳（DIC），并采用方差分析和Pearson相关分析评估季节效应及环境驱动关系。

在研究结果部分，论文首先在“3.1 Climatic and Hydrological Variability”中说明，研究期内流域降水和流量具有显著季节性与年际差异。2014—2016年平均年降水量均低于1987—2016年的历史平均值，表明研究时段处于相对偏干背景。河流流量在2711至27,939 m³ s^?1之间波动，高水期平均流量约为低水期的2倍，并且三年间平均流量逐年下降，尤其2015—2016年低流量特征明显。这一结果表明，研究期间的水文条件不仅受到季风降水季节性的控制，也受到区域极端干旱及河流调控共同影响，为后续碳动态差异提供了背景基础。

在“3.2 Physicochemical and Environmental Characteristics”中，研究表明下托坎廷斯河具有典型清水河流特征，即水体略偏碱性、含氧良好、离子浓度较低、水温较高。表层与60%水深样品之间未见显著差异，因此后续采用均值代表站位状态。季节尺度上，低水期水温和DO显著较高，而EC在高水期较高，pH季节差异不显著。物质组成方面，DOC、总悬浮泥沙（TSS）和POC在高水期升高，说明丰水期间流域向河道输送的有机质与颗粒物增强。TOC中DOC约占86%，POC中细颗粒组分占绝对优势，TSS中细颗粒悬浮泥沙亦占主导，这些结果共同表明，河流碳与泥沙输送具有明显季节性，并为CO₂生成提供了潜在底物。

在“3.3 Concentrations and Fluxes of CO₂ and CH₄ From the River”中，研究人员发现下托坎廷斯河水体平均pCO₂为1082.4 ± 624.4 μatm，约为大气平衡分压的2.6倍，说明河流总体上是CO₂的净释放源。平均CO₂扩散通量为1.9 ± 3.4 μmol m^?2 s^?1。高水期pCO₂约为低水期的2倍，且CO₂浓度与流量呈强正相关，同时与δ¹³CO₂、DO和pH呈负相关。CH₄方面，平均浓度为0.12 ± 0.05 μM，高于大气平衡浓度；平均排放通量为9.6 ± 13.1 mmol m^?2 d^?1。与CO₂不同，CH₄在低水期排放约为高水期的6倍，并与流量呈负相关、与风速呈正相关。进一步分析显示，河流输送的CSS、FSS、TSS、FPOC、POC、TOC和DIC总体随流量增加而增加；其中pCO₂与DOC、FSS、TSS和TOC呈直接关系，而pCH₄仅与DIC存在相关性。这一组结果表明，CO₂更直接响应高水期陆源有机质和悬浮物输入，而CH₄则更受低水期河道水动力与局地过程控制。

在“3.4 Stable Isotopic Signatures”中，研究人员利用δ¹³CO₂进一步解析碳源变化。研究期内δ¹³CO₂介于?29.7‰至?12.8‰之间，平均为?19.2‰ ± 4.9‰，并与流量和CO₂浓度呈显著负相关。高水期δ¹³CO₂均值为?23.2‰ ± 5.1‰，明显低于低水期的?16.6‰ ± 2.7‰。该结果说明，高水期较高CO₂浓度伴随着更亏损的¹³C同位素特征，支持陆源呼吸作用和流域径流输入是主要来源；而低水期更富集的¹³C特征则表明，河道内光合作用优先消耗¹²CO₂、以及空气—水体气体交换等过程，对残余溶解CO₂同位素组成产生了更强影响。

在讨论部分，“4.1 Hydrological Controls on CO₂ and CH₄ Dynamics”强调，2015—2016年严重干旱叠加大坝调控，使研究河段水文情势发生显著变化，并进而影响水体理化特征、物质输送和生物地球化学过程。研究者据此认为，下托坎廷斯河中CO₂与CH₄的季节性变化主要受水文季节性控制，而水文变化又通过调节有机质供给和原位代谢过程，决定温室气体产生、消耗和积累之间的平衡。

“4.2 Controls on CO₂ Undersaturation and Photosynthesis”指出，虽然研究期间大部分时间河流对CO₂呈过饱和状态，但低水期局部月份也出现了CO₂欠饱和和负通量现象。这表明溶解CO₂受异养呼吸、光合作用吸收及气水交换共同调控。在该河段与泛滥平原直接连通较弱的条件下，陆地流域淋溶输入和河道内代谢过程的重要性相对更高。低水期悬浮泥沙减少、浊度下降、透光增强，可能促进水体光合作用相对于呼吸作用的优势，从而降低CO₂浓度，甚至出现大气向水体入侵的情况。

“4.3 Isotopic Evidence of Carbon Sources”进一步说明，δ¹³CO₂的季节变化为碳源解析提供了关键证据。高水期更低的δ¹³CO₂值与较高的pCO₂相对应，反映径流增强时陆源有机质和土壤CO₂输入增加。河流细颗粒和粗颗粒有机质同位素组成与C₃植物来源一致，支持高水期呼吸作用主要依赖陆源C₃植物有机质。低水期更高的δ¹³CO₂值则更可能反映河流内部过程增强，包括光合作用对¹²CO₂的优先吸收及空气—水体交换对同位素组成的改造。

“4.4 Methane Dynamics and Controlling Processes”表明，下托坎廷斯河CH₄溶解浓度虽低于部分亚马孙清水河流，但其扩散通量反而更高，显示浓度与排放并不完全耦合，局地水动力、河道形态和气体传输效率可能具有重要作用。尽管河流水体富氧，CH₄仍高于大气平衡值，体现了甲烷动态的复杂性。低水期河道变浅、静水压力下降和沉积物再悬浮增强，可能促进底泥CH₄释放，同时沉积物到表层水体距离缩短，也可能减少氧化前的停留时间。作者同时指出，在清水系统中，较低悬浮泥沙有利于光穿透，但也可能通过光抑制作用削弱甲烷氧化菌活性，因此光照、水深、泥沙负荷及微生物群落等因素共同决定了CH₄氧化与排放格局。

研究结论部分可译为：本研究揭示了下托坎廷斯河CO₂和CH₄动态存在显著季节模式，表明水文变率及其相关生物地球化学过程在调控河流碳循环中具有关键作用。研究期内流量和降水的显著季节性说明，该受调控河流系统对气候与水文波动高度敏感。CO₂循环的观测格局强调了生物成因过程对河流碳平衡的重要影响；其季节变化表明初级生产与呼吸过程可能存在交叠，且陆地景观输入的有机质，尤其在高水期，为异养代谢提供支撑。CO₂与DO及pH之间的相关关系进一步凸显了代谢过程、光合作用与环境参数之间的复杂联系。高、低水期的同位素特征表明碳源存在变化，并结合与流量的关系，进一步支持陆源有机质对河流碳动态的重要影响。托坎廷斯河的CH₄循环则表现为在富氧环境中仍具有高于预期的浓度，且低水期扩散通量升高，提示其来源与控制机制仍需进一步阐明。总体而言，该研究作为托坎廷斯流域CO₂和CH₄的首次记录，提供了该流域碳通量量级的重要基础信息；较高的CH₄值表明有必要继续开展长期研究，以在土地利用/覆盖变化和气候变化背景下，更好理解该流域碳的产生、输送与收支特征。