2024-08-15 新闻来源：徐雪丽 生命的智慧
河流（在此理解为从最小的源头溪流到大河的所有流水）被组织成分形网络，流经大陆，通过水、能量和物质的横向转移将陆地和海洋生态系统连接起来。长期以来，河流被认为是将碳 (C) 从陆地保守地转移到海洋的“管道”，今天我们了解到河流是“生物地球化学反应器”，它代谢有机碳 (OC)，向大气中 净排放CO2和CH4，并将OC埋藏在水生沉积物、洪泛平原和三角洲中。政府间气候变化专门委员会 ( IPCC )和全球碳计划在其全球碳预算评估中采用了这一概念。
我们目前对河流在全球碳循环中的作用的理解仍然局限于简单的预算分析，其中河流仍然经常被统称为一个黑匣子，没有可量化的内部过程。这种方法无法预测全球变化将如何改变河流碳封存和温室气体（GHG）排放的时间和空间分布。河流作为“生物地球化学反应器”的概念意味着它们作为生态系统的性质，其能量流与新陈代谢有关，新陈代谢定义为所有生物对能量的固定和耗散。
到目前为止，尚未尝试对河流生态系统代谢进行全球规模的评估，这是我们理解河流在全球碳生物地球化学中的作用的一个关键空白。河流生态系统代谢是碳和养分循环、食物网能量和生物多样性的主要控制因素，因此它直接影响生态系统健康。
全球变化改变了全球碳循环及其对地球气候的反馈。河流网络也未能免受全球变化的影响。气候变化扰乱了河流的自然流量、温度和结冰，而筑坝和取水进一步扰乱了河流网络。总的来说，这些干扰改变了全球河流的表面积以及淡水的分布和可用性。同时，土地利用和管理的变化通过增加向河流输送溶解和颗粒营养物和碳来促进富营养化。
全球变化还扰乱了陆地和河流生态系统之间的全球碳通量。这些对河流生态系统代谢的影响以及随之而来的对河流段的大规模碳生物地球化学的影响越来越被人们所了解。但是，目前，我们缺乏必要的数据和模型来将这种理解扩展到有时横跨多个陆地生物群落的整个河流网络。
本文回顾了河流生态系统代谢研究的现状，并综合了目前河流生态系统代谢的最佳估计值。我们的回顾侧重于河流，而不是所有内陆水域（例如包括湖泊），因为它们组成了与景观紧密相连的网络，并且具有独特的生态系统特性和对全球变化的敏感性。
我们采用质量平衡方法来评估生态系统代谢对全球河流碳预算的贡献，包括从陆地到河流、大气和沿海海洋的碳通量。我们讨论了全球变化（如气候和土地利用变化、流量调节）如何影响河流生态系统代谢和相关的碳通量，并确定了研究方向，以提高我们对机制的理解，以更好地预测全球变化对这些生态系统过程的影响。最后，我们强调了全球河流观测系统 (RIOS) 对河流网络实现这一目标的必要性。
研究结果
1河流生态系统代谢
河流生态系统的能量学基于来自水生初级生产力的本土能量和来自陆地环境的外来能量。
2生态系统代谢的环境驱动因素
人们对河流代谢的驱动因素了解得相对较少，光、排放、土地利用、营养物、水文干扰、温度、浊度等环境因素对河流代谢有影响。越来越多的证据表明，代谢机制背后与生态系统存在着共同的环境驱动因素。
3全球河流异养情况
文章对全球平均NEP的估计（约 426 g C m −2 年−1）表明，河流是地球上最异养的生态系统之一。它们的异养性由自养陆地生态系统输出的 OC 支持（全球平均陆地 NEP 为 74 g C m −2 年−1）。最终，许多河流流入河口，河口总体上异养性较低（全球平均NEP：−189 g C m −2 年−1）。大陆架也受到河流输入的影响；它们的全球 NEP 仍然受到严格限制，范围在 −6 至 2 g C m −2 年−1之间。这种跨生态系统的NEP模式表明河流是快速代谢陆地 OC 补贴的“生物反应器”，并强调了它们与全球范围内C循环的相关性。
4整合大规模碳通量
将河流碳研究从单个河流扩展到网络级别至关重要。全球河流的高异养性和 CO2排放量促使我们将河流代谢与从陆地到河流，再到沿海海洋的碳通量结合起来。使用质量平衡方法，文章量化了全球尺度上的相关通量并将其分解为纬度带。文章中的质量平衡还包括来自河流的全球CH 4排放（除CO2外），以及来自水库的OC 埋藏和CO2和CH4。
5全球变化对河流代谢和温室气体排放的影响
全球变化对河流生态系统代谢的影响是复杂的；对CO2和CH4的生成、运输和排放的影响更是复杂。
6改变陆地碳补贴
气候变化对陆地对河流补贴有大规模影响。气候变化还会影响水流过集水区的时间和范围，从而影响陆地碳向河流的输送。脉冲式陆地有机碳补充也会在年度范围内影响河流生态系统代谢。农业用地转换对河流生态系统代谢和温室气体排放有较大影响。
7河流生态系统缺氧与健康
文所述的全球变化对河流生态系统代谢的影响，其中许多最终会导致富营养化，当 ER 超过 GPP 或大气交换提供的氧气补给时，会导致缺氧。在河流中，大规模的缺氧会危害生物多样性，阻碍鱼类迁徙，导致鱼类死亡并损害水质，从而危及生态系统健康和服务。
结论展望
认识到全球变化对河流生态系统的影响也强调了更好地理解和预测河流对从陆地到大气和海洋的大规模碳通量的作用的必要性。机遇和需求都伴随着挑战。为了应对这些挑战，我们提出了一个全球 RIOS，类似于现有的陆地（如 ICOS）、湖泊（如GLEON）和海洋（如 Argo 浮标）领域的 RIOS。
参考文献：Battin, T.J., Lauerwald, R., Bernhardt, E.S. et al. River ecosystem metabolism and carbon biogeochemistry in a changing world. Nature 613, 449–459 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05500-8
创作人：徐雪丽-中科院城市环境研究所
本文来源于第一届水生生物与水域生态学全国研究生暑期学校的学员作业。
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