2024-08-15新聞來源：徐雪麗 生命的智慧
河流（在此理解為從最小的源頭溪流到大河的所有流水）被組織成分形網絡，流經大陸，通過水、能量和物質的橫向轉移將陸地和海洋生態係統連接起來。長期以來，河流被認為是將碳 (C) 從陸地保守地轉移到海洋的“管道”，今天我們了解到河流是“生物地球化學反應器”，它代謝有機碳 (OC)，向大氣中 淨排放CO2和CH4，並將OC埋藏在水生沉積物、洪泛平原和三角洲中。政府間氣候變化專門委員會 ( IPCC )和全球碳計劃在其全球碳預算評估中采用了這一概念。
我們目前對河流在全球碳循環中的作用的理解仍然局限於簡單的預算分析，其中河流仍然經常被統稱為一個黑匣子，沒有可量化的內部過程。這種方法無法預測全球變化將如何改變河流碳封存和溫室氣體（GHG）排放的時間和空間分布。河流作為“生物地球化學反應器”的概念意味著它們作為生態係統的性質，其能量流與新陳代謝有關，新陳代謝定義為所有生物對能量的固定和耗散。
到目前為止，尚未嚐試對河流生態係統代謝進行全球規模的評估，這是我們理解河流在全球碳生物地球化學中的作用的一個關鍵空白。河流生態係統代謝是碳和養分循環、食物網能量和生物多樣性的主要控製因素，因此它直接影響生態係統健康。
全球變化改變了全球碳循環及其對地球氣候的反饋。河流網絡也未能免受全球變化的影響。氣候變化擾亂了河流的自然流量、溫度和結冰，而築壩和取水進一步擾亂了河流網絡。總的來說，這些幹擾改變了全球河流的表麵積以及淡水的分布和可用性。同時，土地利用和管理的變化通過增加向河流輸送溶解和顆粒營養物和碳來促進富營養化。
全球變化還擾亂了陸地和河流生態係統之間的全球碳通量。這些對河流生態係統代謝的影響以及隨之而來的對河流段的大規模碳生物地球化學的影響越來越被人們所了解。但是，目前，我們缺乏必要的數據和模型來將這種理解擴展到有時橫跨多個陸地生物群落的整個河流網絡。
本文回顧了河流生態係統代謝研究的現狀，並綜合了目前河流生態係統代謝的最佳估計值。我們的回顧側重於河流，而不是所有內陸水域（例如包括湖泊），因為它們組成了與景觀緊密相連的網絡，並且具有獨特的生態係統特性和對全球變化的敏感性。
我們采用質量平衡方法來評估生態係統代謝對全球河流碳預算的貢獻，包括從陸地到河流、大氣和沿海海洋的碳通量。我們討論了全球變化（如氣候和土地利用變化、流量調節）如何影響河流生態係統代謝和相關的碳通量，並確定了研究方向，以提高我們對機製的理解，以更好地預測全球變化對這些生態係統過程的影響。最後，我們強調了全球河流觀測係統 (RIOS) 對河流網絡實現這一目標的必要性。
研究結果
1河流生態係統代謝
河流生態係統的能量學基於來自水生初級生產力的本土能量和來自陸地環境的外來能量。
2生態係統代謝的環境驅動因素
人們對河流代謝的驅動因素了解得相對較少，光、排放、土地利用、營養物、水文幹擾、溫度、濁度等環境因素對河流代謝有影響。越來越多的證據表明，代謝機製背後與生態係統存在著共同的環境驅動因素。
3全球河流異養情況
文章對全球平均NEP的估計（約 426 g C m −2 年−1）表明，河流是地球上最異養的生態係統之一。它們的異養性由自養陸地生態係統輸出的 OC 支持（全球平均陸地 NEP 為 74 g C m −2 年−1）。最終，許多河流流入河口，河口總體上異養性較低（全球平均NEP：−189 g C m −2 年−1）。大陸架也受到河流輸入的影響；它們的全球 NEP 仍然受到嚴格限製，範圍在 −6 至 2 g C m −2 年−1之間。這種跨生態係統的NEP模式表明河流是快速代謝陸地 OC 補貼的“生物反應器”，並強調了它們與全球範圍內C循環的相關性。
4整合大規模碳通量
將河流碳研究從單個河流擴展到網絡級別至關重要。全球河流的高異養性和 CO2排放量促使我們將河流代謝與從陸地到河流，再到沿海海洋的碳通量結合起來。使用質量平衡方法，文章量化了全球尺度上的相關通量並將其分解為緯度帶。文章中的質量平衡還包括來自河流的全球CH 4排放（除CO2外），以及來自水庫的OC 埋藏和CO2和CH4。
5全球變化對河流代謝和溫室氣體排放的影響
全球變化對河流生態係統代謝的影響是複雜的；對CO2和CH4的生成、運輸和排放的影響更是複雜。
6改變陸地碳補貼
氣候變化對陸地對河流補貼有大規模影響。氣候變化還會影響水流過集水區的時間和範圍，從而影響陸地碳向河流的輸送。脈衝式陸地有機碳補充也會在年度範圍內影響河流生態係統代謝。農業用地轉換對河流生態係統代謝和溫室氣體排放有較大影響。
7河流生態係統缺氧與健康
文所述的全球變化對河流生態係統代謝的影響，其中許多最終會導致富營養化，當 ER 超過 GPP 或大氣交換提供的氧氣補給時，會導致缺氧。在河流中，大規模的缺氧會危害生物多樣性，阻礙魚類遷徙，導致魚類死亡並損害水質，從而危及生態係統健康和服務。
結論展望
認識到全球變化對河流生態係統的影響也強調了更好地理解和預測河流對從陸地到大氣和海洋的大規模碳通量的作用的必要性。機遇和需求都伴隨著挑戰。為了應對這些挑戰，我們提出了一個全球 RIOS，類似於現有的陸地（如 ICOS）、湖泊（如GLEON）和海洋（如 Argo 浮標）領域的 RIOS。
參考文獻：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
創作人：徐雪麗-中科院城市環境研究所
本文來源於第一屆水生生物與水域生態學全國研究生暑期學校的學員作業。
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