揭示地表水循环在陆水耦合碳循环中的重要作用

地表河网系统是全球碳循环的重要参与者和大气温室气体的重要排放源。一方面, 河网碳物质输出抵消陆地生态系统的净碳汇作用，造成陆地碳汇估算的不确定性；另一方面，河网水气界面的温室气体释放增强大气温室气体累积和温室效应。地表河网系统同时也是地表水循环的重要组成部分，其在不同气候区的发育程度与陆面降水的时空分布特征、陆地生态系统生态功能用水和径流产出等地表水循环过程密切相关。然而，当前研究仍未有效建立陆-水-气耦合的流域大系统碳循环体系，造成地表系统净碳累积和温室气体收支平衡的极大不确定性（Ciais et al. 2021）。

图1. 全球河流直测 p CO2及不同气候带月尺度变化模型预测

研究者全面归纳了自1969年首次发现河流 p CO2过饱和现象（Park et al., 1969, Science）以来的研究文献。研究显示（图1），利用直测河流 p CO2和机器学习模型可有效规避 p CO2计算误差，模型可决系数提高1倍，预测误差减小40%。同时，利用具有月份分异的流域变量所建立的预测模型较年尺度模型可更有效的反演南北半球和不同气候区河流 p CO2的季节变化规律，其单月模型可决系数提高30–140%，反演误差减少21–61%。模型显示，动态陆地碳通量指标（GPP、土壤呼吸等）与 p CO2的时空分布关系密切，从而纠正了静态陆地碳储量（如土壤有机碳、植被碳储量等）决定河流 p CO2的传统认识。

图2. 全球河网 p CO2、气体传输速率（ k ）、水面逸散通量、河网流域面积分布及在不同气候带的变异系数

图3. 河网CO2释放随流域径流产出增加而迅速增加，而陆地总初级生产力随径流产出增加呈现增长饱和

该研究成果以“The importance of hydrology in routing terrestrial carbon to the atmosphere via global streams and rivers”为题发表在2022年3月7号的PNAS杂志上。北京师范大学刘少达博士、耶鲁大学Peter Raymond教授共同领导了该研究。该研究合作者包括Catherine Kuhn（华盛顿大学）、Giuseppe Amatulli（耶鲁大学）, Kelly Aho（耶鲁大学）, David Butman（华盛顿大学）, George Allen（德克萨斯农工大学）, Peirong Lin（北京大学）, Ming Pan（普林斯顿大学）, Dai Yamazaki（日本东京大学）, Craig Brinkerhoff（麻省大学）, Colin Gleason（麻省大学）和夏星辉教授（北京师范大学）。

       发文：刘少达博士 夏星辉教

该成果被Nature期刊以“Research Highlight”形式进行了同期特别报道，详情见
https://www.nature.com/articles/d41586-022-00674-7。

论文原文见：
https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2106322119