全球气候变暖已经显著改变了极地生态环境和河流生物地球化学，如北极马更些河和叶尼塞河等河流的碱度和碳通量不断上升。除极地地区外，高海拔山地地区也正经历着最快速的气候变暖，这些地区可以被视为观察气候变化对河流生物地球化学影响的前哨站点。青藏高原被称为“地球第三极”和“亚洲水塔”，是世界上最高、面积最广的造山高原。过去六十年以来，青藏高原的降雨不断增加、气温持续上升，从“干冷”向“湿暖”环境转变，显著影响了区域大气、水文和生物地球化学循环。已经观察到的环境变化包括冰川退缩、多年冻土退化、湖泊生长、热喀斯特湖形成、河流径流和沉积物通量增加、净初级生产力增强以及温室气体排放增加等。气候变暖和降雨增加会增加土壤呼吸和矿物溶解速率，而永久冻土退化则会暴露未风化的矿物，这些变化均可能改变河流碳的生物地球化学循环。
前人研究对青藏高原水文变化受气候变暖的影响已经取得比较全面的了解，但由于缺乏对河流生物地球化学长期观测，青藏高原和其他高山地区等高海拔地区对气候变暖对河流碳动态变化的影响的了解仍然有限。
李思亮教授课题组和德国慕尼黑大学、瑞典农业科学大学以及宾夕法尼亚州立大学等单位合作，通过分析源自青藏高原的金沙江和雅砻江两条主要河流的长期水化学观测数据集，包括溶解无机碳（DIC）和更详细的DIC、δ13CDIC和有机碳（DOC和POC）四年观测数据集，研究了在气候变暖背景下河流碳输出的长期和季节动态变化。结果显示，在连续冻土覆盖达51％的金沙江流域，伴随着气温上升（>3℃）和降雨增加，DIC浓度和通量分别增加了35%和110%，而在连续冻土覆盖为14％的雅砻江流域，这种变化并未观察到。金沙江流域的平均气温与DIC年均浓度、流量加权浓度以及通量均呈显著正相关。DIC浓度和径流量的变化对DIC通量增加的相对贡献分别为75％和25%，而气温和降雨对DIC通量增加的相对贡献分别为90％和10％。因此，气温上升是冻土覆盖河流DIC浓度和通量增加的主要驱动因素。在年内变化上，DOC和POC浓度随径流量变化呈现出“动员”模式，而DIC从过去（1970s和1980s）的“稀释”模式转变为现在（2010s）的“化学稳态”，表明不同流动路径下DIC浓度差异变小。这一转变反映了浅层土壤水DIC浓度上升到更接近深层地下水的DIC浓度，指示土壤DIC净产量有所增加。驱动因素包括冻土融化导致的土壤呼吸作用增强，以及暴露的未风化矿物（包括碳酸盐型蒸发岩矿物等）增加化学风化通量等。研究指出，除观测水文气象要素外，应在青藏高原建立河流监测站点观测河流生物地球化学的长期变化。与低海拔地区相比，青藏高原的变暖速度更快，因此可以观测到气候变化对河流生物地球化学的早期影响。
图1 流域平均气温、降雨、径流、DIC浓度和通量的长期变化
图2 流动路径和气候变化对C-Q关系的影响
以上研究成果由天津大学地球系统科学学院李思亮教授课题组和德国慕尼黑大学、瑞典农业科学大学以及宾夕法尼亚州立大学等单位的研究人员共同合作完成，发表在《Environmental Science & Technology》期刊上。该研究受国家自然科学基金（41925002，42303058）和第二次青藏高原科考项目（2019QZKK0707）资助。
论文信息：Xu, S., Li, S.-L. *, Bufe, A., Klaus, M., Zhong, J., Wen, H., Chen, S., Li, L., 2024. Escalating Carbon Export from High-Elevation Rivers in a Warming Climate. Environmental Science & Technology. 58 (16), 7032-7044. https://doi.org/10.1021/acs.est.3c06777.
