北师大夏星辉教授团队：青藏高原江河碳氮循环和温室气体排放模式与机制

作者简介

夏星辉，北京师范大学教授、博导，教育部“长江学者”特聘教授，国家杰出青年基金获得者。主要从事流域水土环境研究，重点研究水-沙-污染物/碳氮等营养元素的相互作用、温室气体的产生与排放、全球变化对水土环境质量的影响、以及流域降碳减污协同调控。担任Journal of Environmental Informatics以及Environmental Toxicology and Chemistry等多个SCI刊物副主编。主持国家创新研究群体、国家重点研发项目、国家“973”课题和国家自然科学基金重点项目等40余项。在Science, Nature Geoscience, Nature Sustainability, Nature Communications, PNAS, Global Change Biology, Environmental Science &Technology, Water Research, Geophysical Research Letters, Journal of Hydrology等期刊发表SCI论文220余篇，从2017年起连续多年入选Elsevier中国高被引学者榜单。成果获国家自然科学二等奖(排名第1)，国家科技进步二等奖，以及5项省部级一等奖等奖项；同时获 “中国青年科技奖”等奖项。

河流是连接陆地上湖泊、水库和湿地的重要纽带，也是将物质由陆地生态系统输往海洋生态系统的重要通道。陆源碳氮等生源要素在经由河流向湖泊、水库、湿地和海洋输送的过程中，在河道内会发生系列转化反应，进而使河流成为全球生源要素循环的重要组成部分和全球温室气体产生的重要场所。世界上大部分河流发源于高海拔山区；随着海拔升高，自然地质地貌、气候气象要素以及人为活动和社会经济水平等都会发生显著变化，这将影响陆地碳氮等生源要素的入河通量以及微生物的种类和丰度，进一步影响碳氮等生源要素的形态及其在河道内的迁移转化和温室气体的产生与排放。

高海拔河流的碳氮循环和温室气体排放特征

众所周知，随着大气中温室气体浓度的增加，高纬度地区的升温速率会明显增大。类似地，变暖也会随着海拔的升高而明显递增（Pepin et al. ，2015），致使冰冻圈内冰盖、冰川、冻土和积雪的急剧消融（Biskaborn et al. ，2019；Zemp et al. ，2019），引起海平面上升、降水模式改变以及江河的时序与水量变更等一系列负面连锁效应（Lewkowicz and Way，2019；Lutz et al. ，2014；Milner et al. ，2017；Swart et al. ，2018；Veh et al. ，2020）。而且，冰冻圈解冻后，冰封的古碳（aged carbon）得以暴露在温暖的环境中（Koven et al. ，2015），古碳相较于新碳（young carbon）具有更高的生物可利用性（Mann et al. ，2015；Spencer et al. ，2014），使其由碳汇转化为碳源，并通过水文联系向周围的淡水水体输出大量古碳，从而加剧周边受纳水体的温室气体释放。最新的研究表明北半球的冻土持续融化将使10 ~30Pg C 和0. 4 ~1. 1Pg N 从泥炭土中流失至水体中，并以温室气体的形式释放到大气中（Hugelius et al. ，2020）。同时，已有研究证实长期的气候变暖非但没有增加淡水水体扣留CO₂ 的能力，反而促进了其释放CH₄ 的能力，进一步加速气候变暖（Yvon-Durocher et al. ，2017）。由此可见，内陆水系的碳氮循环和温室气体的排放与气候变暖存在直接的互馈关系。

青藏高原有“世界屋脊” 和“第三极” 之称，孕育了黄河、长江、澜沧江等亚洲重要河流，被称为“亚洲水塔”，亦是中国乃至亚洲重要的生态安全屏障。然而，相较于南北两极及其他冰冻圈，有关青藏高原江河碳氮循环和温室气体排放的研究相当薄弱，极大地限制了对高山冰冻圈江河碳氮循环和温室气体排放动力学的认知。青藏高原除具有气压低、年平均气温低且昼夜温差大、太阳和紫外辐射强烈等气候特征外，还具有独特的水文和地形地貌等特征，这些特征将显著影响青藏高原江河的碳氮循环和温室气体排放。因此，探明青藏高原江河碳氮循环规律和量化温室气体排放量，并识别其关键影响因素具有重大的研究价值，不仅是揭示全球碳氮生物地球化学循环的重要环节，也是完善内陆水系温室气体评估体系的客观需要，而且对减小气候系统模拟和预估的不确定性具有重要的科学意义。因此，研究高海拔地区河流中生源要素的迁移转化过程和温室气体的排放特征具有重要的理论和应用价值。

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《青藏高原江河碳氮循环和温室气体排放模式与机制》（夏星辉，张思波，李司令著. 北京：科学出版社，2024. 7）选择位于青藏高原的黄河源区、长江源区、澜沧江、雅鲁藏布江和怒江等为重点研究对象，将长期野外观测、室内实验模拟和模型模拟研究相结合，深入研究青藏高原的高海拔生境特征对江河碳氮循环过程和温室气体排放特征的影响。

本书主要包括以下几方面的内容：

1. 分析青藏高原典型江河主要水化学特征及化学风化过程，解析河流悬浮物和沉积物有机质的来源以及河流硝酸盐的来源；

2. 研究青藏高原河流上覆水体中好氧氨氧化微生物的分布特征，解析河流上覆水体中氮去除微生物的分布及脱氮反应速率特征；

3. 探究河流沉积物中好氧氨氧化微生物对高海拔条件的适应性以及河流沉积物脱氮速率与氮循环微生物的关系；

4. 研究青藏高原江河氮循环产物温室气体一氧化二氮的排放模式与机制，综合剖析河道外和河道内环境条件的影响；

5. 研究青藏高原江河碳循环产物甲烷的排放模式，剖析其物理化学和微生物驱动机制，分析青藏高原江河甲烷排放对全球温室气体排放的贡献。

∗ P<0. 05；∗∗ P<0. 01；∗∗∗ P<0. 001

▲ 青藏高原东部江河CH₄ 冒泡通量的驱动因子

一旦CH₄ 输入河道内，或在河道里产生，有利的气压和河道地形地貌条件将会促使江河中的CH₄ 气泡剧烈排放。一般认为气压的小幅下降可以增加冒泡通量（Mattson and Likens，1990；Natchimuthu et al. ，2016），这是因为低气压降低了气体在水中的溶解度，同时扩张了气体的体积，从而促进了CH₄ 气泡在水中的形成和释放。青藏高原东部江河的CH₄ 冒泡通量与海拔显著正相关（P<0. 001），与气压显著负相关，说明气压降低有利于冒泡作用。除了采样点之间的差异外，整个研究区的气压始终很低，平均为67. 2kPa，约为海平面的2/3。因此，整个青藏高原的低气压会加速CH₄ 通过冒泡途径释放到大气

▲ 气候变暖背景下河流N 和/ 或N₂O 潜在转变过程和通路的概念模型。未来气候变暖和永久冻土融化，加上人类干扰的增强，将增加陆地系统对周围河流网络的N 输入；气候变暖还会提高水温（橙色），通过反硝化作用促进N₂O 的生成，同时抑制N₂O 还原为N₂ ，最终导致N₂O 排放通量升高

感谢国家自然科学基金委员会重点基金和科技部重点研发计划项目的资助。本书可作为环境科学、地球科学、生态学、土壤学、全球变化等相关专业的科技工作者的专业参考书，也可作为高等院校相关专业的教学参考书。

本文摘编自《青藏高原江河碳氮循环和温室气体排放模式与机制》（夏星辉，张思波，李司令著. 北京：科学出版社，2024. 7）一书“前言”“第一章 绪论”，有删减修改，标题为编者所加。

审图号：GS 京（2024）1304 号

ISBN 978-7-03-079123-8

责任编辑：李晓娟

（本文编辑：刘四旦）

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