科学家提出区域C-N-H2O耦合循环过程及其驱动机制

来源：中国科学地球科学

区域C-N-H2O耦合循环是陆地和水生生态系统通过水文通量的物理化学过程和生物地球化学过程进行的强耦合，是密切联系、相互耦合的生物地球化学过程。

点位-坡面尺度的C、N、H2O循环主要聚焦在土壤-植被-大气的C、N、H2O交换通量及其生物物理-化学过程，以及坡面C、N水文(地表径流、壤中流和渗漏流)及其形态转化过程。流域尺度的C、N、H2O循环是区域C-N-H2O耦合循环研究的基本单元和子系统，其关注陆地-水体的C、N物质交换及其生物地球化学过程、以及C、N在河流-流域输移过程的动力学机制。区域C-N-H2O耦合循环是由若干流域子系统组成的物质和能量的流动，通过水、气体和气溶胶通量进行物理连接，强调区域尺度元素间的相互作用(图1)。 

图1  区域C-N-H2O耦合循环过程机理与评估

区域C-N-H2O耦合循环包括迁移转化过程、生物地球化学过程、陆地-大气界面和陆地-淡水界面的C、N交互作用(图2)。

碳的迁移转化过程包括从上游输送各形态的碳至下游，以及输送过程中的颗粒态、溶解态和气态之间相互转化。流域N流失包括土壤侵蚀过程、降雨径流过程、地表溶质溶出过程和溶质入渗过程。C、N生物地球化学过程则包括植物生物量的临时储存(藻类生长、死亡、沉积和分解)、泥沙和水体C、N和P的交换、有机化合物的矿化、矿物颗粒P的吸附/解吸和反硝化过程，这些过程都会导致湖泊和水库中的泥沙、碳和养分滞留 (图2)。

陆地-大气界面的C、N交互作用：区域C、N沉降的变化对流域、河流到河口和海洋环境的C、N排放和输出产生影响。N沉降对陆地C源汇的影响也呈现不同结果。

陆地-淡水界面C、N交换的相互作用：元素从陆地输入至淡水生态系统中在耦合循环共同作用下对陆地和淡水产生影响。河网入海的养分循环加大了营养元素在陆-水界面上的反应性、损失过程和通量之间的差异，并对陆-水界面C循环和输移产生了影响 (图2)。

图2 区域C-N-H2O循环的物理化学和生物地球化学耦合过程

气候变化如CO2增加、N的输入，通过驱动养分循环、初级生产力、微生物活动和非生物过程影响区域C-N-H2O耦合循环。

随着温室气体CO2浓度的升高，人为大气N排放导致的活性氮沉降使流域系统生产力变化并产生环境效应(水体酸化，富营养化，水质污染等)，提高水体CO2吸收和N2O排放，影响陆-水交界处的N循环，加速水生生态系统中的C、N耦合循环(图3)。

图3  N沉降对流域C、N耦合循环影响机制

未来，区域生态系统C-N-H2O耦合循环研究将更加强调人地系统关系为研究核心，“天地空一体化”相结合为研究手段，也需要加强大气N沉降对区域C-N-H2O耦合循环过程的影响研究。

出版信息

中文出版信息：

高扬, 于贵瑞. 2020. 区域C-N-H2O耦合循环过程及其驱动机制. 中国科学: 地球科学, 50(9): 1195–1205

英文出版信息：

Gao Y, Yu G. 2020. Regional coupled C-N-H2O cycle processes and associated driving mechanisms. Science China Earth Sciences, 63(9): 1227–1236