全 文 ：河流有机碳的输出通量及性质研究进展 3
高全洲 3 3 　陶　贞
(中山大学地理学系 ,广州 510275)
【摘要】　综述河流有机碳输出过程的最新研究进展. 指出受人类经济活动的干预 ,对气候变化响应最敏感
的陆地有机碳库的侵蚀通量发生了复杂变化 ;河流有机碳不但记录了流域侵蚀的历史和现状 ,还对近海沉
积过程和水域生态环境产生重要影响 ;河流有机碳在通量和性质等方面存在着明显的地区性及流域间差
异 ,且以季风流域与非季风流域之间的对比最为明显 ;随着水文动力过程的变化 ,同一流域河流有机碳的
性质也发生显著变化 ;河流有机碳在自陆地生态系统向海洋输送的过程中 ,放射性同位素组成可因水体微
生物的代谢改造而发生变化 ,使得河流有机碳的14C 年龄偏老.
关键词 　河流有机碳 　陆地生态系统 　全球碳循环 　流域侵蚀 　14C 　人类活动
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 06 - 1000 - 03 　中图分类号 　X131 　文献标识码 　A
Advances in studies on transported flux and properties of riverine organic carbon. GAO Quanzhou , TAO Zhen
( Depart ment of Geography , Zhongshan U niversity , Guangz hou 510275 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,
2003 ,14 (6) :1000～1002.
Some lately advances in the study of riverine organic carbon were summarized in this paper. The transported flux
of organic carbon from terrestrial ecosystems to the oceans via rivers , which is one of the most sensitive land sur2
face processes in global climate change , has been changed in quantity due to the anthropogenic disturbance to it .
The properties of riverine organic carbon , even in the same drainage , changed notably with the changes of hy2
drological processes in the drainage. Riverine organic carbon may become aged since they have been metabolized
by the riverine microbes in the processes of being transported to the seas from the land , i. e. , the radiocarbon in
the riverine organic carbon was partially degraded by the microbes.
Key words 　Riverine organic carbon , Terrestrial ecosystem , Global carbon cycle , Drainage erosion , Radiocar2
bon , Anthropogenic activities.
3 国家自然科学基金项目 (49901002) 和广东省自然科学基金资助
项目 (984131) .3 3 通讯联系人.
2001 - 03 - 06 收稿 ,2001 - 04 - 27 接受.
1 　引 　　言
碳元素在大气、海洋与陆地生物圈之间的循环与全球气
候变化之间的密切联系已被越来越深入的冰芯研究成果所
证实[6 ,12 ,21 ,26 ] . 然而 ,对全球碳循环过程的极为有限的了解
致使学术界目前还无法平衡地球上碳的收支状况 ,每年约有
(1. 8 ±1. 4) Gt ( G = 109)的碳在预算清单上无明确归属 ,成为
困扰学术界的所谓“未知汇”( missing sink) 问题[24 ] . 已有的
研究结果表明 ,“未知汇”极有可能大部分归诸北半球中2高
纬度带森林在升高了的大气 CO2 浓度强迫下的再生长 ( re2
growth)过程 ,并最终固定在陆地生态系统及其因流域侵蚀
而向河口和近海水域输出的沉积物中 [1 ,13 ,25 ] .
河流有机碳的输出通量在全球碳循环中只占很小份额.
但它却记录了流域地表发生的许多自然过程 ,如地貌过程、
生态过程和水文过程等. 更为重要的是人类活动 (如毁坏森
林草原、大规模机械耕作、采矿、灌溉、修筑大坝、跨流域调水
以及城市化等)对流域地表自然过程的影响也反映在河流输
出的有机碳的性质上. 在全球许多地区 ,随着人类经济活动
对流域地表干扰程度的加剧 ,河流输送的有机碳在数量和性
质等方面已经发生并且仍在发生着显著的变化.
2 　河流有机碳输出及其环境效应
211 　对河口和近海水域生态系统的影响
全球陆地生态系统每年通过河流向海洋排放约 0 . 45 Gt
的有机碳[17 ] . 大致相当于全球陆地生态系统净初级生产量
的 1 %～2 %. 而我国河流每年向海洋输运的有机碳总量约
为 0. 07 Gt ,占我国植被净初级生产量的 3 %左右 [5 ] . 虽然在
数量上这种陆地向海洋间的碳通量远不及全球碳循环系统
中的其他环节 ,但这种陆2海间的碳通量却是单向的. 它与
“大气2海洋”间的净碳通量、当前人类每年使用化石燃料的
碳排放通量以及森林火灾形成的碳通量等处于一个数量级
上[8 ] .河流有机碳输送通量对流域地表覆盖性质和动力过程
的变化具有敏感的响应.
近百年来 ,全球许多地区的植被遭到严重破坏. 地表覆
盖性质退化后的流域生态系统的有机碳输出通量迅速提高 ,
使得近海水域陆源有机碳的沉积埋藏速率随之增加. 许多大
河三角洲和近岸带已成为重要的碳埋藏区 (汇) [25 ] . 尽管如
应 用 生 态 学 报 　2003 年 6 月 　第 14 卷 　第 6 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J un. 2003 ,14 (6)∶1000～1002
此 ,人们对陆地有机碳的搬运过程及其后期变化了解得仍极
为有限 ,以致生物地球化学家们在海水和海洋沉积物中找不
到足够的陆源有机碳踪迹来平衡每年的巨大入海通量 [11 ] .
从“陆地生态系统 —河流 —河口 —近海 —远洋”这条陆2
海间的物质传输途径看 ,流域生态系统侵蚀输出的有机碳在
抵达海洋之前 ,河口区是其必由之路. 陆地来源的有机碳作
为重要营养元素和污染物质 ,首先对河口区的生态环境产生
重要影响. 由于当今耗资源2高污染型经济的膨胀 ,河流在很
大程度上已演变为人类巨大经济系统的排污通道. 河口区水
域生态系统的退化已成为除极地河流之外的全球性的普遍
现象[4 ] . 若不加控制 ,则势必对未来的经济发展产生不良影
响.尤其是人类在面向海洋求取资源的今天 ,河口和近海水域
污染的监测、控制和治理已上升为当务之急. 而陆地侵蚀来源
的有机物与其他来源的向河口、近岸带水域排放的有机物相
比 ,数量巨大 ,种类繁多.对其通量和性质的研究意义重大.
212 　河流有机碳记录流域环境的演变
　　河流是流域生态系统的物质输出端 ,也是流域环境性质
的记录者. 从量的角度衡量 ,碳循环 (与水循环一起) 在近地
表一切生命物质的地球化学循环中居统帅地位 ,这从干生物
量中主要元素的原子数比值 (C148 H296 O148 N16 P1. 8 S) 即可看
出一斑. 河流所搬运的以有机碳为主要成分的有机质 (如在
土壤有机质中 ,碳的质量分数达 58 %左右) . 其生物地球化
学性质携带着不同时间和空间尺度上流域侵蚀过程的信号 ,
可以提供能够反映全流域范围内自然过程和人类活动的详
细记录[9 ,23 ] . 流域自然环境的各种时间尺度的波动都会反馈
给流域侵蚀过程并在其输出的河流有机质的性质及其通量
上得到反映. 但河口区复杂的水动力过程和生物地球化学过
程却时刻在对陆地侵蚀信号进行着“调制”,使得陆地生态系
统的侵蚀信号在河口和近海区变得模糊 ,甚至歪曲. 因此 ,要
从近海 (还有湖泊)陆源沉积的柱状剖面中了解古气候、古环
境的变迁历史[3 ] ,必须加强对河流搬运的有机质 (碳)在通量
和性质 ,及其在河口区的迁移转化行为方面的研究.
3 　河流有机碳在通量和性质上的时空差别
311 　区域差异
　　陆地生态系统侵蚀的速率、方式以及侵蚀产物的通量、
性质等受制于包括地貌特征和地表覆盖性质等在内的地表
条件和诸如降水强度、降水变率和径流形成特点等的侵蚀动
力因素. 人类活动可通过对上述两方面的影响间接作用于陆
地生态系统的侵蚀过程 [2 ,16 ] . 因此 ,处在不同大地构造单元、
不同气候格局和不同农业发展历史的流域系统 ,地表侵蚀过
程和有机质的输出特征各异. 这种差异性最突出地体现在亚
洲季风流域与其他非季风流域之间. 在气候上 ,亚洲季风流
域水热同季 ,使得侵蚀动力 (主要是地表径流量)与生物量的
增长在时间上也表现为同步 ,且季节之间相差悬殊. 而较大
的地势高差和活跃的构造运动 ,加上悠久的耕作农业历史和
较大的人口压力 ,均决定了亚洲季风流域在地表侵蚀和有机
质的河流输出过程方面 ,与气候变化和地势起伏都较和缓的
欧美非季风流域不同. 例如 ,东亚、南亚和东南亚是全球地表
机械侵蚀最强烈的地区 ,估计全球约 70 %的河流悬移质是
经由这些地区的河口输向海洋的 [19 ] . 以非季风流域的研究
结论为依据建立的理论模型在季风流域是不完全通用的 [8 ] .
　　处在亚热带季风气候区的珠江流域 ,其河流有机碳的输
出以颗粒态为主. 如在西江流域 (珠江流域的主体) ,颗粒有
机碳的侵蚀通量达到 8. 30 ×106 gC·km - 2·yr - 1 ,而溶解有机
碳的侵蚀通量仅为 1. 88 ×106 gC·km - 2·yr - 1 [7 ] . 这与其他非
季风流域河流有机碳组成以溶解态为主的特征显著不同 ,而
与亚洲其他季风流域的情况较为接近 (表 1) [7 ] .
表 1 　不同气候类型的流域间有机碳侵蚀通量的对比
Table 1 Comparison of the riverine organic carbon fluxes bet ween
drainage basins( ×106 g C·km - 2·yr - 1)
气候类型
Climate
流域名称
Drainage
basin
面 　积
Area
( ×103 km2)
溶解
有机碳
DOC
颗 　粒
有机碳
POC
DOC
/ POC
　
非季风区 亚马逊河 Amazon 5 930 4. 46 2. 83 1. 65
Non2mon2 扎伊尔河 Zaire 3 704 2. 47 0. 68 3. 63
soon area 巴拉那河 Parana 2 860 1. 43 0. 28 5. 10
马更些河 Mackenzie 1 615 0. 84 0. 86 0. 98
季风区 长江 Yangtze river 1 817 5. 69 6. 14 0. 89
Monsoon 恒河 Ganges 1 648 2. 22 5. 22 0. 43
area 黄河 Yellow river 823 0. 48 14. 68 0. 03
西江 Xijiang river 353 1. 88 8. 30 0. 23
全球外流域平均 106 000 2. 04 1. 65 1. 24
Average of the exorheic basins on the earth
312 　季节性及随水文动力过程的变化
　　大气降水及随之形成的地表径流是流域侵蚀的主要动
力.对于不同性质的天气过程 ,这种侵蚀动力的性质存在较
大差别 ,从而使得流域侵蚀输出的有机质在性质和总量方面
也存在显著的短时间尺度变化. 东亚季风区大气降水过程的
突出特点是变率高、强度大 ,因此上述现象可能更加明显.
　　对流域侵蚀物质的平衡预算需要建立在短至一次洪水
过程、长至百万年的不同时间尺度上. 流域有机质输出通量
的季节变化和随水文动力过程的变化是明显的. 如在北美的
一些不同尺度的流域单元 ,一年之中过半的悬移质是在一次
或有限几次洪峰过境事件中发生输运的 ,往往集中在 5～10
d 之中即完成此过程 [18 ] . 再如研究程度较深的法国 Garonne
流域 ,50 %的悬移质是在大约两周多的时间中被侵蚀输运
的 ,而其中的一半悬移质 (25 %)集中在一天之中输运 [10 ] . 季
风区的山地小流域这种特征更为明显 ,如在我国台湾省的兰
阳溪流域 ,一次仅占全年流量 7. 5 %的由台风雨形成的径
流 ,所携带的悬移质和颗粒有机碳 ( POC) 却分别占了全年输
运量的 58 %和 50 %[15 ] . 存在季节性封冻期的温带河流 ,有
机碳输出通量的季节性变化也较为明显 ,因为河流封冻期间
有机碳主要来源于底泥物质的释放 [27 ] .
　　河流输出的有机质不但在通量方面存在着明显的时序
变化 ,而且 ,在物质成分方面也存在着明显的时序差异. 碳水
化合物和氨基酸被认为是河流悬移质中的不稳定或活性有
机质成份 ,易于在水体中氧化分解 ,含量的高低可以反映有
机质所经历的生物降解程度 [28 ] . 黄河口区的研究结果表明 ,
枯水期和汛期之间河流输运的颗粒物中碳水化合物和氨基
10016 期 　　　　　　　　　　　　　高全洲等 :河流有机碳的输出通量及性质研究进展 　　　　　　　　
酸的含量就相差两倍多 ,而且不同季节间颗粒物中碳水化合
物和氨基酸的来源也不完全一样 (来自流域侵蚀的和来自水
体自生的) ;不但是颗粒有机物 ,不同季节之间河流水体中的
溶解有机成分也存在上述差别 [29 ] . 恒河2普拉马普特拉河流
域汛期搬运的有机质均已高度降解 ,在河流中表现出较为稳
定的化学性质 ,而枯水期则不然 [14 ] . 河流搬运有机物通量和
性质的时序变化还明显表现在短时间尺度的每一次水文过
程之中. 例如对于一次洪水过程而言 ,涨水过程和落水过程
径流搬运的有机质在总量和成分方面就存在显著差异 [20 ] .
4 　河流有机碳的同位素组成特征
　　在强烈侵蚀的流域 ,绝大部分河流有机碳来自陆地生物
量的侵蚀 ,流域植被类型决定了河流中有机碳的稳定同位素
组成 (δ13C) [28 ] . 而在一些河流悬浮物含量少、流速缓慢的大
河下游和河口区 ,水体中自源有机碳的贡献量增加 ,水生低
等植物和陆生高等植物不同的稳定同位素组成共同影响河
流碳的稳定同位素组成.
　　在同一流域、同一水文过程侵蚀形成的河流有机碳 ,也
因在水体中的存在状态的差异而表现出不同的放射性碳同
位素组成 ( △14 C) . 如 Raymond 等[22 ]对南、北美洲排入大西
洋的 4 条大河中的有机碳进行了14 C 研究 ,发现河流搬运的
颗粒有机碳的14C 含量较溶解有机碳低. 亚马逊河携带的颗
粒有机碳的14C 年龄较溶解有机碳老 1 260 年.
　　陆地生态系统中的有机碳从来自植物体的现代碳到来
自岩石的地质碳 ,同位素尤其是放射性同位素组成存在着差
别. 就14 C 而言 ,现代碳和地质碳可视为两个端元. 地表性质
受人类活动扰动的程度不同 ,在流域侵蚀输出的有机碳中 ,
此两端元物质混合的比例就存在差别. 从而使河流有机碳表
现为不同的14C年龄.如上述的台湾兰阳溪流域 ,14C研究结果
表明 ,受人类严重干扰的 (修筑公路)干流河段 ,河流中颗粒有
机碳有 70 %以上来源于对基岩中地质碳的侵蚀 ,而支流输送
的颗粒有机碳则更多来源于对现代生物量的侵蚀 [15 ] .
　　河流有机质中活性成分在输送过程中容易被水体中的
微生物代谢利用 ,尤其是溶解态的活性成分. 经微生物代谢
利用过的河流有机质 ,14C 年龄偏老 ,而且代谢消耗的部分越
多 ,剩下部分的14C 年龄越偏老 ,即使来自生态系统的新鲜有
机质 ,在河流中被微生物改造后也将发生老化 [22 ] .
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作者简介 　高全洲 ,男 ,1965 年生 ,博士 ,副教授 ,主要从事
环境地球化学和地貌学研究 ,发表论文 40 多篇. Tel : 0202
84034960 ,E2mail :eesgqz @zsu. edu. cn
2001 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷