台湾小型山区河流中溶解无机碳输出的测定及其控制因素

《Journal of Hydrology》：Determination of dissolved inorganic carbon export and the controlling factors in small mountainous Rivers, Taiwan

台湾43条河流的溶解无机碳（DIC）浓度平均17.28 mg-C/L，HCO3^-占比超90%，DIC产量27.65吨-C/km2/年（全球均值的10倍）。农业用地比例增加和SSA（砂岩/页岩/页岩夹层）覆盖减少显著提升DIC浓度与产量，地形坡度和气候通过物理侵蚀与碳酸盐溶解共同影响。该研究揭示亚热带山地河流 DIC输出的独特驱动机制。

　　台湾的河流系统在地球碳循环中扮演着重要角色，其溶解无机碳（DIC）的输出对全球河流碳预算具有显著影响。本研究聚焦于台湾43条主要河流，分析其DIC的浓度、组成及输出量，并探讨这些特征如何受到地理、气候和土地利用等因素的调控。通过系统的数据收集和分析，研究揭示了DIC在台湾河流中的主要来源及其空间分布规律，为理解亚热带山地河流在碳循环中的作用提供了新的视角。

台湾位于东亚岛弧带，地形以陡峭的山地为主，受台风活动影响频繁，同时伴随着显著的地震活动和快速的构造抬升。这种地质环境导致了台湾独特的地形特征，从海平面到近4000米的高程变化仅在70公里的范围内。由于这种复杂的地形和气候条件，台湾的河流系统具有极高的侵蚀能力，被认为是研究DIC输出的重要区域。过去的研究表明，全球范围内河流输出的DIC约占总溶解碳（包括DIC和DOC）的60%，而亚热带山地河流的DOC浓度普遍低于全球平均水平，因此，其DIC输出模式可能与温带或大型河流存在明显差异。

本研究通过每月采样方式，对台湾43条河流的DIC浓度进行测量，并利用THINCARB方法对DIC的组成和浓度进行估算。进一步地，对每条河流的浓度-流量（C–Q）关系进行分析，以确定其截距（a）和斜率（b）的特征。浓度-流量关系是理解流域功能、识别溶质传输路径以及评估水文和生物地球化学过程的重要工具。通常，截距a代表溶质的来源，而斜率b则反映了传输行为。根据斜率b的不同，溶质传输可以分为三种类型：当b大于0.2时，表示“富集行为”或“迁移行为”，即溶质随着流量增加而浓度升高；当b小于-0.2时，表示“稀释行为”，即溶质浓度随流量增加而下降；当b在-0.2至0.2之间时，则表示“化学静态行为”，即溶质浓度在流量变化范围内保持相对稳定。这些行为的分类有助于揭示不同地理和气候条件下溶质的来源与传输机制。

研究发现，台湾河流的平均DIC浓度约为17.28毫克碳/升，其中碳酸氢根离子（HCO??）占DIC总量的90%以上。这一结果表明，台湾河流中的DIC主要以碳酸氢盐的形式存在，这与台湾地区的岩石风化和土壤呼吸过程密切相关。此外，台湾河流的平均DIC输出量为27.65吨碳/平方公里/年，远高于全球平均的2.58吨碳/平方公里/年。这一差异可能源于台湾独特的地质构造和较高的农业活动水平，因为农业活动会增加土壤呼吸产生的DIC，而岩石风化则提供大量碳酸盐矿物作为DIC的来源。

进一步的逐步回归分析表明，农业用地比例与DIC浓度和输出量呈正相关，而砂岩、页岩和泥岩（SSA）的覆盖率则与DIC浓度和输出量呈负相关。这说明，农业活动和岩石类型在控制DIC输出中具有重要作用。农业用地的增加可能通过提高土壤呼吸速率，促进DIC的生成和释放；而SSA的覆盖率较高可能抑制碳酸盐矿物的风化，从而减少DIC的来源。此外，浓度-流量关系的分析表明，截距a与农业用地使用呈正相关，而与SSA的覆盖率呈负相关，这进一步强调了农业活动对DIC来源的贡献。同时，斜率b随着流域坡度的增加而上升，这表明地形因素在控制DIC传输中起着关键作用。陡峭的地形可能促进物理侵蚀，从而增加碳酸盐矿物的溶解，提高DIC的输出量。

研究还指出，台湾的DIC输出模式受到多种因素的共同影响，包括气候、水文和地质条件。温暖湿润的气候有利于碳酸盐矿物的溶解，而高海拔和陡峭地形则增强了物理侵蚀作用，促进了DIC的生成和传输。此外，台湾的农业活动密集，这可能导致土壤呼吸增强，从而增加DIC的来源。这些因素共同作用，使得台湾的DIC输出量显著高于全球平均水平。

本研究不仅量化了DIC的输出量，还探讨了DIC在河流系统中的动态变化及其与其他碳类物质（如DOC）的相互作用。通过结合已有的DOC数据，研究进一步分析了DIC/DOC比值，这有助于理解不同碳类物质在河流系统中的行为差异。此外，研究还强调了在亚热带山地河流中，DIC的来源和传输机制可能与温带或大型河流存在显著差异，这为全球碳循环研究提供了重要的参考。

在研究方法上，本研究采用了系统的采样方案和先进的分析技术，以确保数据的准确性和可靠性。通过收集和分析43条河流的DIC数据，研究不仅揭示了DIC的浓度和输出量，还探讨了其在不同地理和气候条件下的空间分布规律。这些结果为理解DIC在亚热带山地河流中的作用提供了新的证据，并有助于评估这些河流在碳循环中的贡献。

此外，研究还讨论了DIC输出的不确定性问题。由于DIC浓度的测量通常较为稀疏，而流量数据较为连续，因此在估算DIC输出量时可能会引入一定的误差。这种误差可能源于自然因素，如浓度与流量之间的变化关系，也可能受到方法学选择的影响，如采样频率和估算技术。因此，在分析DIC输出时，需要充分考虑这些不确定性因素，并采取适当的校正措施，以提高研究结果的准确性。

总体而言，本研究为理解亚热带山地河流中的DIC输出提供了重要的科学依据。通过揭示DIC的来源、传输机制及其与地理和气候因素的关系，研究不仅加深了对DIC在河流系统中作用的认识，还为全球碳循环研究提供了新的视角。此外，研究还强调了在不同地理和气候条件下，DIC的输出模式可能具有显著差异，这为未来的研究提供了重要的方向。