文章信息：Tom J. Battin, Ronny Lauerwald, Emily S. Bernhardt, Enrico Bertuzzo, Lluís Gómez Gener, Robert O. Hall Jr, Erin R. Hotchkiss, Taylor Maavara, Tamlin M. Pavelsky, Lishan Ran, Peter Raymond, Judith A. Rosentreter, Pierre Regnier. (2023). River ecosystem metabolism and carbon biogeochemistry in a changing world. Nature, 613(7941), 449–458. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05500-8

整理人：闫甲祺，2024级硕士研究生

整理时间：2025年1月30日

Abstract: River networks represent the largest biogeochemical nexus between the continents, ocean and atmosphere. Our current understanding of the role of rivers in the global carbon cycle remains limited, which makes it difficult to predict how global change may alter the timing and spatial distribution of riverine carbon sequestration and greenhouse gas emissions. Here we review the state of river ecosystem metabolism research and synthesize the current best available estimates of river ecosystem metabolism. We quantify the organic and inorganic carbon flux from land to global rivers and show that their net ecosystem production and carbon dioxide emissions shift the organic to inorganic carbon balance en route from land to the coastal ocean. Furthermore, we discuss how global change may affect river ecosystem metabolism and related carbon fluxes and identify research directions that can help to develop better predictions of the effects of global change on riverine ecosystem processes. We argue that a global river observing system will play a key role in understanding river networks and their future evolution in the context of the global carbon budget.

摘要：河网是大陆，海洋和大气之间最大的生物地球化学联系。我们目前对河流在全球碳循环中的作用的理解仍然有限，这使得很难预测全球变化如何改变河流碳固存和温室气体排放的时间和空间分布。在这里，我们回顾了河流生态系统代谢研究的状态，并综合了当前对河流生态系统代谢的最佳估计值。我们量化了从陆地到全球河流的有机和无机碳通量，并表明他们的净生态系统生产和二氧化碳排放量将有机碳的碳平衡转移到了无机碳平衡的途中，从陆上到沿海海洋。此外，我们讨论了全球变化如何影响河流生态系统代谢和相关碳通量，并确定可以帮助更好地预测全球变化对河流生态系统过程的影响的研究方向。我们认为，在全球碳预算的背景下，全球河流观察系统将在理解河流网络及其未来发展方面发挥关键作用。

1. 研究背景

2. 研究意义

3. 研究方法

• 生态系统代谢评估：采用质量平衡方法评估生态系统代谢对全球河流碳预算的贡献，包括从陆地到河流、大气和沿海海洋的碳通量。
• 环境驱动因素分析：通过长期时间序列数据，分析光、流量、土地利用和营养物质等环境因素对河流生态系统代谢的影响。
• 全球河流异养性评估：基于现有的河流生态系统代谢预算研究，总结了热带、温带和高纬度河流的年均代谢通量，并评估了河流在全球碳循环中的异养性。
• 河流网络代谢建模：结合最优通道网络与实测的初级生产力时间序列，预测理论河流网络的生产力格局，并探讨了如何将这些模型应用于整个河流网络的代谢预测。

4. 研究主要结论

• 河流生态系统代谢的重要性：河流生态系统代谢是控制碳和营养物质循环、食物网能量学和生物多样性的主要因素，直接影响生态系统健康。
• 全球变化对河流代谢的影响：全球变化通过改变气候、土地利用和水流调节等因素，显著影响河流生态系统代谢及相关碳通量。例如，气候变化通过改变河流的流量、温度和结冰情况，影响河流的自然流动和生态系统代谢。
• 全球河流异养性：基于现有研究，全球河流表现出显著的异养性，其净生态系统生产（NEP）为负值，表明河流是全球最异养的生态系统之一。河流通过呼吸作用将大量的有机碳转化为二氧化碳排放到大气中。
• 碳通量的定量分析：研究通过质量平衡方法量化了从陆地到河流的碳通量，包括有机碳和无机碳的传输，并评估了河流生态系统代谢对这些碳通量的影响。结果表明，河流在全球碳循环中扮演着重要角色，其碳通量与陆地和海洋生态系统紧密相连。
• 全球河流观测系统的需求：为了更好地理解河流在全球碳循环中的作用，研究强调了建立全球河流观测系统（RIOS）的重要性。该系统将整合多尺度的观测数据，包括传感器网络、实地调查和卫星遥感，以提高对河流生态系统代谢和碳通量的理解和预测能力。

5. 研究展望

• 数据和模型改进：未来的研究需要进一步改进河流生态系统代谢的观测数据和模型，特别是在数据匮乏的热带、高纬度和高海拔地区。这需要开发新一代的低成本温室气体传感器，并建立全球范围内的传感器网络。
• 多尺度观测和建模：需要整合多尺度的观测数据，包括地面传感器网络、卫星遥感和流域尺度的模型，以更好地理解和预测河流网络的碳循环。这将有助于填补当前对小河流和大河流观测的空白，并提高对河流网络动态变化的理解。
• 全球变化影响的深入研究：进一步研究全球变化对河流生态系统代谢和碳通量的影响，特别是在气候变化、土地利用变化和水流调节等方面。这将有助于更好地预测未来河流生态系统的变化，并为制定应对策略提供科学依据。
• 政策和管理应用：研究结果将为政策制定者提供科学依据，帮助他们制定更有效的水资源管理和生态系统保护策略，以应对全球变化对河流生态系统的影响。

6. 研究主要图表

01 河流生态系统代谢

02 碳通量从陆地到河网络到大气和沿海海洋

03 全球变化对河流生态系统代谢和二氧化碳和甲烷排放的复杂性

04 全球河流观察系统

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05500-8                          

原文转引：https://mp.weixin.qq.com/s/kqVwj_6Zog7rRvcEX6EDLw