The Innovation Geoscience | 森林溪流每年输出的可溶性有机碳约占全球森林碳汇总量的十分之一

森林流域在全球碳循环中兼具碳汇与碳输出功能，不仅可以通过植被固碳，还能通过溪流将溶解有机碳（DOC）向下游输送，参与更广范围的碳迁移过程。然而，相较于陆地碳吸收，溪流碳输出长期被忽视，相关研究相对不足，尤其缺乏对其空间格局和驱动机制的系统认识。本研究旨在量化全球森林溪流的DOC输出特征，提升对森林碳动态的整体理解。

导 读

在全球碳循环中，森林被视为重要碳汇，部分DOC经由溪流向下游输出。作为连接陆地与水体碳循环的关键通量，这部分DOC被微生物分解为CO2或沉积转移至更广泛水体，深度影响区域乃至全球碳的分布。长期以来，传统碳循环评估主要关注森林与大气之间的垂直通量，忽视了由水文过程驱动的侧向碳迁移，可能导致碳收支评估存在偏差。本研究整合全球3000余条森林溪流的DOC观测数据，结合机器学习方法，预测了DOC浓度与年输出通量，并识别其主要环境驱动因子，为更全面评估森林碳收支和水陆碳连接过程提供了关键支撑。

图1 图文摘要

研究背景

全球碳预算的准确建模对理解碳循环、应对气候变化和实施《巴黎协定》等政策具有重要意义。溪流中的碳通量反映了陆地碳在水体网络中迁移与积累的复杂过程，是流域与大气之间碳交换与积累不平衡的体现。DOC是这一过程的重要组分，既可能通过微生物分解释放CO2来影响气候，也可能结合矿物质沉降至深海，从而参与长期碳储存。因此，DOC在维持森林生态系统碳源与碳汇动态平衡及全球碳循环中扮演关键角色。然而，目前全球碳预算中对陆地向内陆水体碳迁移的考虑仍存在缺失，可能导致对陆地净生态系统生产力估算的系统性低估，亟需开展该类碳输出的定量评估。

森林生态系统在全球陆地植被碳储量中占比超过80%，是碳封存的重要主体。尽管已有多个区域和全球尺度的碳预算模型，但多数模型难以准确表征内陆水体中的碳通量，且存在重复计入的潜在风险。同时，经验模型常忽略森林溪流的DOC输出的过程，可能高估碳汇水平。在森林流域中，DOC主要来自土壤和凋落物的外源有机碳，这一过程受气候变化、水文路径、土壤碳氮比、地下水位、坡度及初级生产力等多因子共同调控。例如，加拿大多个森林流域研究显示，土壤碳氮比、地下水位和坡度等可显著预测DOC输出变化。这些证据表明，DOC迁移是受气候、土壤、水文和地形互作调控的区域性过程。

为评估森林流域中DOC向水体的输出过程并加深对全球碳循环的理解，本研究整合了174篇文献中3,413条森林溪流DOC观测数据，旨在：（1）基于随机森林模型预测全球DOC浓度分布；（2）结合HydroSHEDS流量数据估算年输出量及其主要控制因子；（3）量化DOC产量占森林总初级生产量（GPP）的比例，揭示碳向水体迁移的规模与机制，为完善全球碳预算模型提供依据。

实验结果

森林溪流DOC通量全球分布

全球森林溪流DOC输出量差异显著，年输出范围为≤10至>10,000吨C，总估算为0.20 Pg C yr⁻¹（0.5°×0.5°分辨率，图2）。其中，森林溪流DOC输出占全球内陆水体向海洋输送有机碳总量的21%，约占全球森林碳汇的10%，可缓解全球碳预算失衡的50%。其中，热带和寒带森林溪流贡献了超过45%DOC通量。

图2 全球森林溪流溶解有机碳（DOC）通量空间分布图（0.5×0.5°分辨率）

森林溪流DOC通量驱动因素

全球森林溪流中DOC输出的变异解释度高达94%，其中流域面积（66.2%）和地表径流（13.7%）是最主要的驱动因素，共同构成水文因子的核心贡献（总计84.6%）。相比之下，气候（11.2%）、地形（2.2%）、土壤（1.4%）和植被（0.6%）对DOC通量的影响相对较小。上述结果表明水文因素在调控全球尺度上DOC输出中占据主导地位（图3）。

图3 森林溪流全球溶解有机碳（DOC）输出驱动因素的相对重要性

DOC与GPP比值

全球森林溪流DOC与GPP的比值在全球范围内变化较大，范围为≤0.01%至1.63%（图4）。其中，热带森林溪流因其具有较高的初级生产力和较大的汇水面积，表现出较高的DOC输出强度；而高纬度森林溪流则是因为GPP较低、土壤碳储量丰富，也呈现出较高的DOC/GPP比值。这表明，在不同气候区域，DOC向水体的输出受到不同机制的控制，反映了陆地碳向水文系统转移过程中的空间异质性。

图4 全球森林溪流DOC与GPP比值的空间分布图（0.5×0.5°分辨率）

总结与展望

本研究系统评估了全球森林溪流中DOC的年输出通量，估算年输出约为0.20 Pg C，占全球森林碳汇约10%。流域面积和地表径流，是控制DOC输出的主要驱动因素。热带和寒带森林溪流贡献了超过45%的DOC通量，并具有较高的DOC/GPP比值，表明碳向水体的转移机制在不同气候区存在显著差异。

本研究系统揭示了森林溪流DOC输出的全球模式与机制，阐明了森林溪流在陆地碳输出过程中的生态功能，强调了水文因素在DOC输出调控中的主导作用。未来研究应加强DOC输出的高时空分辨率监测，拓展在热带和高纬地区的观测覆盖，并将森林溪流DOC输出过程纳入碳循环模型，以提升全球碳预算评估的完整性，深化对生态系统气候响应机制的理解。

责任编辑

李楚娴    瑞典农业大学

张   珣    北京工商大学