地表流域有機碳地球化學研究進展
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來源：《生態學雜誌》2018 年 01 期
作者：周苗1，李思亮1*，丁虎2，覃蔡清1，岳甫均2
單位：1. 天津大學表層地球系統科學研究院；2. 中國科學院地球化學研究所，環境地球化學國家重點實驗室
地球關鍵帶的各個界面是有機碳發生劇烈分解轉化的場所，探討關鍵帶有機碳的動態變化、歸趨及其控制過程，是揭示地表流域中物質運輸和能量傳遞規律的重要基礎，對維持生態系統平衡具有重要意義。
本文介紹了國內外關於流域不同關鍵帶有機碳的研究方法、來源、儲量及其動態、周轉過程等地球化學特徵的研究進展，以及現有研究存在的問題。建議將典型關鍵帶作為一個整體來研究，綜合使用多種技術方法，將短期高頻次觀測和長期定位觀測研究相結合，在典型小流域開展多界面、多過程、多時間尺度的長期同步觀測和系統研究，揭示控制關鍵帶有機碳地球化學循環的關鍵因子及其作用機制。同時重視長時間尺度下有機碳循環對全球變化和人類活動的響應及反饋機制；分析不同人為活動下，大氣?植物?凋落物?土壤?河流之間的碳交換特徵及流域有機碳動態變化規律；定量區分環境變化和人類活動對關鍵帶有機碳地球化學行為的影響，為碳循環模型優化及氣候變化預測提供科學依據。
前 言
近地表區域岩石?土壤?生物?水?大氣相互作用帶被稱為地球關鍵帶，它決定著生命生長所需的物質和能量供應，是維繫人類社會可持續發展的關鍵因素。地表流域的各個界面是有機碳發生劇烈分解轉化的活躍場所，有機碳的來源、遷移和轉化等地球化學特徵是地表流域生物地球化學循環的重要研究內容。有機碳是維持生態系統正常運轉的關鍵物質，是異養型微生物重要的能量和營養來源，也是環境污染物的重要絡合劑或吸附劑。它在地表環境介質（大氣、土壤、岩石、水體和沉積物）中普遍存在，在生態系統的各種物理、化學和生物過程中都起著十分重要的作用。因此，探討闡明地球關鍵帶有機碳的來源、遷移及其轉化等地球化學特徵對於研究全球氣候變化及區域生態系統安全，維持人類社會可持續發展等具有重要的意義。
地球關鍵帶中的有機碳主要分布在大氣、植被、凋落物、土壤和水體（沉積物）中，其產生和降解速率，在各庫間的遷移特徵和通量是多種物理、化學和生物過程綜合作用的產物。自然條件下關鍵帶有機碳的遷移和循環過程如圖 1 所示。植物通過光合作用吸收固定大氣CO2合成為自身有機碳，其中一部分有機碳離開植物體，進入凋落物庫中，植物凋落物一部分被微生物分解，未分解的部分植物凋落物與動物（殘體及排泄物）和微生物（殘體和分解、合成產物）成為自然條件下土壤有機碳的主要來源，而在侵蝕作用、淋溶作用等影響下土壤中的部分有機碳可轉移到水體，為水生生態系統提供營養物質和能量。
這些陸源有機碳在被河流輸送到海洋的過程中，可能會被微生物分解或者沉降到底層水體沉積物中，而沉積物中有機碳也可能再懸浮後隨水體遷移。各庫中的有機碳在遷移過程中發生降解（呼吸作用、有機碳礦化作用等），部分降解產物以CO2或CH4形式返回到大氣，構成自然界碳循環的另一環節。最近幾十年以來，有機碳的研究方法、含量（儲量）及動態、來源、周轉過程及關鍵帶有機碳循環對全球氣候變化和人類活動的響應和反饋機制等方面取得了許多進展。
本文分析了國內外地表流域不同關鍵帶有機碳地球化學特徵的研究進展，深入探討了當前地表流域有機碳方面研究所存在的問題，並提出了值得深入研究的方向，為今後的研究方向提供參考。
1 地表流域有機碳的形態、碳儲量及動態
1.1
有機碳形態
碳的形態研究是碳循環研究的基礎和前提，有機碳的形態分布對有機碳在關鍵帶各個界面的遷移轉化及歸趨起關鍵作用。水體中有機碳根據孔徑大小主要可分為兩類，通常把水中能通過0.45 μｍ 濾膜的有機碳稱為溶解態有機碳（DOC），被濾膜阻留的有機碳稱為顆粒態有機碳（POC）。而土壤中的大部分有機碳是難以分解的穩定態化合物， 只有少部分是活性有機碳組分。顆粒態有機碳（POC）指粒徑大於53 μｍ 的土壤有機碳，是土壤惰性碳庫的一種， 可以指示土壤總有機碳動態的早期變化。其中以250 μｍ 顆粒粒徑為界，POC可以進一步分為細顆粒有機碳（ＦPOC：53～250 μｍ）和粗顆粒有機碳（ＣPOC：250～2000 μｍ）。土壤和沉積物中活性碳組分常用可溶性有機碳（DOC）、顆粒有機碳（POC）、易氧化有機碳（ EOC）、微生物生物量碳（ MBC）、可礦化碳（MC）、輕組有機碳（ LFOC） 等來表徵。可溶解有機碳是用水或K2SO4等稀鹽提取通過0.45 μｍ 微孔濾膜的土壤有機碳組分，是土壤有機碳中最活躍、易分解礦化、遷移轉化的小分子有機化合物。易氧化性碳（EOC）是指土壤中容易受到植物、微生物的影響而發生氧化分解的土壤有機碳。微生物生物量碳指的是土壤有機質中活的微生物總量，反映了土壤有機碳的降解能力。可礦化碳（MC）是指每單位微生物生物量分解有機物產生的CO2量，代表了有機碳的已降解量。可以反應土壤有機質的生物有效性、土壤的微生物活性、以及預測土壤有機質含量變化的趨勢。輕組有機碳（LFOC）是土壤有機碳中土粒密度小於2.0 ｇ·ｃｍ-3組分，可以指示土壤肥力的變化。
而且，各個關鍵區域中不同形態有機碳在一定程度上相互影響，相互制約，相互轉換。水生系統中特別是流域水體碳的賦存形態的變化規律和遷移轉化研究一直是人們研究的重點。近年來國內外對土壤和湖泊沉積物中的活性有機碳也進行了廣泛的研究，如植被、水熱條件（溫度和降雨等氣候因素）、土地利用和耕種方式等對土壤中團聚物、活性有機碳含量及其形態分布特徵的影響等。由於土壤活性有機碳的結構和化學成分比較複雜，同時不同區域的土壤類型、結構、性質的地帶性差異，因此對活性有機碳的各個指標之間的相關性及其控制機制還缺乏系統認識。
1.2
碳儲量及動態變化
1.2.1
有機碳儲量
關鍵帶中的有機碳主要分布在大氣、植被、凋落物、土壤和水體（沉積物）這些環境介質中。其中，大氣碳庫中絕大部分都是無機碳，而在陸地生態系統中，土壤碳庫儲量最為豐富，因而國內外對土壤碳庫量進行了廣泛研究。據估計，全球土壤有機碳庫量約為1400 ～1500 Pg，是大氣碳庫（780Pg）的2 倍，是陸地植被碳庫（550±100Pg）的2 ～ 3 倍，是凋落物碳庫（300Pg）的4 ～ 5 倍。不同學者提出的大氣碳庫、陸地植被碳庫、海洋碳庫等的估算值都很接近，但是，土壤有機碳的估算結果存在較大的差異，這主要是由於不同學者所採用的資料數據、研究方法、採樣方法不同以及土壤空間分布變異性較大所導致。因此，藉助地面觀測以及遙感、地理信息技術獲取流域陸地生態系統相關信息，完善土壤、植被、氣候氣象相關資料庫，建立統一的觀測統計方法和實驗方法來研究土壤有機碳儲量和動態變化是未來一個重要的研究方向。而水體系統是陸地表層系統的重要組成部分，全球每年大約有0.051 PgＣ 有機碳滯留在湖泊中。水體系統不僅與大氣和陸地生態系統有著強烈的碳交換，而且其內部也存在著活躍的碳產生、分解和沉積。而目前湖泊沉積物的碳儲量、固碳潛力以及氣候變化和人為活動對湖泊碳通量的影響程度、影響機制等是全球碳循環研究的薄弱環節。
1.2.2
有機碳動態變化的研究進展
有機碳在關鍵帶各個介質（大氣、植物、土壤和水體）中發生著劇烈分解轉化和跨介質遷移，因而關鍵帶各介質中有機碳儲量、組成上表現出明顯的時間和空間差異性。近年來，全球氣候變化加劇和人為活動強度增強極大地改變了關鍵帶各個介質中的有機碳儲量和遷移轉化等行為。而土壤和水是地球關鍵帶的核心組成部分，其有機碳的儲量十分豐富而且分解轉化過程複雜，認識土壤和水體碳動態特徵是理解關鍵帶有機碳遷移轉化的關鍵，因此學者們主要集中在對土壤和水體中有機碳動態變化過程的研究。
土壤碳庫是陸地生態系統最大的有機碳庫，其碳動態決定了地球關鍵帶有機碳的動態，在全球碳循環中起著關鍵作用。近年來，研究人員在陸地生態系統碳收支模型、土壤有機碳動態影響因素的作用過程機制（包括侵蝕條件下土壤有機碳流失研究、有機碳的去向、土壤碳淋溶過程、人類活動如土地利用變化和土地管理措施對生態系統碳循環的影響以及其對全球氣候變化的響應特徵）等方面開展了大量室內外研究，並取得了一些進展。但是各個影響因素之間的耦合作用十分複雜，而且我國一些長期定位試驗站的數據積累不足，實測研究範圍有限，在流域內缺乏對土壤有機碳動態變化的長期定位研究，因此目前對於地球關鍵帶土壤有機碳動態的關鍵驅動因子、各種因素的作用機制尚不十分清楚。
水是關鍵帶物質流動、能量循環與信息交換的主要載體，水生系統的碳循環過程，特別是河流碳輸出特徵、內陸水體中碳的沉積和釋放是目前關鍵帶水體有機碳動態研究的重點。據估算，河流輸入海洋的有機碳為0.46Pg·ａ-1，DOC 和POC 分別為包括0. 26 和0. 20Pg·ａ-1，是海洋碳庫的一個重要的碳來源，而且在運輸過程中內陸水體中的碳沉積和釋放是不可忽視的。此外，近年來的研究表明，河流和湖泊水體DOC 有逐漸增加的趨勢，這可能與氣候變化、酸沉降降低、氮沉降增加、農業活動（如土地利用方式的改變）、降雨量和徑流量模式改變，大氣CO2濃度升高有關，也可能是這幾種因素綜合影響的結果，但是目前還不清楚影響水體DOC 這種大區域範圍內增高的控制機制。
近年來，有機碳動態的研究方法也逐漸完善。國內外對土壤有機碳動態的研究方法主要包括普通法、非示蹤方法、示蹤方法（包括放射性同位素示蹤法、穩定性同位素示蹤法）、計算機模擬法、植物標誌物、紅外光譜法、核磁共振、電子自旋共振、質譜以及氣相色譜等。而且，隨著科學的進步，各種新的研究思維和技術手段也逐漸被應用於有機碳動態的研究中，使人們能夠更加精確評估重要界面碳交換通量，更系統揭示有機質的地球化學循環特徵以及關鍵碳過程的控制機制。比如結合野外原位觀測與室內實驗研究碳動態、將長期定位實驗觀測和數值模型結合預測有機碳動態變化趨勢等；13Ｃ-ＮＭＲ 和Ｐｙ-ＦＩＭＳ 以及ＦＴＩＲ 可以對土壤原樣進行有機質化學組分進行測定，無需經過複雜的、富有爭議的化學提取過程，所獲取的信息可能更能代表土壤的真實水平。
1.2.3
有機碳動態特徵及其影響因素
在自然和人文雙重作用下，各個介質中有機碳分布存在明顯的時間和空間差異性。近年來，學者們對湖泊水體、湖泊沉積物、土壤等中有機碳時空分布特徵及其影響因素進行了廣泛研究，並取得了一些進展。研究顯示，氣候、植被、土壤質地、海拔、土壤pH、土壤微生物、土地利用方式等都會影響土壤有機碳分布。人為干擾（土地管理類型、周邊大量的生產生活污水、工業廢水的排入）、自然過程（全球變暖、降雨、洪水和乾旱）、環境因素（溫度）、土壤類型、水文特徵、光合作用強度、生物活動如藻類活動、微生物降解過程、光降解的過程、金屬離子絡合和鹽度都可能影響水體的DOC 濃度。而沉積物的氧化還原條件、微生物活動、氧化物濃度、pH 等是影響沉積物有機碳分布的主要因素。
此外，各個因素之間的作用強度存在疊加或抵消效應，導致有機碳的分布還具有明顯的區域性特徵，因此學者們對不同地區有機碳動態特徵的研究結果可能不一致。如許多研究發現，湖泊表水層有機碳濃度比下層滯水層高，特別在夏季分層期，但是有些研究卻顯示，DOC 濃度在夏季中下層水體出現增大的現象對後寨流域水體的各個重要觀測點的研究發現，隨著流量的增加，不同地區（裸岩、旱田、灌木、水稻田、水庫旁邊）地表水和地下水DOC 含量變化趨勢不同，而且變化程度也不同。這些現象反映了降雨對流域地表水和地下水中DOC的影響程度與流域地形地貌因子、水文條件、土壤特性、植被群落類型和人為因素（土地利用類型、建築水庫）等相關，流域水體DOC 含量受到多重因素的綜合影響，不同地區不同因素的影響程度不同，因此需要在關鍵帶流域更系統深入地研究氣候因子、生態因子、地貌因子（植被類型）、土地利用、降雨事件等相互耦合對關鍵帶有機碳動態過程的影響機制，闡述了大氣-水文-土壤-植被-河流之間的相互作用機制，這對揭示流域有機碳動態變化及地球化學循環規律具有重要作用。
1.3
碳通量
關鍵帶各重要界面間都發生著強烈的碳交換，了解各重要界面間碳通量特徵是揭示關鍵帶碳遷移轉化規律的基礎和全球碳循環研究的重要環節，對闡明關鍵帶物質循環、能量流動和信息傳遞規律具有十分重要的意義。
作為關鍵帶的重要組成部分，陸地生態系統最具多樣性，而且受人類活動影響最大，其碳循環過程最為複雜。國內外學者對典型陸地生態系統的初級生產力、生物量及其對人類活動和全球氣候變化的響應機制進行了大量的觀測研究來了解陸地生態系統碳收支特徵，也取得了較多成果。研究表明，陸地生態系統每年凈吸收約2.6 Pg Ｃ 的CO2。已有學者利用森林清查資料估算了一些地區陸地生態系統的碳匯值，如1990—2007 年全球森林碳匯為每年2.4±0.4 Pg Ｃ，美國大陸每年的碳匯速率是0.2 ～ 1.3 Pg Ｃ，歐洲每年是0.2 ～ 0.4 Pg Ｃ。草地生態系統碳循環的研究多集中於土壤呼吸碳通量以及其對人為活動干擾和全球氣候變化的響應。近年來，由於環境因素和人為活動如開墾濕地為農田等的共同影響，濕地的碳匯功能正在逐漸下降。其中北方高緯度濕地因其碳儲量較高是目前的研究重點。但是，陸地生態系統碳循環的空間分布特徵、碳源、碳匯強度的時間變化特徵、環境變化和人為活動對碳收支影響機制以及在長時間尺度上碳循環的變化特徵等仍需要進一步深入研究。
河流是連接陸地生態系統和海洋的紐帶，全球每年大約有0.46 Pg 有機碳從陸地生態系統通過河流輸入海洋，和大氣海洋間的凈碳交換量處於同一個數量級。學者們對各國河流有機碳的輸出通量及其性質也進行了廣泛研究。目前，我國河流有機碳通量的研究較多集中在長江、黃河和珠江的輸出特徵，如研究表明，我國長江、黃河、珠江每年輸出到海洋的溶解態有機碳分別為1.8、0.06和0.38 Tg Ｃ，但是對河流碳通量的變化趨勢的長期觀測研究較少，而且在運輸過程部分有機碳會在內陸水體中發生降解、沉積等過程。據估算，全球大湖泊和小湖泊中碳的沉積速率大約分別為5 和72 ｇ Ｃ·ｍ-3·ａ-1，全球每年0.051 Pg Ｃ 有機碳沉積存儲在湖泊中。但是，目前國內外對內陸湖泊碳收支、變化趨勢及其對人為活動的響應機制等方面的研究較為薄弱。此外，水體系統還與大氣有著強烈的碳交換，全球河流每年大約會向大氣釋放1.8 Pg Ｃ 的CO2。河流-大氣碳交換量不僅存在明顯的區域性差異，而且受全球氣候變化和人類活動的影響，但是目前由於研究區域代表性不足、長期定位實測數據缺乏以及對人類活動的響應機制研究不足等導致全球水-氣界面碳交換估算存在差異。
2 地表流域有機碳的來源
流域中有機碳輸入主要包括自然和人為兩種輸入方式，前者包括大氣沉降，植物光合作用吸收CO2合成有機碳，富有機碳地質源（岩石等）輸入、冰川融化、永凍層土壤解凍等；後者包括化石燃料燃燒、施肥、工業廢水、生活污水的排放等。然而，有機碳進入關鍵帶不同介質後的地球化學行為並不是保守的，有機碳和無機碳的相互轉換在碳的遷移過程中普遍存在，給特定介質中有機碳的來源辨識帶來困難。陸地生態系統中碳的來源是關鍵帶有機碳溯源研究中最重要內容，特別是內陸水體，作為地表土壤和植被碳循環信息的集成器，是關鍵帶碳生物地球化學研究的重要工具，因此區分水體有機碳的來源尤為重要。水環境中有機碳的來源可分為內源和外源，前者與生物活動關係密切，主要由水體微生物、浮游植物或藻類分解產生；而後者是從外部輸入的有機碳，包括大氣降雨、土壤、植物碎屑、岩石源有機碳、生活污水、工業廢水等。由於侵蝕和淋溶作用等過程大量外源有機碳的輸入以及河水的水力停留時間比較短暫，大多數河流有機碳主要來源是外源，來源於流域水土侵蝕過程， 內源有機碳貢獻較少。而對於人為干擾較小的湖泊，有機碳主要是內源，與水體浮游植物等的初級生產力和分解率有關。
近年來，極端氣候事件（颱風、洪水等）的頻繁發生和人為活動強度增強（如污水排放）使河流和湖泊中外源有機碳的貢獻比例逐漸增加。但是，陸地水體中外源有機碳的貢獻比例在全球範圍內範圍較大，水體中不同來源有機碳的貢獻比例存在著明顯的地區性及季節性差異。這種差異很大程度上取決於土壤侵蝕強度和水體中自源有機碳的貢獻量的平衡。這種顯著差異是流域環境性質（包括河流流域大小、流域地形地貌、土壤背景、植物的初級生產力和分解率、降水強度、氣候條件、徑流量、水動力過程、水體狀態等）、人類活動強度（築壩、蓄水、廢水排放等）不同所導致的。這些因素相互作用，相互耦合，單獨分析某些影響因素可能不能解釋部分研究結論存在的差異，應綜合考慮多種因素如環境因素（流域氣候）、生物因素（植被類型等）、人為因素（耕作方式、施肥等）對河流有機碳來源、組成的影響。
研究方法上，水體有機碳來源識別方法主要包括：同位素法、熒光光譜法、紫外光譜法、核磁共振譜、碳氮（C/N）比值法以及生物標誌法（木質素、糖類、氨基酸等）。不同的方法具有不同的優點和局限，綜合使用多種研究方法和多種指標可以提供有機碳結構、組成和來源等方面更多、更準確的信息，能更系統闡明有機碳的來源、組成以及降解程度、時空分布特徵，量化不同來源有機碳的貢獻。因此，綜合運用多種方法是進行生態系統有機碳循環研究的一個重要趨勢。如將碳氮同位素組成、氨基酸和木質素組成結合，綜合利用生物標誌物丰度和同位素法，利用14Ｃ 與有機碳質量（熒光光譜），聯合使用同步和三維熒光光譜， BIT（Branched and Isoprenoid Tetractter）指標與木質素相結合揭示陸源有機碳貢獻，將固體核磁共振技術與同位素示蹤技術結合，將磷脂脂肪酸分析技術（ＰＬＦＡ）、末端限制片段長度多態性技術（Ｔ?ＲＦＬＰ）和實時定量ＰＣＲ 技術等微生物方法和穩定碳同位素技術和氣體遙感技術等地球化學方法相結合等。
3 有機碳周轉速率及控制因素
有機碳的周轉時間是估算碳通量的重要參數，明確各個主要有機碳庫的周轉速率及控制因素，對闡明關鍵帶的碳動態變化機制和揭示有機碳循環規律具有十分重要的意義。但是由於關鍵帶中的各個環境介質具有不同的特性，有機碳在關鍵帶不同重要介質中的遷移轉化過程和周轉速率受到不同具體因素的影響。植被有機碳的周轉速率主要受植物的初級生產力和分解率的影響。凋落物的周轉速率受環境因素（主要包括溫度和濕度）和凋落物品質的共同影響。而土壤有機碳的周轉速率受生物因素（包括植被類型和微生物）、非生物因素（包括溫度、水分、土壤理化性質、地形地貌特徵、水文情勢、酸沉降、氮沉降、CO2濃度及土壤凍融等）和人為因素（土地利用和土地管理方式）的共同影響。大氣降水和降雨形成的地表徑流會沖刷土壤，將大量土壤有機碳帶入河流，但是河流搬運的碳在遷移過程中可能會發生選擇性降解、沉積等生物化學和物理過程，使得只有一少部分的陸源碳會進入海洋碳庫。內陸水體中有機碳的降解、沉積等過程與有機碳的運輸速率和其與微生物的反應速率密切相關，主要受水體中微生物群落特性、水文、地貌特徵的影響，而氧化還原條件是制約水體中的有機碳在沉積物-水界面間遷移轉化的重要因素，是控制沉積物有機碳礦化速率的主要因素。
然而，各個碳庫有機碳周轉速率是密切相關的，如植被初級生產力強弱、凋落物產生與分解速率均直接影響土壤有機碳的含量及周轉速率，進而影響內陸水體中碳的遷移轉換，從而影響陸源有機碳對海洋有機碳庫的貢獻率，而且還會影響在此過程中內陸水體中碳的沉積和釋放。但是，目前以關鍵帶作為整體進行的有機碳周轉速率和控制因素方面的研究還比較缺乏，特別是控制因素究竟是什麼作用起主導、有機碳運輸的相關過程及其機制、定量化自然過程、人為因素、地貌等在關鍵帶有機碳循環整個過程中的相對貢獻的認識比較缺乏，如對異質流域中水文、氣候和地貌對河流碳運輸期間的礦化、沉積等生物化學和物理過程的相對貢獻尚不清楚。因此，在未來的研究中，需要對有機碳在各主要庫的周轉速率、平均停留時間、各庫之間交換速率及其關鍵控制因素開展全面、系統的定量研究。
4 展 望
有機碳是維持生態系統正常運轉的關鍵物質。而傳統研究將碳庫分為植被碳庫、土壤碳庫、大氣碳庫、海洋碳庫、化石燃料碳庫，不同學科分別研究地球表層的不同組分，研究對象較單一，缺乏多界面、多過程、多時間尺度的長期綜合觀測研究，因此對於侵蝕過程中土壤碳的「源匯」關係、土壤碳動態對全球氣候變化的響應、河流的碳年齡問題、河口的碳源與碳匯的關係、水體DOC 逐漸增加的控制機制等問題一直有待系統研究。而且過去對地球關鍵帶重要界面有機碳遷移轉化及其關鍵控制因子方面的研究較少，對有機碳來源辨識、各影響因素及影響的程度以及其關鍵控制機制，水文、氣候和地貌對河流碳輸出特徵、內陸水中碳的沉積和釋放的相對貢獻尚不清楚。今後的相關研究可著重在以下幾個方面：
（1）以關鍵帶研究思維開展研究。最近幾年的研究認為，關鍵帶的各個有機質庫之間並不是獨立的，其動態變化與關鍵帶岩石、土壤、生物、水、大氣中涉及的各個過程密不可分，陸地碳循環研究必須以「無界碳循環」（boundless carboncycle）思維來開展研究。而我國目前對陸地生態系統小流域多界面有機碳循環的相關研究較少，對重要界面的某些關鍵機理與控制過程缺乏系統性的認識。因此，今後應將各個典型子系統作為一個整體進行分析，關注有機碳關鍵帶各圈層和各個重要界面的遷移轉化規律，開展水-土／ 沉積物-氣植被-岩石等多界面的同步觀測和系統研究，揭示控制關鍵帶有機碳動態變化的過程機制。
（2）關注有機碳與水文過程、養分循環、環境污染物遷移等多過程的耦合關係。有機碳生物地球化學循環與水文過程、養分循環、各種污染物循環、微生物活動等密切相關。但是由於這些過程相互影響相互制約，很難定量化區分這些過程對碳循環的貢獻，所以對於其關鍵控制機制及其定量化貢獻的認識不足；而且對於水文條件對陸地生態系統土壤-植被-大氣之間碳循環的影響機制及定量化貢獻方面的研究很少。因此，需要在我國典型流域深入研究在不同水文條件、氣候、人為活動影響下，土壤侵蝕、河流碳通量、陸地生態系統有機碳的周轉時間、平均停留時間、各庫之間交換速率的變化特徵及其機理，揭示有機碳與營養組分、環境污染物、水文過程的耦合關係及主要影響因子。加強對人為來源有機碳的識別示蹤和遷移的研究，定量化區分自然環境變化和人為活動對關鍵帶有機碳遷移轉化的影響，深入研究氣候變化和人為干擾影響下，生物和非生物因素對碳的周轉、碳固定等過程的調控機制，特別是周期性乾燥和濕潤對水生態系統中微生物的影響、微生物分解者對氣候變化的響應，以及對碳轉化過程的調控作用及其機制。
（3）完善生態環境觀測研究網路，綜合使用多種方法開展高頻次觀測研究。DOC 濃度可能在短時間內變化顯著，觀測頻率的不同可能會造成較大差異。因此，應加強推進我國生態環境觀測研究網路的發展和完善，綜合利用多種在線觀測儀器對短時間尺度有機碳的動態特徵進行高頻次長期定位觀測，這樣能更好地揭示關鍵帶有機碳的動態變化規律。此外，近年來隨著非線性科學的迅速發展，熵函數、逸度模型已經廣泛應用於研究污染物在多介質環境中的歸趨行為。而地球關鍵帶也是多介質環境，也是具有耗散結構和混沌現象的開放系統，有機碳在關鍵帶遷移轉化的過程中，會涉及有機碳通過各類物理、化學和生物過程進行跨環境介質界面的遷移。因此，可以借鑒將熵函數應用於研究有機碳在關鍵帶循環規律，這對於闡明關鍵帶有機碳的循環規律具有十分重要的意義。
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