河流是连接陆地与海洋的重要碳通道，其在全球碳循环中的作用已从传统的“被动输送管道”逐渐转变为能够主动调控碳储存、转化与释放的“动态处理器”。然而，尽管河流每年向海洋输送大量碳并向大气释放温室气体，关于河流中溶解性有机碳（DOC）的来源、年龄结构及其控制机制仍缺乏系统认知。

    现有研究多集中于DOC浓度和通量的观测，对其来源与年龄的全球尺度解析仍较为有限，缺乏高分辨率、综合性的评估框架。同时，气候变化和人类活动可能改变土壤碳周转及水文过程，从而影响DOC的输入与转化，但相关机制尚未得到充分量化。因此，厘清河流DOC的来源、年龄特征及其驱动因素，对于理解陆地—水体碳耦合过程及预测气候变化背景下的碳循环响应具有重要意义。

    针对上述问题，中国科学院南京地理与湖泊研究所周永强研究员等整合全球尺度观测数据，汇集了超过5000条DOC浓度、2600余条δ¹³C-DOC及2500余条Δ¹⁴C-DOC数据。在此基础上，研究采用机器学习方法生成全球高分辨率的DOC浓度及其稳定碳和放射性碳同位素分布图谱。进一步结合双同位素端元混合模型，定量解析了不同来源碳对河流DOC的贡献，并系统评估了气候因子、水文过程及土壤属性对DOC浓度与年龄结构的调控作用。

    全球河流DOC浓度及其δ¹³C和Δ¹⁴C同位素的空间分布格局

    研究显示，全球河流DOC浓度在空间分布上呈现出显著差异，平均为6.6 mg C L⁻¹。冻土区和森林流域DOC浓度最高，冰川河流表现出最低水平。机器学习预测结果表明，超过一半河流DOC浓度低于5 mg C L⁻¹，并在北极—寒带地区达到峰值，而热带河流相对较低（图1A、B），这一纬向格局反映了土壤碳储量、冻土分布、水文连通性以及有机质矿化强度等多重因素的综合影响。

    δ¹³C-DOC在全球范围内差异显著（–43.8‰至–12.1‰），反映出不同来源：热带流域通常表现出较低的δ¹³C值，主要受C3植被输入主导，而温带地区则表现为相对较高的δ¹³C值，反映了C3与C4植被以及水体自生生产的共同贡献（图1C、D）。

    Δ¹⁴C-DOC结果进一步揭示揭示了河流DOC在时间尺度上的巨大差异，其范围从现代碳到超过2.9万年的古老碳，平均Δ¹⁴C为–22.5‰。其中，最古老的DOC主要来自受冻土和冰川影响的高纬和高海拔地区，而热带湿润区域则以现代碳为主。

    总体而言，约60%的河流DOC年龄小于100年，表明其主要来源于近期的初级生产。然而，少量富含古老碳的河流主要集中在高纬和高海拔区域（图1E、F）。

图1. 预测的全球河流溶解性有机碳（DOC）浓度及其δ¹³C和Δ¹⁴C值的空间分布与纬向变化特征

    全球河流DOC的¹⁴C年龄特征及来源解析

    基于高分辨率δ¹³C-DOC与Δ¹⁴C-DOC全球分布数据，并结合双同位素端元混合模型，研究对全球河流DOC来源进行了定量解析。

    结果表明，古老或化石来源碳在全球尺度上的贡献相对有限，仅占约6.7%，但在北极及高海拔区域，其比例可显著升高至约40%，主要与冻土融化及老土壤侵蚀过程密切相关（图2B）。相比之下，农业活动较强的区域（如北美中部、欧洲和日本）则表现出中等比例的老碳输入，这可能与耕作扰动导致浅层土壤碳再分配有关。

    陆源输入与河流内源生产是DOC的主要来源，分别贡献约38%和44%，且主要集中于中低纬地区。其中热带河流以陆源输入为主，温带与半干旱河流则更依赖水体内源生产。此外，全新世沉积物来源DOC约占10.7%，主要分布在高纬度洪泛平原区域，如西伯利亚低地以及麦肯齐河和育空河流域，这与冻土退化、泥炭分解及沉积物再活化等过程密切相关。

图2. 全球河流DOC的¹⁴C年龄预测及古老碳对河流DOC库贡献比例

    河流Δ¹⁴C-DOC的驱动机制解析

    研究表明，河流DOC的放射性碳特征（Δ¹⁴C）主要受气候、水文过程及土壤性质共同驱动。气温与降水等气候因子通过影响土壤碳周转速率及有机碳淋溶过程，进而决定DOC的年龄结构，尤其在冻土地区，气候变暖会增强土壤碳释放并促进老碳向河流输入（图3A–C）。水文过程同样发挥关键作用，地表径流与地下径流不仅加强碳的横向迁移，还可能将深层、相对“古老”的碳输送至河流系统。

    此外，人类活动也会显著改变了河流DOC的年龄组成。水库蓄水可促进藻类生长，从而增加“年轻碳”的比例，而农业开发与城市化则可能通过扰动土壤或输入化石源碳，使河流中老碳比例上升。

    通过不同碳库Δ¹⁴C的对比发现，河流DOC的Δ¹⁴C与土壤有机碳Δ¹⁴C高度一致，且更接近表层土壤信号，说明其主要来源于表层土壤淋溶（图3D、E）。相比之下，颗粒有机碳（POC）具有更高的年龄，反映出其在迁移路径和转化过程上与DOC存在显著差异（图3F）。总体而言，河流DOC以“年轻碳”为主，其年龄结构对气候变化和人类活动高度敏感。

图3. 河流Δ¹⁴C-DOC与气候因子及Δ¹⁴C-SOC、Δ¹⁴C-POC和Δ¹⁴C-DIC之间的关系

    上述研究成果近期发表在《国家科学评论》（National Science Review )上。

    文章信息：Liu, Z., Zhou, Y.*, Rocher-Ros, G., et al. (2026). Soil carbon residence time regulates the age of dissolved organic matter in global rivers. National Science Review, nwag237. 

    论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag237