人类改变了地球河流的生命周期 | 科学

河流中的生命正在发生变化。温度升高和营养物质的增加扰乱了进入河流的有机物的分解速度。数百名科学家使用画布（画家使用的画布）测量了六大洲 500 多条水道中植物残骸的降解速度。除了实现适用于整个地球的标准方法外，这项庞大研究的作者还发现了全球模式，即树叶和其他植物残骸中的碳以二氧化碳的形式释放到大气中或被困在河流死亡的湖泊和海洋底部。第一种途径加速了气候变化，第二种途径将有助于阻止它。

如果说海洋是地球循环系统的动脉，那么河流就是它的毛细血管。大量的有机物从陆地生态系统进入海洋。据估计，每年约有 7.2 亿吨。这些植物残骸在进入海洋的途中有几个目的地。其中大部分被分解它们的微生物吸收，这些微生物以植物残骸为食，构成了食物链和生命周期的基础。在这个将植物化合物分解成其基本成分的过程（称为分解代谢）中，很大一部分以二氧化碳或甲烷的形式释放到大气中，甲烷是一种比前者更糟糕的温室气体。

这些数百万吨的垃圾中有三分之一最终被困在河流的末端，如洪水区、湖泊，尤其是海洋，几十年、几百年甚至几千年。垃圾的分布取决于分解的速度；分解速度越快，被困住和矿化的垃圾比例就越低。但测量分解速度并以通用的、可比的方式进行测量似乎是不可能的。它涉及几十个因素，这些因素高度依赖于当地的条件，从土壤的酸度到温度，包括要分解的叶子或现有微生物的特性。现在，在数百条水道进行的 800 多次实验首先发现了一个预测分解的模型，然后利用该模型，发现了控制分解的全球模式。而且 他们已经发布了模型 供该领域其他科学家使用。

“全球气温升高预计有利于微生物分解”

巴斯克大学河流生态学小组研究员兼联合负责人 Luz Boyero

在他们测量的工作中的一百多个变量中， 出版于 科学的研究证实，温度和营养物质的可用性是对分解速度影响最大的因素之一。“温度或多或少会直接影响微生物的分解，就像生态学代谢理论所预测的那样，”研究报告的共同作者、巴斯克大学植物生物学和生态学系的 Luz Boyero 回忆道。热变量可以解释他们观察到的主要全球模式：有机分解的速度随纬度降低而增加。因此，中美洲、西非（巨大的刚果河流经该地区）或东南亚的分解速度最快。“但这与总体分解的关系并不是那么直接，”Boyero 补充道。他们观察到，虽然平均气温似乎不会改变分解速度，但水温会。

另一个关键变量是营养物质的存在。“纤维素基本上是碳，但为了降解它，微生物需要植物中不存在的其他元素，例如氮或磷，”瓦伦西亚大学生态学教授安东尼奥·卡马乔解释说，他的研究小组参与了这项研究，提供了地中海盆地伊比利亚河流的数据，以及（唯一这样做的）南极水道的数据。上个世纪的绿色革命和农业产量的持续增长很大程度上归功于化肥的使用。但其中许多化肥最终进入河流或湖泊，在被称为水体富营养化的过程中污染了它们的微观生态系统，这已成为全球威胁。卡马乔的团队前往河流的源头，将自然存在的营养物质与人为营养物质隔离开来。“因此，我们能够确定氮或磷等元素的可用性对分解率至关重要，”教授总结道。

尽管还涉及许多其他因素，但人类通过肥料的影响可以解释部分研究结果。北美大湖区和中欧河流位于中纬度，其有机物降解速度几乎与刚果河或恒河相同，被认为是地球上降解最严重的河流之一。与此同时，亚马逊河流域的大型水域，如奥里诺科河或亚马逊河，其有机物降解速度相对较低。多瑙河和布拉马普特拉河有什么共同之处？它们流经人口稠密的地区，农业对肥料的需求非常大。高纬度地区是这一地理格局的组成部分。加拿大、北欧国家以及西伯利亚的河流（程度较轻）降解有机物的速度都非常缓慢，只有卡马乔的团队在西班牙南极洲基地之一所在岛屿的水道中观察到的速度比它们更快。

“我们已经能够确定氮或磷等元素的可用性对于分解率至关重要。”

瓦伦西亚大学生态学教授安东尼奥·卡马乔

这项研究由数百名科学家使用帆布进行。“它是一种标准化材料，其纤维素百分比和织物张力都是确定的，”卡马乔强调说。帆布由棉纤维制成，富含纤维素，纤维素是植物中最普遍存在的植物聚合物。科学家们利用它寻找一种适用于整个地球且独立于局部变量的标准方法。“我们通过条带张力的损失来确定分解率，张力的损失表明纤维素正在降解，”卡马乔补充道。这种降解的主要产物是碳。通过对 35 种植物属的叶子重复这些实验（结合之前来自当地研究的数据），他们能够验证这种基于纤维素的方法来预测几乎所有河流的分解率。

加泰罗尼亚水研究所（ICRA，加泰罗尼亚语缩写）所长 Vicenç Acuña 回忆道：“树木是二氧化碳的吸收器，木材可以吸收碳达数个世纪，但树叶也可以。”无论是落叶还是自然更新，大部分落叶最终都会进入河流。“人们认为，大多数落叶最终会进入其他碳吸收器，例如湖泊和海洋的底部，”他补充道。“但现在我们知道，它会在河流中分解，碳会进入大气，从而影响气候变化，”他补充道。对于 Acuña 来说，找到像纤维素这样的模型来预测几乎所有河流中这一过程的速度是这项工作的重大贡献。

与阿库尼亚的观点一致，另一位来自美国的作者详细描述了这些变化的后果。肯特州立大学的戴维·科斯特洛 (David Costello) 表示，“河流中分解速度加快意味着更多的二氧化碳返回大气，而不是顺流进入湖泊、河口和海洋，在那里它可能会被埋藏并长期储存”。

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