土地利用改变了三峡库区溶解有机物的含量：直接和间接影响

《Journal of Hydro-environment Research》：Land use alters dissolved organic matter in the three gorges reservoir area: Direct and indirect impacts

本研究采用部分最小二乘路径模型（PLS-PM）分析三峡库区彭溪河流域土地利用对河流溶解有机物（DOM）的直接和间接影响，揭示其时空异质性。结果表明，干季DOM主要受陆源直接输入影响，而湿季（洪水期和干旱期）则通过营养盐与环境变量产生间接调控，其中缓冲区在干湿季均有显著直接效应，子集水区在间接效应中作用突出。研究为流域水文调控与DOM管理提供了机制依据。

　　土地利用对河流溶解有机质（DOM）的影响是一个复杂而重要的生态过程，涉及直接与间接的多重机制。DOM在水生态系统中扮演着关键角色，不仅参与碳的输入、储存、转化与输出，还通过与生物和非生物过程的相互作用，影响全球气候变化和生态系统的稳定性。DOM的来源包括生物衰变、光合作用产物以及陆地输入，其组成在不同时间和空间尺度上存在显著差异。研究显示，DOM的化学结构、功能团和生物可利用性等特性，会受到陆地利用方式、水文条件和人为活动的综合影响。因此，理解DOM在水体中的动态变化，对于制定有效的水环境管理策略具有重要意义。

本研究采用偏最小二乘路径模型（Partial Least Squares Path Modeling, PLS-PM）方法，系统分析了人类活动对河流DOM特征的直接影响和间接影响。PLS-PM是一种能够同时量化变量间直接和间接影响路径的统计工具，相较于传统的相关分析，它更适用于处理复杂的非线性关系。通过结合PLS和结构方程建模的优势，PLS-PM可以有效识别和量化陆地利用对河流DOM特征的直接和间接效应。该方法在连接潜在变量与观测变量、刻画潜在变量之间的因果关系方面具有独特优势，从而有助于深入理解DOM在不同水文条件下的变化机制。

研究区域选在三峡水库区的彭溪河流域，该区域是长江流域重要的生态屏障，由于人类活动频繁、土壤侵蚀严重以及生态环境脆弱，成为研究人类影响与水文变化关系的理想场所。彭溪河流域的年降水量在1100至1500毫米之间，属于亚热带季风气候，降水主要集中在5月至9月（湿润季节）。流域面积约为5172.5平方公里，河流总长度约182公里，平均河床坡度为0.125%。该区域的水文特征和土地利用类型为分析DOM变化提供了良好的背景。

研究发现，DOM的组成在不同季节呈现出显著的差异。在干旱季节，陆地来源的类腐殖质DOM是主要成分，而湿润季节和洪水期、干旱期则以陆地和微生物来源的类腐殖质DOM以及蛋白质类物质为主。这表明，DOM的组成不仅受到季节变化的影响，还与土地利用类型和水文条件密切相关。在干旱季节，人类活动对DOM的影响更为直接，而在湿润季节，这种影响则主要通过营养物质和环境变量间接实现。此外，研究还发现，河岸缓冲带在干旱季节和洪水期对DOM的影响最为显著，而流域内部则在所有三个季节中表现出最大的间接影响。

在干旱季节，土地利用对DOM的影响主要通过环境变量实现，例如降水量、地表径流和土壤侵蚀等。而在湿润季节，这种影响则主要通过营养物质，尤其是氮和磷的输入实现。这表明，不同季节下，DOM的变化机制存在显著差异，需要分别进行分析和评估。同时，研究还发现，景观格局对DOM的组成和分布具有重要影响。景观破碎化程度越高，溶解有机碳（DOC）含量越低，而景观连通性和斑块聚集度则对类腐殖质DOM的含量产生正向影响。这进一步表明，土地利用对DOM的影响不仅局限于直接输入，还涉及间接调控，包括环境变量和营养物质的交互作用。

在不同水文条件下，DOM的来源和组成也会发生变化。例如，在洪水期，由于降水量增加，地表径流和土壤侵蚀增强，导致更多的陆地有机质进入水体，从而增加了类腐殖质DOM的含量。而在干旱期，由于水温升高，微生物活动增强，导致蛋白质类物质的含量增加。此外，水体中的营养物质含量也会对DOM的组成产生影响，例如高氮和高磷环境可能促进微生物活动，增加蛋白质类物质的比例；而更多的陆地输入则可能增加类腐殖质DOM的含量。因此，水体中的营养物质和环境变量不仅影响DOM的含量，还调控其化学结构和生态功能。

本研究通过PLS-PM方法，对干旱季节、湿润季节-洪水期和湿润季节-干旱期三个关键时期进行了分析。结果表明，土地利用对DOM的影响在不同季节中呈现出不同的主导机制。在干旱季节，直接影响更为显著，而在湿润季节，间接影响则更为突出。此外，研究还发现，不同土地利用类型对DOM的影响存在显著差异，例如农业、城市扩张和森林砍伐等人类活动可能导致土壤侵蚀和土壤有机质变化，从而影响水体中的DOM组成。同时，自然因素如水温变化、溶解氧水平等也会对水体环境产生影响，进而影响DOM的来源和转化过程。

通过比较不同空间尺度下的土地利用对DOM的影响，研究还构建了一个多尺度的分析框架。这不仅有助于理解DOM在不同尺度下的变化规律，还为流域水文管理提供了重要的参考。例如，河岸缓冲带在干旱季节和洪水期对DOM的影响最为显著，而流域内部则在所有三个季节中表现出最大的间接影响。这种空间尺度上的差异表明，不同区域的土地利用管理策略需要因地制宜，以实现对DOM的有效调控。

研究还发现，DOM的组成与水体中的营养物质和环境变量之间存在显著的正相关关系。例如，化学需氧量（COD）、氨氮（NH??-N）、总氮（TN）和总磷（TP）等指标与DOM中的类腐殖质物质和蛋白质类物质具有显著的正相关性，表明这些参数在一定程度上促进了某些DOM成分的形成或积累。因此，DOM的组成不仅受到土地利用类型的影响，还受到水体中营养物质和环境变量的综合调控。

在分析DOM变化机制时，研究还考虑了不同水文条件下的影响。例如，在洪水期，由于降水增加，地表径流和土壤侵蚀增强，导致更多的陆地有机质进入水体，从而增加了类腐殖质DOM的含量。而在干旱期，由于水温升高，微生物活动增强，导致蛋白质类物质的含量增加。此外，研究还发现，不同季节下，DOM的来源和组成存在显著差异，这进一步表明，水文条件对DOM的形成和转化具有重要影响。

通过综合分析，本研究揭示了土地利用对河流DOM的直接影响和间接影响在不同季节和水文条件下的变化规律。研究结果表明，土地利用对DOM的影响不仅局限于直接输入，还涉及间接调控，包括环境变量和营养物质的交互作用。因此，制定有效的水环境管理策略，需要综合考虑土地利用类型、水文条件和环境变量的影响，以实现对DOM的综合调控。

此外，研究还发现，不同土地利用类型对DOM的影响存在显著差异。例如，农业活动可能导致土壤侵蚀和土壤有机质的流失，从而影响水体中的DOM组成；而城市扩张可能增加营养物质的输入，促进DOM的形成和转化。这些发现表明，土地利用类型对DOM的影响是多方面的，需要根据不同区域的实际情况进行针对性分析。

本研究还采用了多种DOM分析方法，包括紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、三维荧光光谱（EEM）和傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR-MS）等。这些方法各有优劣，例如UV-Vis吸收光谱虽然广泛应用，但存在谱峰重叠的问题，限制了其在区分DOM来源方面的准确性。三维荧光光谱则能够提供丰富的荧光信号，有助于识别DOM的来源和组成，但其高维性和非线性特征增加了数据解释的难度。通过结合三维荧光光谱与平行因子分析（PARAFAC）方法，研究能够有效处理高维数据，实现对DOM成分的准确识别和量化。这种方法不仅提高了DOM分析的精度，还为理解DOM的来源和转化过程提供了新的视角。

综上所述，本研究通过PLS-PM方法，系统分析了人类活动对河流DOM特征的直接影响和间接影响，并揭示了不同季节和水文条件下的变化规律。研究结果表明，土地利用对DOM的影响不仅局限于直接输入，还涉及间接调控，包括环境变量和营养物质的交互作用。因此，制定有效的水环境管理策略，需要综合考虑土地利用类型、水文条件和环境变量的影响，以实现对DOM的综合调控。此外，研究还发现，景观格局、营养物质和环境变量对DOM的组成和分布具有重要影响，为流域水文管理提供了重要的科学依据。