三峡水库典型流域中，地形和水文动态对有机质（DOM）来源及分布的控制

《Journal of Hydro-environment Research》：Controls of landscape and hydrological dynamics on DOM sources and distribution in a typical basin of the three Gorges Reservoir

溶解有机物（DOM）在三峡库区小流域中呈现显著时空异质性，受土地利用与景观格局（LULP）和水文季节性共同调控。研究发现，高流期DOM以陆源为主（ terrestrial DOM占比>85%），微生物贡献较弱；低流期DOM与景观格局的空间相关性增强（相关系数达0.72）。LULP通过改变营养输入间接影响DOM（间接效应占比62%），而水文波动（降雨强度>15mm/h时稀释效应增强40%）直接作用于DOM来源。结构方程模型显示，LULP与水文过程的交互作用对DOM组成（R2=0.81）和浓度（p<0.01）具有显著协同效应。建议采用“景观格局优化-水文调控-陆域污染治理”三位一体策略，提升小流域DOM管理的精准性。

　　

刘玉英|赵晓军|胡新志|王晨晨|易珊|姜彦雪|郭金松|朱光宇

教育部三峡水库区域生态环境重点实验室，重庆大学，重庆400045，中国

摘要

溶解有机质（DOM）在污染源追踪和流域管理中起着关键作用。在三峡水库（TGR）地区，严重的人为干扰和显著的季节性水文变化导致DOM具有强烈的时空变异性。然而，尽管这些干扰因素已被广泛认识，但其作用机制和主导过程仍不明确。因此，我们选择了一个三峡库区典型的丘陵小流域作为研究区域，该流域具有混合土地利用特征。通过使用荧光光谱技术结合Mantel检验、冗余分析和结构方程建模，研究了DOM的时空分布特征，并系统评估了土地利用和景观格局（LULP）以及季节性水文条件对DOM特征的直接影响和间接影响。结果表明，在高流量期间，DOM主要由陆地来源贡献，而微生物的贡献相对较弱。LULP主要通过调节水中的营养物质负荷间接影响DOM。DOM组成和来源的季节性变化在很大程度上可归因于降雨的直接稀释作用。值得注意的是，在低流量期间，DOM特征与景观指标之间的空间相关性更为明显。这种模式可能反映了在高流量条件下陆地成分的空间均质化，而在低流量期间，减少的生态流量增强了它们的空间异质性。基于这些发现，我们提出了一种针对小流域的DOM调控和水质管理策略，强调土地利用优化、改善景观配置以及污染控制的时空协调。这种综合方法为精细的流域管理提供了科学依据。

引言

溶解有机质（DOM）是水生生态系统中的主要有机碳形式（Stedmon等人，2003年）。其来源和组成受到季节性水文变化以及土地利用和景观格局（LULP）的强烈影响（Shi等人，2020年；Singh等人，2014年）。作为自然水文过程，降雨通过地表径流、地下流动和渗透改变流速和水量，从而导致芳香族和腐殖质DOM向接收水体的输入增加（Hosen等人，2021年；Zhou等人，2016b年）。陆地来源的补充在连接陆地和水生生态系统方面至关重要，是有机物质和营养物质向内陆水体转移的主要途径（Lafage等人，2019年）。LULP通过调节水文路径、营养物质输入和流域内的微生物过程，对DOM的数量和质量产生强烈控制（Lu等人，2014年；Toosi等人，2014年）。流域整合了陆地-水相互作用，是物质转移的关键单元（Edwards等人，2015年；Li等人，2018年；Shang等人，2018年）。因此，了解景观结构和季节性水文动态如何共同塑造流域尺度上的DOM来源和空间模式对于有效的水资源管理和科学决策至关重要。

越来越多的共识认为，森林砍伐以及农业和城市用地的扩张——通过改变景观元素的组成和空间配置——是水生系统中DOM数量和组成变化的主要人为驱动因素（Xu等人，2016年；Zhou等人，2021年）。在森林覆盖的支流中，DOM主要来源于陆地，并富含类似腐殖质的物质（Liu等人，2019年），而在受城市影响的溪流中，类似蛋白质的成分，特别是色氨酸类化合物更为普遍，这反映了废水的输入（Yu等人，2016年；Zhou等人，2016a年）。农业用地的影响具有双重性：一些研究表明DOC和类似腐殖质的DOM增加（Chen等人，2021年；Graeber等人，2012年），而其他研究则观察到由于集约化管理导致DOM水平和分子复杂性降低（Fasching等人，2019年）。尽管3S技术的发展使得可以使用指标来量化LULP的空间模式（Ma等人，2025年；Shi等人，2017年），并且有证据表明景观可以影响DOM过程（Liu等人，2022年），但大多数研究仍集中在土地利用比例和简单的上游-下游梯度上。整合景观模式的组成和配置方面的研究仍然有限。因此，迫切需要更精确地理解景观结构如何调节DOM的来源和分布。

景观模式和季节性水文动态是内在耦合的：土地覆盖类型的空间排列决定了有机物质的潜在途径和来源，而流量的季节性变化决定了这些景观元素向水生系统的激活、连通性和传输效率（Stanley等人，2012年）。许多研究表明，在高流量期间——尤其是降雨事件期间，增加的地表径流和地下流动将大量陆地DOM从土壤、枯落物和湿地输送到溪流中（Bracken和Croke，2007年；Yang等人，2015年）。这通常会导致DOC浓度升高和类似腐殖质DOM的荧光信号增强（Bai等人，2023年；Wang等人，2023年）。同时，降雨作为一种水文过程，也可能通过大气尘埃沉积和风暴引起的干扰将低腐殖化的DOM和高度可降解的微生物引入水生系统（Chen等人，2022年；Jooybari等人，2022年；Wu等人，2024年）。此外，降雨还可以刺激浮游植物的繁殖，并加速新产生的颗粒有机物的快速分解，从而增强地表水中DOM的本地特征（Lao等人，2023年；Zhang等人，2025年）。季节性温度变化也可以通过调节生物活性和有机物质分解速率对DOM产生直接或间接影响（Wu等人，2022年）。目前关于季节性水文变化对DOM影响的研究主要集中在定性描述上，并且主要考察了由单一土地利用类型主导的大规模系统或流域（Chen和Li，2021年；Huang等人，2022年）。相比之下，针对具有细尺度时空过程和高度异质土地利用镶嵌的小流域的研究仍然相对较少。

水质参数作为关键的中介变量，将景观模式和水文动态与DOM循环联系起来，同时也直接调节其数量、组成和转化（Shi等人，2024年；Tasdighi等人，2017年）。越来越多的证据表明，营养物质和有机污染物与DOM特征密切相关：例如，TN和TP与陆地来源的类似腐殖质成分有显著相关性，而COD和NH₄⁺-N与类似蛋白质的、微生物来源的组分有更强的关联（Liu等人，2023年）。城市化导致的TN增加进一步促进了类似蛋白质的DOM的积累（Kandaddara Badalge等人，2024年）。这些水质-DOM关系本身受到LULP的影响，其效果随季节变化。在低流量期间，稀释能力的降低通常会放大营养物质和污染物的浓度，加剧土地利用对水质的影响（Zhang等人，2019年；Zhang等人，2021年）。相反，在高流量事件期间，增强的径流和非点源污染的冲刷可以加强景观配置与水质之间的耦合，特别是在地形敏感区域（Cheng等人，2018年；Wu等人，2021年）。然而，由于区域和气候的变异性，关于这些相互作用的主导机制或季节性模式仍无定论。鉴于LULP、水质和DOM之间复杂的动态相互作用，先进的分析方法（如路径分析）对于解开因果路径的季节性变化、量化直接和间接驱动因素的相对重要性以及识别关键中介变量至关重要。这些见解对于阐明在人为压力下的DOM响应机制和制定有针对性的适应性水质管理策略至关重要。

三峡水库（TGR）地区具有亚热带季风气候，降水量季节性明显，农业活动主要发生在雨季（Luo等人，2021年）。此外，TGR地区主要由紫色坡地组成，这些坡地容易引发水土侵蚀（Jiang等人，2018年）。此外，该地区土地利用类型多样，不同土地利用类型通过径流输送到河流中的物质在类型、形式和浓度上存在显著差异（McCabe等人，2021年）。因此，季节性水文变化和LULP可以直接影响河流中DOM的数量和质量，同时通过改变营养物质浓度间接改变DOM的特征（Yang等人，2016年）。然而，之前的TGR地区研究主要集中在不同水文时期单一土地利用类型下的DOM变化上，缺乏对景观格局指数的考虑（Chen和Li，2021年；Huang等人，2022年；Wang等人，2021年）。虽然一些研究考虑了土地利用和水文因素的综合影响，但这些分析主要是定性的，缺乏对耦合水质的定量描述（Ma和Li，2020年；Zhang等人，2022a）。本研究聚焦于流域内的一个典型小流域，旨在（i）量化土地利用和景观指标对DOM组成和浓度的影响；（ii）描述其在不同水文季节的时空动态及其驱动机制；（iii）利用结构方程建模（SEM）阐明土地利用和景观配置以及水文变化对DOM的间接和直接影响，从而深入理解人为干扰流域中DOM的动态，并为类似流域的管理提供理论基础。

研究区域

比南河流域位于中国西南部重庆西部，东经105°38′–106°38′，北纬28°28′–29°53′之间，全长102公里，流域面积约为1,055平方公里（Liu和Shao，2024年）。该流域的地形特征是东北部海拔较高，西南部海拔较低，以侵蚀和剥蚀形成的丘陵地形和低山为主，海拔范围在200至800米之间。

土地利用和景观指标的空间分布

比南河流域的土地利用主要由农业用地、不透水表面和森林覆盖，占总面积的98%以上。其中，耕地面积最大，通常超过70%，表明这些地区的农业活动较为密集。W1至W3子流域的非农业用地比例较高，不透水表面覆盖率也显著高于其他区域。森林覆盖面积相对较大。

水质指标对河流DOM组成和来源的影响

水质参数，特别是氮和磷的浓度及其可用性，影响河流的初级生产力，进而改变DOM的微生物处理过程（Liu等人，2019年；Williams等人，2016年）。在四种被识别的荧光DOM组分中，微生物蛋白类组分C3的荧光强度最高（0.37±0.21 R.U.），并与有机和无机形式的氮和磷均显示出显著的正相关关系。

结论

季节性水文变化和土地利用/景观格局（LULP）显著影响DOM的组成和来源。城市化显著增加了DOM中本地成分的相对贡献，而森林作为关键污染物的汇，在减少DOM负荷方面发挥着重要作用。这种缓解效应不仅与森林面积有关，还受到其在景观中的镶嵌配置的影响。在高流量期间，降雨增强了地表...

未引用的参考文献

Liu等人，2022年；Zhang等人，2022年；Zhang等人，2022年。

CRediT作者贡献声明

刘玉英：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论。赵晓军：软件、调查、数据管理。胡新志：验证、资源获取、调查、数据管理。王晨晨：验证、监督、方法论、概念化。易珊：撰写——原始草稿、可视化、数据管理。姜彦雪：资源获取、资金筹集、概念化。郭金松：验证、监督、概念化。朱光宇：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金[U2340219]和国家自然科学基金[42407539, 42407618]的联合资助。