梯级筑坝增强光合有机质生产与溶解有机碳输运的耦合机制

针对梯级筑坝对河流溶解有机质(DOM)输运与转化过程的影响机制不清这一科学问题，研究人员以乌江梯级水库为研究对象，整合水化学参数、双碳同位素(δ13 C和Δ14 C)与结构方程模型(SEM)，揭示热分层期生物碳泵(BCP)效应驱动自生有机质生产，导致DOC通量从上游(1,076±142 t yr?1 )至下游骤增17倍(18,476±667 t yr?1 )，为全球水库碳预算提供关键数据支撑。

　　

在全球河流大规模筑坝的背景下，水文连通性的改变深刻影响着碳循环过程。尽管已有研究关注单一水库的碳动态，但梯级筑坝对溶解有机质(DOM)的多级联效应仍如迷雾重重。喀斯特地区因其独特的高溶解无机碳(DIC)环境，使得生物碳泵(BCP)效应尤为显著，而乌江流域作为中国西南喀斯特核心区，其梯级水库系统为破解这一谜题提供了天然实验室。

为揭示梯级水库中有机碳的动态规律，贵州大学等机构的研究人员Dengming He、Wanfa Wang等综合运用水化学分析、光学特性测定、双碳同位素(δ¹³
C和Δ¹⁴
C)示踪及结构方程模型(SEM)，系统研究了乌江主流梯级水库的DOM输运规律。研究发现发表于《Water Research》，首次量化了梯级筑坝对DOC通量的级联放大效应。

关键技术方法包括：基于热分层期(TSP)与垂直混合期(VMP)的水体分层采样；通过叶绿素a浓度(8.0±8.5 vs 1.0±0.7 μg L^?1
)和δ¹³
C_DIC
富集值验证BCP强度；结合SEM分析(-0.679, p<0.001)解析DIC对BCP的主导作用；通过上下游DOC通量对比(1,076→18,476 t yr^?1
)评估水文调控影响。

【研究结果】

1. 水化学时空分布特征
   热分层期(TSP)表层水体表现出显著的生物活动信号：叶绿素a浓度较混合期提升8倍，DOC浓度增加44%(1.3±0.5 vs 0.9±0.1 mg L^?1
   )，同时伴随DIC消耗(29.0→26.5 mg L^?1
   )和营养盐同化(硝酸盐3.2→2.7 mg L^?1
   )。同位素证据显示Δ¹⁴
   C_POC
   的现代碳特征，证实光合作用主导有机质生产。

2. 不同喀斯特水库DOC来源与转化
   水力滞留时间(HRT)延长促进浮游植物增殖，光限制解除使自生有机质(AOC)贡献率提升至67%。DIC作为关键底物，通过BCP效应驱动δ¹³
   C_DOC
   值偏负(-28.1‰至-25.3‰)，而微生物降解导致剩余DOC的δ¹³
   C值正向偏移达1.8‰。

3. DOC通量分布调控因素
   SEM分析揭示DIC浓度是BCP强度的首要调控因子(r=-0.679)。梯级效应使DOC通量呈指数增长，下游洪家渡水库因HRT延长(87天)导致DOC输出通量达上游的17倍，凸显水文管理的级联放大效应。

【结论与意义】
该研究首次阐明喀斯特梯级水库中BCP-DIC-DOC的三角耦合机制：热分层期光合作用将大量DIC转化为DOC，而梯级筑坝通过延长HRT形成"接力式"放大效应。这一发现修正了传统认知——水库通常被视为碳汇，但在特定水文条件下可转变为碳源通道。随着全球水库建设加速，该成果为精准核算碳收支提供了关键参数，尤其对喀斯特地区"岩溶碳汇"的再评估具有启示意义。研究提出的BCP强度量化模型，为优化水库调度以平衡生态效益与碳管理目标提供了科学依据。