由级联式低坝形成的水库-河流系统中溶解有机物质化学的时空变化：以中国西南部为例

《Journal of Environmental Sciences》：Spatiotemporal variations in dissolved organic matter chemistry in reservoir-river continuums formed by cascade low-head dams: A case study in southwest China

DOM时空分布及碳循环机制研究在梯级低坝流域取得新进展。通过Xixi River流域的水库-河流连续体系统，结合光学光谱与FT-ICR MS分子解析技术，揭示了低坝梯级组合对DOM源分异（ terrestrial DOM占比达32.7%）及分子特征（洪水期芳香性物质升高9.5%）的调控规律，证实水文周期通过改变DOM赋存形态影响碳封存效率。

　　

张芳杰|董磊|王龙飞|吴伟杰|李毅|林莉

中国湖北省流域水资源与生态环境科学重点实验室，长江科学院流域水环境研究部，武汉430010

摘要

水坝会影响流域内的水文模型，并调节溶解有机质（DOM）的质量和数量。尽管许多研究记录了大型水坝下DOM的动态变化，但在由串联低坝形成的小流域中，DOM在水库-河流连续体中的时空变化及其控制机制仍知之甚少。为填补这一知识空白，我们以中国西南部的西溪河为例，研究了受串联低坝影响的水库-河流连续体中DOM化学成分的时空变化。研究结果表明，河流区域的陆地DOM浓度明显较高，而自源性和人为来源的DOM含量则较低。从上游到下游，水库与河流区域之间DOM的来源和组成差异逐渐减小。此外，水文季节显著影响了DOM的分子特性：洪水季节采集的水样中陆地DOM的含量比非洪水季节高9.5%，表现出更强的腐殖化和芳香性。沉积物DOM的分子组成与地表水也有显著差异，沉积物中CHOS公式的平均相对丰度（32.70%）明显高于地表水（7.82%）。本研究揭示了典型串联低坝形成的水库-河流连续体内水和沉积物DOM的时空变化，为深入理解小流域中DOM的生物地球化学循环提供了科学依据。

引言

近几十年来，全球范围内水坝的建设急剧增加。地球上超过一半的河流流域（约59%）受到了水坝和流量调节的影响（Grill等人，2015年；Wang等人，2019年）。通过蓄水，这些水坝导致了河流破碎化、水文变化和沉积作用，进而影响了下游的水文化学和有机物的传输（Moussa，2019年；Ulseth和Hall Jr，2015年）。因此，从上游到下游，水力停留时间、流速、营养物质水平、悬浮颗粒含量、光照可用性和沉积过程等方面存在显著差异。这些变化可能会扰乱生物地球化学循环，例如水的碳循环（Mor等人，2018年；Yang等人，2020年；Wang等人，2021a）。溶解有机质（DOM）是全球最大的活性碳库之一，对养分循环、微生物群落结构和碳储存具有重要影响，且受到水坝的显著影响（Evans等人，2017年；Stedmon等人，2003年）。许多DOM化合物，如富含羧基的非环状分子（CRAMS），不仅具有显著的环境稳定性，还能捕获水中的颗粒物质，这些颗粒物质随后会沉积在沉积物中（Pang等人，2021年）。因此，深入理解水坝建设对DOM转化的影响对于分析强烈人为干扰下的全球碳循环具有重要意义。

现有研究主要集中在水坝引起的水文变化对DOM的影响上。Wang等人（2021b）研究了水库管理引发的水文变化影响DOM分子组成的可能途径。DOM的空间变化主要由排水过程中主流水流入支流形成的水文梯度驱动。对于沉积物DOM而言，水库调节和储存引起的沉积物运动和微生物组成对有机碳的埋藏有深远影响（Cole等人，2007年）。与水中的DOM部分不同，沉积物DOM的质量受到沉积物中微生物过程的显著影响，这些微生物过程将复杂的有机物质分解为简单化合物，释放能量，并产生提高DOM降解性和生物可利用性的气体（Middelburg等人，1993年）。此外，Wang等人（2023）发现水坝建设会增加有机碳的埋藏量，从而增加二氧化碳排放并改变河流的碳循环。据估计，全球每年有约26 Tg的有机碳被储存在水库中。然而，由于这些水库的建立和管理，到2030年，每年埋藏的有机碳量将增加到52 Tg，自1970年以来增加了四倍（Maavara等人，2017年）。

已有许多研究集中在大型水坝（高度>15米）对DOM化学变化的影响上，但这些结构仅占所有河流屏障的不到1%（Wang等人，2023年；Wang等人，2019年）。相比之下，关于低坝（高度<2米）如何影响受调节河流中DOM的化学多样性的知识仍然有限。本研究的重要性在于填补这一关键知识空白，这对于准确评估世界上最普遍的河流屏障的生态影响及其在全球碳循环中的作用至关重要。低坝的普遍存在严重破坏了河流连通性，使得受影响的河道长度比大型水坝多出280%-380%（Morden等人，2022年）。Kibler和Tullos（2013）认为，低坝对水文变化的影响比大型水坝更为显著。现有研究表明，河流中的串联低坝会导致沉积物淤积和流速减慢，这可能导致DOM的循环方式从快速循环转变为缓慢循环，从而影响DOM的化学多样性（Fencl等人，2017年）。因此，研究串联低坝引起的水文变化对DOM化学的影响是值得的。

除了串联低坝对水文条件的影响外，水文季节还会影响水流流入、水位和水生环境的化学性质，可能限制流域内DOM的来源和转化途径。在中国的长江中，温暖潮湿的季节里，温度升高和营养物质输入促进了浮游植物的生长和微生物活动，释放出更多的新鲜DOM成分（Li等人，2023年）。尽管流域面积较小，但小流域在全球生态系统中也起着重要作用。小流域不仅是地表径流和地下水补给的主要来源，还在水质调节（例如通过河岸过滤氮和重金属等污染物）、沉积物传输（例如在自然屏障或低坝后捕获颗粒有机碳）以及生态系统健康（例如支持对DOM组成敏感的大型无脊椎动物多样性）方面发挥着关键作用。目前，关于小流域中DOM化学对水文季节响应的研究仍然较少。

在本研究中，我们以中国四川省的西溪河为例，研究了一个由串联低坝形成的典型水库-河流区域。本研究为该研究领域提供了三个关键进展：首先，它关注了在小型流域中广泛存在但被忽视的串联低坝，这些低坝与大型水坝形成的系统不同；其次，它结合了光学光谱和傅里叶变换回旋共振质谱仪（FT-ICR MS）技术，在分子尺度上表征了水和沉积物中的DOM；最后，它首次揭示了沿串联连续体在水库和河流段之间DOM组成的纵向变化，为了解低坝的累积影响提供了新的见解。本研究的目的在于：（i）揭示水库-河流连续体中水和沉积物中DOM的特征和来源；（ii）解析DOM在时空分布影响下的差异；（iii）揭示DOM与水库-河流连续体中碳循环之间的联系。我们的发现加深了对串联低坝系统中DOM分子尺度动态的理解，为可持续的流域管理提供了信息，并突出了与大型水坝系统不同的累积影响。

研究流域、水和沉积物采样及水文数据

西溪河流域位于中国106°29′E–106°39′E和30°45′N–30°27′N之间，是渠江右岸的一级支流，全长65.4公里，整个流域面积为360.4平方公里。西溪河上游被蓄水形成麒麟水库，然后流经一系列水库（分别为回龙水库和全民水库），最终重新注入渠江。西溪河属于亚热带湿润气候。

水和沉积物样品的化学特性

西溪河从上游到下游的化学参数差异很大（附录A 表S1）。洪水季节采集的水样中NO₃-N、NO₂-N、NH₃-N和TN的浓度分别为0.14-0.55、0.03-0.32、0.10-0.27和0.56-1.24 mg/L，而沉积物样品中的浓度分别为0.04-2.09、0.03-0.93、6.18-29.68和131.54-988.13 mg/kg。非洪水季节采集的水样中的浓度...

西溪河中DOM的来源

根据Stedmon和Markager（2005）的方法，分析了研究区域内的DOM来源（如人为来源、外来来源和自源性来源）（Stedmon和Markager，2005）。HIX（0.84）和BIX（0.92）的平均值用于评估DOM的腐殖化程度和自养生产力，表明DOM来源于外来和自源性物质的共同作用（Hansen等人，2016）。通常，内陆水域中的DOM主要来源于陆地输入...

结论

本研究提供了全面的证据，表明串联低坝对小流域内水库-河流连续体中DOM的时空变化有显著影响。水库和河流区域之间DOM的光学和分子特性存在显著差异，河流区域表现出更高的陆地特征，而水库中含有更多的自源性和人为来源的DOM。一个关键发现是DOM来源的差异...

作者贡献声明

张芳杰：概念构思、方法论、数据分析、初稿撰写、审稿与编辑。董磊：监督、方法论、审稿与编辑。王龙飞：监督、审稿与编辑。吴伟杰：方法论。李毅：监督、项目管理、资金筹集。林莉：监督、项目管理、资金筹集。

未引用的参考文献

Dittmar等人，2008

CRediT作者贡献声明

张芳杰：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论。董磊：监督、方法论。王龙飞：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论。吴伟杰：方法论。李毅：监督。林莉：监督、资金筹集。

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

本工作得到了国家重点研发计划（编号2022YFC3204001）、水利青年人才发展支持项目（资助编号JHQB202218）、湖北省自然科学杰出青年学者项目（编号2023AFA056）以及国家级公益性科研机构基础科研业务项目（编号CKSF2024287/SH和CKSF2022253/SH）的支持。