《Hydrological Sciences Journal》：Assessing climate change risks to dissolved organic carbon concentrations in drinking water sources using a catchment sensitivity approach
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本综述创新性地提出流域敏感性分类法，通过分析苏格兰127个水源地总有机碳（TOC）与气候参数的相关性，将流域划分为五类敏感性类型。研究结合UKCP18气候预测（2041–2060），识别出东南部等高风险区域，为应对水源“褐化”（browning）、降低消毒副产物（DBPs）形成风险及优化水处理投资提供了科学依据。该方法为理解气候变化下溶解性有机碳（DOC）动态及制定适应性管理策略提供了新框架。
引言
近几十年来，北半球河流中溶解性有机碳（DOC）浓度普遍上升，这一伴随水体着色加深的“褐化”（browning）现象已成为水资源管理的重要挑战。DOC不仅影响水体感官性状，更会在饮用水消毒过程中形成具有遗传毒性、细胞毒性等健康风险的消毒副产物（DBPs），如三卤甲烷（THMs）和卤乙酸（HAAs）。苏格兰作为典型中高纬度地区，其以高地集水区为主的饮用水源在20世纪末至21世纪初有机碳浓度翻倍，且持续上升趋势明显，许多水源地原水色度中值已超过用户端标准，对水处理工艺构成压力。
DOC浓度变化受多重因素驱动，包括气候变化（温度、水文改变）、酸沉降恢复、土地利用（如泥炭地排水）及降水离子强度下降等，且这些驱动因子的相对重要性随空间、时间而异。未来，随着酸沉降影响减弱，气候变化的主导作用预计将更加凸显。因此，理解不同气候驱动因子与DOC生产和输出的关系，对预测未来水质变化、指导水处理设施投资及流域适应性管理至关重要。
研究方法
本研究利用苏格兰水务公司（Scottish Water）2013–2016年间从127个河流、水库和湖泊水源地采集的10,731个原水样本，以总有机碳（TOC）作为DOC的替代指标。通过斯皮尔曼秩相关分析，探讨了TOC浓度与采样前3日（短期降雨，反映短期湿润度）、60日降雨量（长期降雨，反映流域总体湿润度）及60日平均气温（反映土壤温度）的相关性，并按季节（冬、春、夏、秋）进行分析。
基于相关性分析结果（斯皮尔曼rho > 0.4且p < 0.05视为显著），研究将流域划分为五个敏感性类别：
- 1.
温度主导型（Temperature）：TOC浓度与60日平均气温显著正相关。
- 2.
降雨主导型（Rainfall）：TOC浓度与3日前期降雨量显著正相关。
- 3.
降雨+温度型（Rainfall+Temperature）：TOC浓度同时与3日前期降雨量和60日平均气温显著正相关。
- 4.
长期降雨型（Long Rainfall）：TOC浓度与60日前期降雨量显著正相关。
- 5.
无显著相关型（No Correlation）：未观察到与上述气候变量的显著正相关。
研究进一步结合流域特征数据（如地形、土壤有机碳含量、土地利用、年均积温AAT、夏季有效降雨SER等），通过主成分分析（PCA）和冗余分析（RDA）探究各类别流域的特征差异，并利用UKCP18气候预测数据（2041–2060）评估未来气候变化（如AAT升高、SER减少）对各类流域DOC浓度的潜在风险。
结果与讨论
流域敏感性分类与特征
127个流域被归类如下：温度主导型（18个）、降雨主导型（18个）、降雨+温度型（22个）、长期降雨型（49个）、无显著相关型（20个）。PCA分析显示，不同类别的流域在气候变量相关性上形成可辨别的簇，证实了分类的合理性。
各类别流域呈现出鲜明的特征差异：
- •
温度主导型：多为西部沿海流域，以水库/湖泊为主，土壤有机碳含量高，半自然土地覆盖比例大，气候湿润。TOC浓度中值较高，但变异性低。推测其常年湿润，水文连通性好，DOC产生和输出较为稳定，温度升高直接促进有机质分解释放DOC。湖泊/水库的缓冲作用可能削弱其对暴雨事件的响应。
- •
降雨+温度型：与温度主导型类似，但以河流水源为主，地形起伏更大（高程 relief ratio较高）。TOC浓度同时受温度和短期降雨影响，变异性高于温度主导型。陡峭地形导致径流响应快，暴雨事件易引发DOC浓度峰值。
- •
降雨主导型：主要为河流流域，土壤有机碳库较小，地形较陡。TOC浓度中值较低但变异性最大，显著受短期降雨驱动。表明其DOC输出主要由暴雨事件冲刷引起。
- •
长期降雨型：数量最多，类型多样。TOC浓度与长期（60日）降雨量相关，常见于降雨量相对较少、农业利用较集中的区域。其DOC输出模式可能反映季节性干湿循环：夏季DOC在土壤中积累，秋季流域变湿后集中输出。
- •
无显著相关型：多为较干燥、平坦、有机碳库较小的流域，但TOC浓度中值不低。其缺乏显著相关性可能由于缓冲效应、内在过程（如水体自身DOC生产）或所选气候指标不匹配其敏感周期所致。
未来气候风险与适应性管理启示
基于各类流域的敏感性特征，结合UKCP18预测的AAT升高和SER减少趋势，研究评估了未来风险：
- •
温度升高风险：可能直接提升温度主导型流域的DOC基线浓度。对降雨+温度型流域，温度升高同样会促进DOC生产。
- •
夏季降雨减少风险：可能导致更多流域经历土壤干燥期，使DOC在土壤中积累。后续的暴雨事件可能引发更强烈的DOC冲刷，显著增加降雨主导型和降雨+温度型（尤其是河流水源）流域的TOC浓度变异性及峰值风险。长期降雨型流域可能因干旱加剧土壤扰动和侵蚀风险。温度主导型流域若湿润度下降，其稳定输出模式也可能被打破，变异性增加。
- •
高风险区域识别：风险制图显示，苏格兰东南部流域因未来SER显著减少而面临较高的DOC浓度上升风险；西部一些流域则主要受AAT升高的影响。这些当前可能并非DOC浓度最高的区域，未来风险却可能显著增加。
结论
本研究通过统计分类方法，成功构建了苏格兰饮用水源流域对气候变化导致DOC浓度变化的敏感性框架。该框架强调了不同流域因气候驱动、水文路径、土壤特性和水体类型差异而呈现的异质性响应。研究指出，不能仅依据当前DOC浓度水平判断未来风险，需重点关注那些对关键气候指标（如AAT, SER）变化敏感的流域。流域敏感性分类及风险制图有助于水资源管理者识别高风险区域，优先开展针对性监测、深入研究和适应性管理（如泥炭地保护恢复、改善土地管理以减少地表径流等），从而提升整个供水系统对未来气候变化的韧性。此分类框架也为在更广区域尺度上理解和比较流域DOC动态提供了有益工具。未来的研究需结合更精细的流域特征、水体过程监测与模型，以深化对机制的理解和预测的准确性。
