流量调节能力决定了水库浮游植物群落的组成：阈值、机制及其影响

《Journal of Environmental Management》：Flow regulation capacity determines reservoir phytoplankton community assembly: threshold, mechanisms, and implications

　　

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  在10天的水力停留时间（HRT）阈值下，浮游植物群落的组成模式会发生变化。
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  区域物种库和随机性在HRT小于10天时影响浮游植物的组成。
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  当地生境过滤在HRT大于10天时对浮游植物的组成起决定性作用。
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  调整HRT可以平衡河流坝体建设中的生态系统韧性和工程效益。

引言

河流维持生物多样性并提供重要的生态系统服务（Willett等人，2014年；Lyu等人，2025年）。在河流生态系统中，浮游植物是食物网的基础，并在物质循环和能量流动中起着关键作用（Falkowski，2012年）。由于浮游植物对环境扰动反应迅速且敏感，它们被视为指示性生物。它们的群落组成动态反映了河流生态系统的状态（Song，2023年）。

全球对能源生产、洪水管理和淡水资源需求的增长加速了水坝的建设（Best，2019年），还有许多水坝正在规划或建设中（Gernaat等人，2017年；Bogaart，2023年）。水坝建设将自然流动的河流变成了由不同水力停留时间（HRT）组成的水库系列，这些时间从短停留期到长停留期不等（Chen等人，2020年）。这种扰动对河流群落造成了巨大的生态压力，引发了关于长期生态后果的担忧（He等人，2024年）。因此，了解浮游植物群落组成如何响应HRT对于评估河流筑坝的生态效应和制定适应性水库管理策略至关重要。

群落组成通常由两种互补的范式来解释（Gravel等人，2006年；Weiher等人，2011年）：中性理论和基于生态位的理论。中性理论强调由出生、死亡、扩散和物种形成驱动的随机过程（Martiny等人，2006年）；而基于生态位的理论则强调由环境条件和物种相互作用决定的确定性过程（Isabwe等人，2022年）。关于水库中浮游植物群落组成的现有研究得出了不一致的结论。一些研究将群落组成的主导作用归因于确定性过程，因为认为水坝建设会加剧当地环境的过滤（Forbes等人，2008年；Yin等人，2024年），而其他研究则认为这是由物理障碍造成的空间不对称的源-汇动态放大的随机过程（Sabater-Liesa等人，2018年；Skouroliakou等人，2022年）。这些不一致的发现可能是由于水库水文学的差异造成的，其中HRT是一个最具综合性的描述符，因为它同时反映了水的储存和流速，从而将水文变化与浮游植物生长所需的时间、生物相互作用以及它们暴露在当地环境过滤器中的情况联系起来（Ambrosetti等人，2003年）。先前报道的HRT基准范围从限制藻类爆发的<3天到足够的浮游植物积累所需的约14天不等（Kawara等人，1998年；Yang等人，2022年）。然而，随机和确定性组成之间的平衡是否随HRT梯度的变化而呈非线性变化尚未解决。因此，我们假设存在一个HRT阈值，标志着浮游植物群落组成中随机性和确定性主导作用之间的可检测转变（H₁）。

群落组成涉及物种子集从区域物种库扩散到当地生境，在那里它们逐渐建立种群并随时间适应当地条件（Stegen等人，2013年；Riddley等人，2025年）。在整个过程中，群落需要特定的形成时间才能成功建立，这在不同的停留时间梯度上有不同的响应（Philippot等人，2021年）。较短的停留时间有利于从区域物种库迁入，但也使某些迁入者面临更高的被冲刷损失的风险，如果它们无法完成建立所需的数量代数（Mueller和Lennon，2025年）。相反，随着停留时间的增加，一旦不同类群定殖在本地生境中，作用于群落的非生物和生物过滤器会增强，这可能由于资源限制而加剧种内竞争，或者促进局部适应（Mueller和Lennon，2025年）。这些HRT的差异可能影响浮游植物群落组成的每个阶段，从区域迁入到当地建立（Zhao等人，2022年）。因此，我们假设区域物种库与当地生境在浮游植物群落组成中的相对重要性随HRT的变化而变化（H₂）。

基于这些前提，本研究旨在确定与水库中浮游植物群落组成转变相关的HRT阈值，阐明这一转变背后的机制，并评估其生态意义。通过实现这些目标，本研究可以加深我们对河流筑坝生态效应的理解，并为可持续的水库管理提供实际指导。

章节片段

研究区域

澜沧河（LCR，湄公河上游）和金沙江（JSR，长江上游）发源于青藏高原，流经中国西南部（图1a）。LCR长2161公里，其在中国境内的流域面积约为167,500平方公里。JSR长3481公里，流域面积约为473,200平方公里。这两条河流具有相似的地形和生态特征，包括山谷景观、土壤类型和植被覆盖（Ma等人，2023年）。它们都是

浮游植物群落组成与HRT之间的关系

LCR和JSR中的水库中的浮游植物群落结构相似。两条河流共有83种物种，而在LCR中记录了124种，在JSR中记录了132种。硅藻门、绿藻门和蓝藻门是优势类群，合计占物种总数的近90%（详细描述见文本S1）。两条河流中的MST（最小生成时间）模式也相似，其特征是MST > 0.5的频率较高。在LCR中，11个

讨论

本研究的结果揭示了MST与HRT之间的非线性关系，这与浮游植物群落组成模式的明显转变相吻合：MST在较短的HRT下大于0.5，在较长的HRT下小于0.5（图2）。HRT-MST关系斜率的快速变化表明存在一个转折点，可以解释为一个生态阈值（Hanusch等人，2022年）。这种阈值行为反映了水库处于一个中间位置

结论

本研究通过确定一个一致的10天HRT阈值来阐明水库中浮游植物群落组成与HRT之间的关系，在这个阈值之上和之下，群落组成的机制发生了变化。通过研究区域物种库和当地生境的相对作用，我们证明了这一阈值反映了不同的组成过程。在10天HRT阈值以下，群落组成主要受到区域物种库和随机过程的影响；而在阈值以上，则受到当地生境的影响

CRediT作者贡献声明

唐玉萌：写作 - 审稿与编辑，原始草稿的撰写，可视化，方法论，数据分析，概念化。乔如霞：写作 - 审稿与编辑，验证，数据管理。陈秋雯：写作 - 审稿与编辑，监督，资源获取，概念化。张建云：写作 - 审稿与编辑，项目管理。张霞：写作 - 审稿与编辑，调查。冯涛：写作 - 审稿与编辑，调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（编号2023YFC3205902）、国家自然科学基金（U2340220、U25A20359）以及中国长江电力有限公司的科学研究项目（Z242302052）的支持。

唐玉萌|乔如霞|陈秋雯|张建云|张霞|冯涛|燕兴成|何树峰|夏军