梯级筑坝亚热带河流连续体中溶解态碳浓度与输出的季节分异：以中国资江为例

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Seasonal divergence in dissolved-carbon concentration and export along a cascade-dammed subtropical river continuum: A case study of the Zijiang River, China

　　

摘要专业翻译 河流在全球碳循环中发挥着至关重要的作用，通过将碳从陆地生态系统输送到下游湖泊、河口和海洋。溶解有机碳（dissolved organic carbon, DOC）和溶解无机碳（dissolved inorganic carbon, DIC）是溶解态碳库的两个主要组成部分。DOC主要来源于土壤有机质淋溶、凋落物分解和水生初级生产，而DIC主要来源于岩石风化、土壤CO2输入和有机质矿化。在下游输送过程中，这两个碳库持续受到微生物降解、矿化、初级生产和气体交换的改造。因此，河流不仅是碳输送的通道，也是调节碳形态和通量的生物地球化学反应器。河流筑坝已成为这些过程日益重要的人为干扰因素，因为水库改变了水动力条件、延长了水停留时间并破坏了纵向连通性，从而改变了沿河流连续体的溶解态碳浓度和来源组成。 水库调度对溶解态碳的影响具有强烈的季节依赖性。在高流量期，增强的流域连通性可增加陆地有机碳的输送并促进DOC富集，而快速的水体更新可能限制DIC的积累。在低流量条件下，较长的停留时间有利于溶质滞留、有机质矿化和CO2积累，从而增加DIC的相对重要性。然而，在梯级系统中，这些季节响应如何通过连续的水库河段演变，以及水文强迫和反复的水坝调度如何共同塑造DOC和DIC的来源、浓度、同位素组成和下游输送，仍未得到充分解析。 梯级筑坝可进一步破坏河流环境的纵向连续性，并形成一系列空间上不同的生物地球化学环境。在此类条件下，仅靠浓度测量往往不足以区分外部碳供应的变化与河流内部加工过程。稳定碳同位素为溶解态碳的来源和转化提供了补充信息。δ13C-DOC有助于约束陆地有机质、自生生产和微生物改造的贡献，而δ13C-DIC则可提供碳酸盐风化、土壤CO2输入和有机质矿化的信息。将同位素证据与源解析、纵向水化学和统计分析相结合，为评估季节性水文和反复的水库调度如何与梯级河流连续体中溶解态碳的变异性相关联提供了手段。 中国南方的资江流域为填补这一空白提供了合适的案例，因其具有季风气候、显著的年内水文变异性以及干流上密集的梯级筑坝特征。在本研究中，研究人员在洪季和非洪季进行了纵向采样，并测量了DOC、DIC、δ13C-DOC和δ13C-DIC以及水文和水化学变量，以考察梯级筑坝下的空间分异、来源演化和碳加工过程。研究人员结合了MixSIAR模型、贝叶斯分析、结构方程模型（structural equation modelling, SEM）和基于长期季节分层径流的计算，以区分浓度模式与水文条件制约的输出。研究人员检验了以下假设：（1）DOC和DIC浓度呈现季节反转；（2）梯级筑坝通过水环境和离子途径与溶解态碳浓度及同位素组成的变化相关联；（3）浓度反转转化为DOC和DIC输出中对比鲜明的季节贡献。

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一、研究背景与科学问题

河流在全球碳循环中扮演着关键角色，承担着将陆地生态系统碳输送到下游湖泊、河口和海洋的重要功能。溶解有机碳（DOC）和溶解无机碳（DIC）是河流溶解态碳库的两个核心组成部分，前者主要来源于土壤有机质淋溶、凋落物分解和水生初级生产，后者则主要产生于岩石风化、土壤CO₂输入和有机质矿化过程。在河流向下游输送的过程中，这两个碳库持续受到微生物降解、矿化、初级生产和气体交换等过程的改造，使河流不仅充当碳输送的通道，更成为调节碳形态和通量的生物地球化学反应器。

河流筑坝已成为影响上述过程的重要人为干扰因素。水库通过改变水动力条件、延长水停留时间、破坏纵向连通性，从而改变沿河流连续体的溶解态碳浓度和来源组成。已有研究表明，水库调度对溶解态碳的影响具有强烈的季节依赖性：高流量期增强的流域连通性可增加陆地有机碳输送并促进DOC富集，而低流量条件下较长的停留时间则有利于溶质滞留、有机质矿化和CO₂积累，从而增加DIC的相对重要性。然而，在梯级水库系统中，这些季节响应如何通过连续的水库河段逐步演变，以及水文强迫和反复的水坝调度如何共同塑造DOC和DIC的来源、浓度、同位素组成和下游输送，仍未得到充分解析。仅凭浓度测量难以区分外部碳供应变化与河流内部加工过程，而稳定碳同位素（δ¹³C-DOC和δ¹³C-DIC）可提供关于碳来源和转化过程的补充信息。

中国南方的资江流域是研究上述问题的理想案例。该流域具有典型的亚热带季风气候、显著的年内水文变异性和干流上密集的梯级筑坝特征。本研究选取资江干流上的四个梯级水库——孔雀滩（KQT）、筱溪（XX）、柘溪（ZX）和白竹洲（BZZ）作为研究对象，通过洪季和非洪季的纵向采样，系统考察梯级筑坝条件下溶解态碳的空间分异、来源演化和碳加工过程。

二、研究内容与主要结论

研究人员在资江干流上设置了27个纵向采样点（M1–M27），并在四个梯级水库的上下游各增设一个采样点，共计35个采样点，于2023年8月（洪季）和2024年1月（非洪季）开展了两次季节性采样，共获得70个站点-季节观测数据。研究测量了DOC、DIC浓度及其稳定碳同位素组成（δ¹³C-DOC和δ¹³C-DIC），同时记录了水温、pH、溶解氧、浊度、氧化还原电位、电导率、总溶解固体、荧光溶解有机质和叶绿素a等水环境参数。研究还采集了流域内的植物和土壤样品用于碳氮比和碳同位素分析，并整合了四个水文站20个完整水文年（2005/06–2024/25）的日径流数据用于条件化碳输出计算。

研究得出以下主要结论：资江干流DOC和DIC浓度呈现显著的季节反转模式，洪季DOC浓度（2.43±2.50 mg L^-1）显著高于非洪季（1.02±0.31 mg L^-1），而DIC浓度则相反，非洪季（13.23±3.79 mg L^-1）显著高于洪季（6.56±2.58 mg L^-1）。这一浓度反转并未导致统一的季节性输出最大值：2023/24水文年洪季DOC输出占年度DOC输出的63.7%（冷水江站）和77.7%（益阳站），而非洪季DIC输出占年度DIC输出的69.6%和57.9%。梯级筑坝与溶解态碳浓度和同位素组成的显著变化相关，水库影响河段（D2–D5）的DOC和DIC浓度普遍高于上游参照河段（D1），且δ¹³C-DOC和δ¹³C-DIC在洪季均显著高于D1。结构方程模型进一步揭示，梯级筑坝通过水环境途径（正效应0.19，p<0.05）和离子途径（正效应0.50，p<0.001）正向关联DOC，通过离子途径（正效应0.51，p<0.001）正向关联DIC。季节对DOC（总标准化系数0.706）和DIC（?0.547）表现出相反的关联方向。

三、主要技术方法

本研究采用了多项关键分析技术：利用MixSIAR贝叶斯混合模型，以δ¹³C-DOC和碳氮比（C:N）为示踪剂，估算植物、土壤、污水和浮游生物四种潜在来源对DOC的相对贡献；采用两端元同位素质量平衡模型估算碳酸盐风化和土壤CO₂对DIC的贡献比例；使用Scheirer–Ray–Hare非参数双因素方差分析检验季节、位置及其交互效应；运用贝叶斯高斯回归模型量化环境预测因子与溶解态碳变量的标准化关联；采用偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）评估梯级筑坝和季节对溶解态碳的直接和间接路径系数；基于季节分层径流数据计算条件化碳输出。样本来源为资江流域2023年8月和2024年1月的两次野外采样，共35个采样点、70个站点-季节观测。

四、研究结果

4.1 水体理化性质

总碳（TC）、总氮（TN）、荧光溶解有机质（fDOM）、电导率（EC）和总溶解固体（TDS）均随季节或梯级位置显著变化（p<0.05）。溶解氧（DO）和水温（WT）在不同位置间无显著差异，但均表现出显著的季节变化。叶绿素a在不同梯级位置间差异显著，但无显著季节效应。TN、氧化还原电位（ORP）、C:N和N/P检测到显著的季节×位置交互效应。

4.2 溶解态碳浓度与水文条件化输出

DOC浓度在洪季显著高于非洪季，而DIC浓度在非洪季显著高于洪季，呈现明显的季节反转。基于季节特定浓度和日径流记录的条件化计算显示，2023/24年冷水江站DOC输出为9348 t C yr^-1，益阳站为21,381 t C yr^-1，洪季分别贡献63.7%和77.7%；DIC输出分别为55,698和98,060 t C yr^-1，非洪季分别贡献69.6%和57.9%。

4.3 溶解态碳同位素空间分布

洪季δ¹³C-DOC从D2到D4逐渐富集，随后向下游趋于贫化；δ¹³C-DIC呈现相似的整体模式，但向¹³C贫化的转变发生在更早的D3位置。非洪季δ¹³C-DIC随河道海拔降低而逐渐趋于负值，而δ¹³C-DOC无显著纵向趋势。

4.4 梯级水坝碳转化过程

洪季D3位置样品主要集中于生物生产/CO₂逸散（BP/OG）象限，D2、D4和D5位置样品分布于BP/OG和方解石沉淀（CP）两个象限；非洪季所有梯级位置样品均集中于有机碳降解（DC）象限，位置间差异明显减小。

4.5 溶解态碳来源与环境关联

MixSIAR模型显示浮游生物相关DOC在D1（67.89%）、D2（64.42%）和D3（69.07%）具有最大后验均值，土壤相关DOC在D4（50.47%）具有最大均值，D5呈现浮游生物（44.51%）和土壤（38.90%）混合贡献。DIC源解析显示碳酸盐贡献在D1–D5分别为59.65%、57.72%、60.38%、59.05%和56.93%，从D3起向下游递减。方差分解分析显示非洪季环境变量对DOC（96.22%）、DIC（92.81%）和δ¹³C-DIC（66.16%）的解释率高于洪季。贝叶斯回归模型R2值分别为DOC 0.711、DIC 0.885、δ¹³C-DOC 0.380和δ¹³C-DIC 0.376。

4.6 梯级筑坝效应与调控路径

固定效应回归显示梯级筑坝指数与δ¹³C-DIC呈负相关，与δ¹³C-DOC、DOC和DIC呈正相关。Welch t检验表明洪季水库影响河段DOC（t=?2.81，p=0.013）和δ¹³C-DOC（t=?3.98，p<0.001）显著高于D1。PLS-SEM显示季节对水环境的路径系数为0.91（DOC模块）和0.83（DIC模块），梯级筑坝对离子条件的路径系数分别为0.50和0.51，水环境对DOC的正路径系数为0.76，离子条件对DIC的正路径系数为0.59。

五、讨论与结论

讨论部分指出，资江干流最显著的模式是DOC和DIC浓度的季节分异，洪季DOC浓度高出138.24%，非洪季DIC浓度高出101.68%，这与水文季节性作为溶解态碳形态的主要相关因素一致。洪季径流增强和横向连通性增加可能促进土壤和凋落物来源有机碳的输送，而DOC与总磷的正相关也支持碳和营养盐的耦合横向输送。非洪季较低的径流量和较长的水停留时间有利于与地下水、土壤CO₂输入、碳酸盐缓冲和河流内矿化相关的DIC积累。季节浓度最大值与输出最大值不一致，表明存在碳输出时间的季节性重组。同位素证据揭示了沿梯级连续体的来源转移和碳加工过程，洪季δ¹³C-DOC在中游富集后在下游贫化，δ¹³C-DIC从D3到D5趋于贫化，与土壤呼吸CO₂和矿化有机碳贡献增加一致。四源模型显示纵向DOC变异更适合用端元间的再分配来描述，而非统一的土壤主导。结构方程模型证实梯级筑坝通过水环境和离子途径与DOC和DIC浓度正相关，季节对DOC和DIC表现出相反的关联方向。研究结论表明，梯级筑坝与下游碳来源和加工过程的转变相伴随，水文季节性与水库调度的交互作用共同塑造了亚热带梯级筑坝河流连续体中溶解态碳的浓度模式和输出时序。