大坝调控与气候对黄河年代际尺度颗粒有机碳动态的交互影响

《Global and Planetary Change》：Interplay of dam regulation and climate on Yellow River Decadal-Scale particulate organic carbon dynamics

　　河流将大量陆地颗粒有机碳（POC）从陆地输送到海洋，影响着长期碳储存和大气CO?水平。在人类世，大规模大坝建设深刻改变了河流水文和泥沙输送，但其对河流碳输出的影响仍未得到充分约束。本文通过整合多时期POC通量记录与重建，并结合碳同位素和木质素生物标志物对源组成的约束，研究了1980年代至2020年代黄河的POC输送。1980年代，季节性POC向海洋的输出主要受自然季风降雨控制，峰值输出出现在7月至9月。自2000年代以来，小浪底大坝的运行使汛期POC通量从423千吨/月降至106千吨/月，并将POC输出压缩为7月与水沙调控方案（WSRS）相关的显著脉冲。小浪底大坝实施的不同WSRS阶段对POC来源和输送具有明显调控作用，其中调水阶段主要动员粗粒级沉积物（16–32 μm），随后调沙阶段则增强了来自表层土壤和深层土壤的细粒沉积物（8–16 μm）的输出。在年际尺度上，调沙年份的年度POC通量约为非调沙年份的一个数量级，同时深层土壤来源POC的贡献从12%增加到26%。总体而言，这些结果揭示了黄河向海洋的POC输出从历史上气候主导的机制向日益受大坝调控的机制发生了深刻重组。这一转变表明，密集的河流调控如何从根本上重组陆地-海洋连续体上的陆地碳转移，突显了人类活动对河流碳输出和全球碳循环日益增长的影响。

引言

河流是全球碳循环的关键组成部分，每年将约1.7亿至2亿吨（Mt）颗粒有机碳（POC）从大陆输送到海洋（Ludwig等，1996；Galy等，2015）。这种陆地-海洋横向碳转移构成了地球陆地有机碳的主要再分配，调节着陆地、海洋和大气之间的碳交换（Bianchi和Allison，2009；Bauer等，2013；Regnier等，2022）。通过动员和输送来自土壤和植被的有机碳，河流将陆地生产力、侵蚀过程和海洋碳埋藏连接起来，从而在长时间尺度上调节大气CO?（Galy等，2015；Zondervan等，2023；Dean等，2025；Zheng等，2025）。因此，约束河流POC输出的量级和组成对于解决陆地-海洋碳转移及其对全球碳预算的贡献至关重要（Bianchi，2011；Marwick等，2015；Canuel和Hardison，2016）。

然而，近几十年来，河流系统的水文状况和碳路径已被人类活动深刻改变（Regnier等，2022；Syvitski等，2022）。大规模大坝建设显著改变了河流水动力学、泥沙负荷和有机碳输送（Best，2018；Bianchi等，2024；Maavara等，2017，Maavara等，2020）。同时，气候驱动的降水和径流变化强烈影响着流域内的侵蚀强度、泥沙动员和陆地碳供应（Eglinton等，2021；Hilton，2017；Syvitski等，2022）。自然和人为强迫之间的相互作用可以从根本上重组向沿海海域输出的河流POC的量级和组成，使得河流碳转移在持续全球变化下日益非平稳（Regnier等，2022；Syvitski等，2022；Bianchi等，2024）。

来自全球主要河流系统的越来越多的证据表明，大坝建设对泥沙和碳输送具有深远影响。在长江，三峡大坝的建设大幅减少了泥沙和陆地POC通量，同时增加了下游自生POC的相对贡献（Wu等，2015；Lyu等，2023）。在密西西比河，河流工程、大坝建设和土地利用变化改变了从河流系统到大陆架的有机碳输送，不同的陆地碳组分表现出不同的输送路径（Bianchi等，2002；Duan和Bianchi，2006；Allison等，2007；Bianchi等，2007a）。在其他大坝高度调控的世界大河中也报道了类似的泥沙连通性和碳输送重组，如尼罗河、科罗拉多河、湄公河和黄河，突显了大坝建设对河流泥沙和碳循环的普遍影响（Sadaoui等，2018；Stackpoole等，2014；Zhao等，2017；Lu等，2022；Herut等，2023；Bianchi等，2024；Wu等，2024）。然而，大多数现有研究集中在建坝后相对较短的观测记录时期，很少有研究考察从自然到大坝调控过渡期间POC输送机制的长期演变（Regnier等，2022；Liu等，2024）。这限制了我们在不同时间尺度上确定大坝调控如何逐步重塑河流POC的量级、来源和输送路径，以及区分这些人为影响与同期气候变率的能力（Regnier等，2013；Maavara等，2020）。解决这些问题对于理解全球大坝建设的扩张如何重塑陆地-海洋碳转移以及大河流在全球碳循环中的作用至关重要（Regnier等，2022；Bianchi等，2024）。

黄河为应对这一挑战提供了独特的系统，因为它在世界大河中因人类活动而在泥沙状况方面经历了显著变化（Wang等，2006，Wang等，2007，Wang等，2016）。黄河历史上是全球含沙量最高的河流之一，每年向边缘海输出高达1080 Mt的泥沙和4.5 Mt的POC（Milliman和Syvitski，1992；Cauwet和Mackenzie，1993）。然而，自20世纪中叶以来，黄河流域大规模的大坝建设和水土保持实践显著减少了侵蚀和下游泥沙输送（Wang等，2007；Lu等，2022；Wang等，2016，Wang等，2025）。值得注意的是，2000年代初启动的退耕还林工程将黄土高原大面积农田转变为森林和草地，大幅减少了土壤侵蚀和向河流系统的泥沙输送（Fu等，2017；Huang等，2026）。此外，小浪底大坝自1999年运行以来截留了大量泥沙，显著减少了下游POC通量（Xia等，2016；Qu等，2020；Lu等，2024；Wu等，2026；Xue等，2017；Yu等，2019a）。叠加在这一长期泥沙截留之上，小浪底水库每年实施的水沙调控方案（WSRS）产生了人为高流量事件，重新动员储存在下游河道中的泥沙，可能改变了向下游输送的POC的数量和组成（Wang等，2017；Lu等，2022）。同时，年代际气候变率，如厄尔尼诺-南方涛动（ENSO），可能影响流域内的降水和径流，并改变侵蚀过程和陆地POC供应（Wang等，2006；Wang等，2007；Wu等，2015；Lu等，2024）。因此，黄河经历了从自然富沙河流到高度人类调控系统的深刻转变，为解决POC输出和源组成对强化人类调控的长期响应提供了独特机会。

以往对黄河的研究主要表征了1999年小浪底大坝运行以来的POC通量和来源（例如，Lu等，2022，Lu等，2023，Lu等，2024；Tao等，2015，Tao等，2018；Qu等，2020；Ke等，2024；Xue等，2017；Yu等，2019a）。然而，从自然到大坝调控过渡期间POC输出和来源的长期演变仍未得到很好解决。这一知识差距限制了我们在大坝建设如何改变POC输出以及这些变化是否伴随着POC来源的系统性转变方面的能力。本文整合了1980年代至2020年代的碳、水文和气候数据的年代际至月度记录，以重建和分析自然期和大坝调控期的POC输出。我们进一步将月度POC通量估计与汛期逐日观测的粒径分辨POC通量和来源相结合，涵盖大坝调控和非调控事件。这种多时间尺度框架使我们能够识别在对比水文条件下大坝调控如何改变POC输送和来源。通过将POC输出的长期轨迹与季节性和事件尺度POC输送过程联系起来，本研究揭示了大坝诱导的水文重组如何重塑河流碳输出的量级和组成。更广泛地说，我们的结果为人类世中高强度人类活动如何重塑大河系统的碳循环提供了新的理论视角和基于过程的理解。这些发现为改进陆地-海洋碳通量的量化和完善全球变化下碳转移的地球系统尺度表征建立了关键约束和启示。

章节片段

研究区域

黄河流域属于温带季风气候，冬季寒冷干燥，夏季温暖湿润。由于季风气候，大部分年降水量发生在汛期（7月至10月），这促进了中游黄土高原的强烈土壤侵蚀（图1b）（Wang等，2007）。黄土高原的强烈土壤侵蚀为黄河提供了约90%的河流泥沙负荷。相比之下，下游河段接受

POC输出机制的季节性变化

在小浪底大坝运行之前，1980–1999年重建的月度POC记录揭示了明显的季节性输出机制，其特征是7月至10月汛期宽阔的夏季最大值（图2a）。POC通量在7月增至约330千吨/月（1千吨=1×103吨），并在8月达到约660千吨/月的峰值，比非汛期（约30千吨/月）高约一个数量级。总体而言，约87%的年POC输出发生在汛期，

大坝调控对POC来源和输送季节格局的影响

在小浪底大坝调控之前，黄河向海洋的POC来源和输送的季节格局主要受气候驱动的水文和侵蚀过程影响，大坝诱导的干扰极小。在东亚季风影响下，加强的夏季降水从黄土高原动员了大量泥沙和POC，显著增加了向海洋的陆地POC通量（Tao等，2018；Qu等，2020；Bi等，2026）。

结论

本研究系统地阐明了黄河中POC来源和输送的多时间尺度时空格局，并揭示了气候变率和人类活动的耦合调控作用。我们的结果表明，自21世纪初以来，黄河POC输送的主要控制已从主要气候驱动过程转变为大坝调控机制。

在年际尺度上，大坝调控对

CRediT作者贡献声明

Changrong Yang：写作——初稿，正式分析，数据管理。Taian Lu：写作——审阅与编辑，可视化。Thomas S. Bianchi：写作——审阅与编辑，验证。Prakhin Assavapanuvat：写作——审阅与编辑，验证。Yuanxin Qu：调查研究。Naishuang Bi：调查研究。Xiao Wu：调查研究。Houjie Wang：写作——审阅与编辑，资金获取。

未引用参考文献

Hao和Lu，2021
Miao等，2016

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能影响本论文报告的工作。

致谢

我们衷心感谢中国科学院地球环境研究所的金章东博士提供黄河流域的维管植物和岩心样品。我们感谢胡利民博士、王楠博士和曹亚丽博士的技术和实验室协助。我们还感谢高建华博士、王成龙博士和邹欣庆博士在木质素实验方面的宝贵支持。本工作得到国家自然科学基金（编号：42330407，Changrong Yang|Taian Lu|Thomas S. Bianchi|Prakhin Assavapanuvat|Yuanxin Qu|Naishuang Bi|Xiao Wu|Houjie Wang

中国海洋大学海洋地球科学学院，海底科学与探测技术重点实验室，青岛 266100，中国