多重干扰河流中碳循环、能量通量与汞动态：径流式水电站（ROR）的累积影响研究

《Limnology and Oceanography》：Carbon recycling, energy flux, and mercury dynamics along a river affected by multiple disturbances

小型水电站，例如径流式水电站（run-of-river dams, RORs），日益被推广为低影响可再生能源，但其对汞（mercury, Hg）循环的干扰在影响评估中仍未得到充分评价。近期研究表明，ROR的影响可能被低估，因为在蓄水后观察到鱼类中汞的瞬时增加，而森林火灾和伐木等同时发生的干扰可能进一步改变碳和汞通量。本研究调查了ROR（分别于1959年和2008年蓄水）、森林火灾（2010年）和伐木（至2020年）如何影响加拿大魁北克省一条受调控河流中的汞动态。2023年夏季，研究人员在六个河流区段进行了采样，这些区段代表了自然和人为干扰的不同组合。在结合水坝和流域干扰的区段中，次级消费者（大型无脊椎动物）体内的甲基汞（methylmercury, MeHg）浓度最高达参考区段的2.3倍，而单一干扰区段仅为1.5倍。尽管2018年至2023年间，受水坝和火灾影响的区段鱼类MeHg下降了34%，但水坝下游的鲤科鱼类污染程度仍比未建坝区段高2倍。鱼类MeHg与贫化的碳同位素（δ¹³C）值密切相关（R²_marginal = 0.72），这与分解过程有关。在包含端元的模型中，氢同位素（δ²H）值有助于解释MeHg的变异性，表明对本地碳源的依赖有助于持续的MeHg生物累积，特别是在外源输入发生时。这些发现表明，当与流域干扰相结合时，ROR可能增强生态汞影响。在气候变化情景下，森林火灾预计将增加，改进的灵活规划（例如伐木管理）将至关重要。

径流式水电站（run-of-river dam, ROR）因涉及极少或没有蓄水而被认为比大型水库系统对环境影响更低，但近期证据表明，即使小面积淹没区也可能改变汞（mercury, Hg）和有机质（organic matter, OM）循环，并为甲基汞（methylmercury, MeHg）的产生提供有利的生物地球化学条件。森林火灾和伐木等流域干扰可增强OM-Hg复合物的迁移，增加汞向水生态系统的输入，并刺激本地自养初级生产。然而，这些干扰的协同效应在受调控河流中如何塑造汞动态仍不清楚。为此，研究人员在加拿大魁北克省圣莫里斯河上游开展研究，该河段包含三个ROR（蓄水年份分别为1959年和2008年）以及2010年森林火灾、2020年伐木等干扰历史，并设有一个由人工渠道构成的湿地（constructed wetland, CC）。研究目的是比较不同干扰组合下河流区段的环境条件、汞在食物网中的累积模式，并利用碳、氮、氢稳定同位素评估碳循环与MeHg生物累积的关联。

研究人员于2023年8月对六个河段（参考NSM；仅火灾WEM；人工湿地CC；火灾+大坝CA；伐木+大坝RDC；仅老坝BEA）进行采样，每个河段设三个位点。采集水样、沉积物、周丛生物、大型水生植物、落叶碎屑、大型无脊椎动物（初级和次级消费者）及小型鲤科鱼类，并整合2018年历史数据。使用多参数水质仪测定pH、溶解氧、叶绿素a；采用冷蒸气原子荧光光谱法（CVAFS）分析总汞（THg）和MeHg；用元素分析-同位素比质谱测定δ¹³C和δ¹⁵N，高温裂解-IRMS测定δ²H；通过荧光光谱和PARAFAC模型评估溶解有机质组成。统计分析采用主成分分析（PCA）、线性混合效应模型（LMM）和广义线性混合效应模型（GLMM）。

**各河段水体生物地球化学差异**：通过PCA和DOM组分分析发现，多干扰河段（CA和RDC）水体营养盐、CO₂、CH₄和MeHg富集，而参考和单一干扰河段含氧较高、DOC和THg较高。人工湿地CC表现出高CO₂、CH₄、TP、TN和Chla，且DOM以微生物来源为主。

**河流各河段生物累积格局的变化**：初级消费者MeHg沿河无显著差异；次级消费者中，CA河段MeHg最高，可达参考河段的2.3倍，WEM和RDC约为参考的1.5倍；鱼类MeHg在CA和BEA约为参考的2倍，RDC为1.7倍。鱼类与周丛生物、大型无脊椎动物MeHg呈正相关。

**δ¹³C与环境及生物变量的关系**：溶解CO₂浓度与δ¹³C-CO₂呈负相关，溶解氧与δ¹³C-CO₂正相关；鱼类δ¹³C与δ¹³C-CO₂正相关。鱼类MeHg与δ¹³C呈强负相关（R²_marginal=0.72），δ¹³C贫化与高MeHg相关。CC河段因环境特殊被排除，其δ¹³C极度贫化但鱼类MeHg较低。

**河流甲基汞的时间趋势（2018年对比2023年）**：整合2018和2023年数据，δ¹³C-MeHg关系在各河段保持稳定，年份无显著交互作用。CA河段鱼类MeHg在2023年较2018年显著下降34%（预测值从560 ng/g dw降至390 ng/g dw），其他河段无显著年际变化。

**使用氘（δ²H）作为有机物来源示踪剂的多同位素分析**：全局模型中δ¹⁵N、δ¹³C和δ²H均显著解释MeHg变化，其中δ¹⁵N正效应最强，δ¹³C和δ²H负效应；端元模型中δ²H是最强的解释变量；消费者模型中仅δ¹⁵N和δ¹³C显著，δ²H不显著。预测值与实测值拟合良好。

讨论指出，多重干扰河段中环境条件有利于MeHg产生和生物累积，水坝相关的生物地球化学改变是鱼类MeHg的主要驱动因素，而流域干扰主要影响食物网底部的MeHg动态。碳处理过程，特别是微生物呼吸和OM降解，通过产生贫化的δ¹³C-CO₂并传递至鱼类，与MeHg累积密切相关。δ²H证据表明本地自养源是MeHg进入食物网的关键途径，但前提是有外源输入。人工湿地CC虽有有利于甲基化的环境，但由于缺乏外源汞输入，MeHg污染仍低。构建的概念模型强调，有利环境条件和汞可用性必须同时具备才会导致生物累积。研究结论为：这些发现表明，当与流域干扰相结合时，ROR可能增强生态汞影响；在气候变化导致森林火灾预计增加的背景下，改进的灵活规划（例如伐木管理）至关重要。