水库水位波动驱动富营养化的非经典HWP通路：基于三峡水库十年逐日监测的新认识

《Water Resources Research》：How Water Level Fluctuations Impact Reservoir Eutrophication: New Insights From Decade-Long Daily Monitoring in a Mega-Reservoir

　　

水库为人类福祉提供供水、清洁能源等多种功能。然而，水库建设常因水文条件改变而引发富营养化，构成全球性重大环境挑战。水动力调控是控制水库富营养化的有效措施，但现有认识主要基于水动力—水质—浮游植物（hydrodynamics-water quality-phytoplankton，HWP）通路。该通路也是广泛使用的水动力模型（如CE-QUAL-W2和Delft3D）模拟富营养化过程的基础。尽管应用广泛，经典HWP通路之外影响浮游植物的机制与通路仍鲜有探索。为填补这一空白，研究人员采用经验动态建模（empirical dynamic modeling）与贝叶斯网络（Bayesian network），基于三峡水库（Three Gorges Reservoir，TGR）10年连续逐日数据，构建因果网络以阐明水位波动如何影响浮游植物动态。研究结果表明，水位波动通过经典HWP通路影响水温（water temperature，WT）、浊度（turbidity，Turb）和氮浓度，进而影响浮游植物生物量。更重要的是，结果提示可能存在一条经由下行控制（top-down control）、最可能由浮游动物牧食（zooplankton predation）驱动的非HWP通路。该通路对浮游植物生物量的影响强于经典HWP通路，表明水位波动影响水库富营养化的一个重要机制此前被忽视。上述发现拓展了对水动力影响浮游植物的认识，凸显了非经典HWP通路在决定富营养化中的重要性，为水库管理及更稳健水动力模型的开发提供了新见解。

研究背景方面，水库是全球重要的水资源与清洁能源载体，全球约70%的河流已被筑坝，水库贡献30%–40%的灌溉用水并占全球电力16%以上；但筑坝改变天然水流与营养循环，易引发富营养化与浮游植物水华，削弱生态系统服务价值。氮、磷长期被视为富营养化关键因子，但氮削减是否必要仍存争议。水动力调控日益受到重视，其经典机制为HWP通路，即水动力通过改变营养盐输运、混合与滞留时间影响水质，进而间接影响浮游植物群落，该通路构成CE-QUAL-W2与Delft3D等模型的模拟基础。然而，已有证据显示水动力对浮游植物的影响超出该经典通路，如河口研究表明水动力扰动可直接改变浮游动物—浮游植物相互作用，而现有模型多以固定系数表征该作用，难以刻画水动力扰动的完整效应。传统线性或非线性回归难以确立因果关系，因相关不等于因果，且存在"幻象相关"（mirage correlation）。经验动态建模可克服上述局限。此外，水质作为影响富营养化的因素已较明确，而水位波动的作用仍认识不足。为此，研究人员利用三峡水库香溪河湾（Xiangxi Bay）独特长期逐日数据集，旨在：识别水位波动、水温、浊度、氮、磷是否为浮游植物动态的因果驱动因子并量化因果强度；绘制各因子共同影响浮游植物动态的因果网络；评估经典HWP通路是否为水位波动影响水库富营养化的主要机制；若非如此，推断水位波动影响富营养化与水华的替代通路。

研究结论方面，研究人员利用三峡水库10年连续逐日数据，揭示溶解无机氮（dissolved inorganic nitrogen，DIN）与磷酸盐磷（phosphate-phosphorus，PO₄P）均显著影响浮游植物生物量动态；水位波动可影响水温、浊度与DIN，从而经经典HWP通路影响浮游植物生物量；更重要的是，研究提示存在一条最可能由浮游动物牧食驱动的非HWP通路，且该通路对浮游植物生物量动态的影响强于经典HWP通路。上述发现深化了对水位波动驱动水库生态系统富营养化与水华机制的理解，为改进水库富营养化管理策略与构建更全面的水动力模型提供了有价值见解。

关键技术方法方面，研究以三峡水库香溪河湾长期监测站2009—2018年连续逐日现场观测数据为基础，水温与浊度由多参数水质仪（YSI 6600 EDS）原位测定，水样每日采集用于氮、磷与叶绿素a（Chla）分析，水位逐日记录由中国长江三峡集团有限公司提供，并以采样前24小时水位变化量（ΔWL）量化水动力扰动强度。分析上采用收敛交叉映射（convergent cross mapping，CCM）识别因果联系，以500个季节替代序列控制假阳性，滞后设为0—7天以确定最优时滞，嵌入维数（E）由假最近邻算法确定；进而构建贝叶斯网络量化因果通路强度，并以路径系数乘积表征通路强度；另用S-map算法开展情景分析，以驱动因子5%标准差的小幅变化预测Chla变化。

研究结果方面：（1）Chla长期逐日动态：全期Chla为0.05—136.65 μg/L，均值11.08 ± 0.29 μg/L，呈明显年季变化，峰值多出现在春夏；广义相加模型显示2009—2018年Chla略呈下降趋势，水华（Chla ≥ 15 μg/L）天数由2009年136天降至2016年53天、2017年68天，而极端水华（Chla ≥ 48.9 μg/L）天数呈倒U型，2013年最多（36天）。（2）水质变化与水位波动：DIN为0.077—3.765 mg/L，均值1.478 mg/L，2009—2017年略升；PO₄P为0.005—0.446 mg/L，均值0.088 mg/L，2009—2016年渐升后下降；水温10.87—34.00 °C，浊度0.00—152.92 NTU；水位呈明显季节循环，汛期（6—8月）约145 m，枯季（10—2月）约175 m。（3）因果网络分析：CCM显示所选水质变量与ΔWL均与浮游植物生物量动态存在显著（p < 0.05）因果关系，其中DIN影响最重要；ΔWL对水温、浊度与DIN有显著因果效应，对PO₄P无显著效应（ρ = 0.013）。贝叶斯网络显示ΔWL经HWP通路（水温、浊度、DIN）作用于Chla的总标准化强度为0.47，弱于经其他通路的效应，表明ΔWL对Chla的影响以非HWP通路为主。情景分析表明，降低DIN或PO₄P浓度在水华期与非水华期均可有效降低浮游植物生物量；增大水位波动显著（p < 0.05）缓解浮游植物生物量，但该效应仅见于水华期。

讨论部分总结：研究人员确认经典HWP通路存在，即水位上升带入高氮水体、水位下降引入低氮水体，从而改变香溪河湾DIN浓度并影响浮游植物动态；但HWP通路仅解释ΔWL对Chla总效应的约47%，其余53%未由所分析通路解释，可能反映混合强度、水文扰动、沉积物再悬浮、滞留时间、稀释效应与营养相互作用等未测过程，其中部分效应可能已部分通过所测理化变量表达。稀释效应证据有限：ΔWL对PO₄P效应弱且不显著（ρ = 0.013），远小于对Chla的效应（ρ = 0.190）。结合生态学理论与已有证据，研究人员推测浮游动物牧食可能是该53%未解释效应的重要贡献者，但明确指出非HWP通路及其机制未经直接观测或实验验证，系基于长期监测数据数学关系并受生态学原理引导的推断，应视为下行调控潜在重要性的证据而非直接证明。研究据此提出由浮游动物捕食驱动的非HWP通路以拓展概念框架，并指出该通路在CE-QUAL-W2与Delft3D等模型中多被忽视。管理启示包括：需重新评估依赖经典HWP通路的水动力模型评估结果，如既有CE-QUAL-W2研究报道仅水位上升可有效控制水华，而本研究显示水位上升与下降均可有效缓解水华；同时应纳入氮磷双控策略，因研究区非固氮蓝藻占优，氮磷富集均可显著增加浮游植物生物量。研究结论译文：本研究利用三峡水库10年连续逐日数据集，探讨营养盐与水位波动如何影响水库生态系统富营养化。结果表明，DIN与PO₄P均显著（p < 0.05）影响浮游植物生物量动态，水位波动可影响水温、浊度与DIN，从而经经典HWP通路影响浮游植物生物量。更重要的是，研究提示存在一条可能由浮游动物捕食驱动的非HWP通路，据此水位波动影响浮游植物生物量，该通路有别于广泛认可的HWP通路。值得注意的是，非HWP通路对浮游植物生物量动态的影响强于经典HWP通路。上述发现深化了对水位波动驱动水库生态系统富营养化与水华机制的理解，为改进水库富营养化管理策略与开发更全面的水动力模型提供了有价值见解。