微小的水位波动显著调节三峡水库支流港湾的气-水扩散甲烷通量

《Water Research》：Minor water-level fluctuations strongly modulate air–water diffusive CH 4 flux in a tributary bay of the Three Gorges Reservoir

　　

摘要

大型调控水库中水位小幅波动很常见，但其对支流港湾空气–水甲烷（CH₄）排放的影响尚不清楚。我们在三峡水库（TGR）年落库末期附近的泄水–蓄水–泄水序列（0.19–0.25 m d^?1）期间，对香溪河湾（XXB）进行了三次调查。溶解 CH₄（C_CH4）、δ¹³C–CH₄、环境变量、流速的垂直剖面与扩散 CH₄ 通量（F_CH4）的估算相结合。小幅波动并未改变 XXB 中F_CH4 从下游到上游的模式，但泄水期间（WLDP）的平均F_CH4达到 55.38μg m^?2 h^?1，是水位上升期间（WLRP；3.18μg m^?2 h^?1）的 17.4 倍，上游该比率达到 31.3。在 WLRP 期间，混合深度（D_m）从 2.80 增加到 13.07m，层化稳定性（R_h）从 8.07 降至 4.21 m^?1，C_CH4降至 WLDP 值的十二分之一。流场表明，在 WLDP 期间主干入侵在上游变浅，可能将富含 CH₄的底层水重新分配至湾上游表面。WLRP 期间的分层水交换将该水保留在深处，有利于稀释和氧化。表层 CH₄稳定碳同位素（δ¹³C-CH₄）特征负值较小，与氧化一致，尽管水体混合也可能有所贡献。层化稳定性（R_h）是F_CH4最一致预测因子；叶绿素 a（Chl.a）和总磷（TP）在 WLDP 期间提供了额外的预测信息。小幅波动可以在不改变其纵向模式的情况下，将扩散 CH₄ 通量改变超过一个数量级。大型河流水库的 CH₄ 预算应解决短暂的水位升降阶段。通过水位调节进行的缓解仍需测试波动幅度、速率和持续时间。

引言

水库是全球碳循环的活跃组成部分，甲烷（CH₄）排放因具有强烈的辐射强迫作用而特别与气候相关（Wang et al., 2024）。水位变化普遍存在，并与大坝运行固有地联系在一起。全球范围内，70-95% 的水库每年经历多次超过 0.5 米的水位变化（Harrison et al., 2017），水库的平均季节振幅（近 0.86 米）超过自然河流和湖泊（约 0.22 米）（Cooley et al., 2021）。这些运行变化影响 CH₄释放、氧化，最终影响空气 - 水 CH₄ 交换；但其影响在时空上有所不同。水位下降可降低沉积物 - 水界面的静水压力，增加沉积物 CH₄冒泡排放和扩散进入水柱（Deemer and Harrison, 2019; Maeck et al., 2014）。它还可以改变垂直混合强度和热层化稳定性，改变富含 CH₄底层水向表面的输送（Ueyama et al., 2023）。相反，水位上升加深混合层并削弱层化，增加 CH₄氧化所需的氧气可用性（Kankaala et al., 2006）。在季节到月尺度上，这些变化重组水库水动力和物理化学条件，从而改变溶解 CH₄ 分布和排放（Feng and Hu, 2023; Qin et al., 2022）。

水库调节必须平衡防洪、发电和生态需求。因此，运行周期通常分为高水位、落库、低水位和蓄水期（Yang et al., 2015），其中 CH₄动态可能显著不同。例如，在 XXB，溶解 CH₄浓度在落库期间最高（2.22μmol L^?1），在蓄水期间最低（0.06μmol L^?1）（Liu et al., 2024a）。然而，大型水库的年水位轨迹也包括短暂的小振幅变化，包括旨在满足下游环境需水需求和流量目标以及维持或恢复生态系统健康的“生态调度”（环境流量释放）。这些事件是否实质性改变空气–水 CH₄ 通量，以及其潜在过程是否类似于较长调节阶段的过程。月度或季节监测可能会遗漏短暂但强烈的排放脉冲，并导致水库 CH₄ 预算和缓解评估出现偏差。

水库 CH₄ 动态也反映了生产、运输和氧化之间的平衡（Guo et al., 2024）。水库 CH₄ 主要来源于厌氧有机物分解，其净积累取决于当地环境设置（Deemer et al., 2016; Li et al., 2016）。产甲烷作用通常随温度和活性有机物的可用性增加，而甲烷氧化消耗也响应温度和氧气供应（Barros et al., 2011; Duc et al., 2010; Lei et al., 2024; Yvon-Durocher et al., 2014）。因此，溶解氧、pH 值和电导率与 CH₄ 生产和氧化均相关（Liu et al., 2021; Liu et al., 2024b; Pajala et al., 2023）。富营养化可以通过提高初级生产力和有机物供应进一步加剧 CH₄ 排放（Beaulalie et al., 2019; Sepulveda-Jauregui et al., 2018）。稳定碳同位素提供了宝贵的过程约束：尽管生物来源之间的δ¹³C-CH₄ 范围重叠（Klintzsch et al., 2023），但当源和混合效应受到约束时，残余 CH₄ 中δ¹³C 的富集可以指示氧化（Whiticar, 1999）。改变混合和氧气暴露的运行变化可能影响 CH₄ 保留、氧化和释放之间的平衡（Ocko et al., 2021）。

TGR 结合防洪、发电、水分配和生态调度，在支流港湾产生小幅水位波动（Yang et al., 2015）。XXB 响应迅速，其水动力受长江主干入侵及其相关的混合和氧化变化影响。短暂水位上升和下降对扩散 CH₄ 变化的影响仍解析不足。我们假设小幅水位波动通过重组主干入侵和水柱混合，改变 CH₄ 积累、运输和氧化，从而改变空气–水扩散 CH₄ 通量。在跨越泄水–蓄水–泄水序列的 9 天内进行了三次密集调查。溶解 CH₄ 和物理化学变量的垂直剖面与扩散 CH₄ 通量估算、多元统计和随机森林分析相结合。本研究评估了支流港湾 CH₄ 交换的短期变异性及其对大型河流水库 CH₄ 预算的影响。

章节摘要

研究地点和采样策略

XXB 是三峡大坝（TGD）附近最大的支流（图 1a, b），主干长度 94 公里，总集水区面积约 3,099 km²（110°25′–111°06′E, 30°57′–31°34′N）（Ji et al., 2010）。TGR 蓄水后，从河口上游形成了一个 26–40 公里的回水区，称为 XXB，水深范围从 20 到 100 米（Liu et al., 2024a）。本研究专注于 XXB，在那里进行了密集垂直监测

水动力混合、物理化学性质和营养状态

由 ADV 衍生的纵向–垂直流场在 WLDP 和 WLRP 调查之间有所不同（图 2）。在 CJXX，D_mix 等于总水深，R_h 为 0.01–0.02 m^?1，表明长江主干全深度混合。在两次 WLDP 期间，湾流出集中在上层 0–15 米。尽管主干入侵发生在不同深度，但在这两种情况下，入侵均到达距湾口约 20 公里以外的河床，那里水深约 20–25 米，然后

小幅水位波动期间水动力对扩散 CH? 通量的调节

观察到的小幅水位波动并未改变 XXB 之前报告的持续下游–上游F_CH4增加模式（Liu et al., 2023），但 WLDP 和 WLRP 之间的通量大小差异显著。WLDP 期间的平均F_CH4为 55.38 μg m^?2 h^?1，是 WLRP 平均值 3.18 μg m^?2 h^?1的 17 倍，在上游河段（XX06-09）差异达到 31 倍（图 4，图 7）。这一结果表明，小幅水位波动可以对 CH₄施加显著控制

结论

在泄水 - 蓄水 - 泄水序列期间对 XXB 的密集监测表明，小幅水位波动改变了扩散甲烷交换，而未改变持续的从下游到上游的增加。WLDP 期间的平均空气 - 水 CH₄ 通量（F_CH4）（55.38 μg m^?2 h^?1）大约是 WLRP 平均值（3.18 μg m^?2 h^?1）的 17.4 倍，上游河段的差异达到 31.3 倍。WLRP 的特征是混合状态更深，C_CH4低约 12 倍，以及

CRediT 作者贡献声明

孟江淮: 写作 – 原始草稿，方法论，调查，形式分析，数据整理。 康满春: 写作 – 审查与编辑，方法论，形式分析，验证，资金获取，概念化。 萧尚彬: 审查，监督，形式分析，资金获取，概念化。 吉道斌: 审查，监督，形式分析，概念化。 杨正建: 方法论，调查，资金获取。 陈敏: 审查，监督，形式分析，

CRediT 作者贡献声明

孟江淮: 写作 – 原始草稿，方法论，调查，形式分析，数据整理。 康满春: 写作 – 审查与编辑，验证，方法论，资金获取，形式分析，概念化。 萧尚彬: 监督，资金获取，形式分析，概念化。 吉道斌: 监督，形式分析，概念化。 杨正建: 方法论，调查，资金获取。 陈敏: 监督，形式分析，概念化。 刘

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文报告的工作。

致谢

这项工作得到了长江中上游水库群运行对河流生态系统影响因子野外科学观测研究站开放基金（水利部，编号 2025SLBZ04）、三峡水库生态系统湖北省野外科学观测研究站开放基金（编号 2024YWZ05）、湖北省自然科学基金（批准号 Q20251211）以及

孟江淮 | 康满春 | 萧尚彬 | 吉道斌 | 杨正建 | 陈敏 | 刘家 | 李一旭

中国三峡大学水利水电与环境工程学院，中国宜昌 443002