《Water Research》：Reduced nutrient trapping efficiency yet amplified downstream N:P ratio elevation in worldwide cascade reservoirs compared to single reservoirs
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•梯级水库的滞留率低于单一水库（p < 0.001）。•梯级水库使出水氮磷比升高4倍于单一水库（68% vs. 16%）。•梯级水库中总氮滞留效率的下降比总磷更为显著。•忽略梯级水库效应会高估截留作用并低估氮磷比的升高幅度。•梯级水库运行规模扩大将使未来河流磷限制问题加
• 梯级水库的滞留率低于单一水库（p < 0.001）。
• 梯级水库使出水氮磷比升高4倍于单一水库（68% vs. 16%）。
• 梯级水库中总氮滞留效率的下降比总磷更为显著。
• 忽略梯级水库效应会高估截留作用并低估氮磷比的升高幅度。
• 梯级水库运行规模扩大将使未来河流磷限制问题加剧。
引言 大坝及其后方形成的水库满足了人类的多种需求：到2015年，全球水库提供了约30–40%的灌溉用水，并通过水电贡献了全球总发电量的16.6%（Maavara等人，2020b）。然而，这些收益伴随着深远的生态代价。河流筑坝分割了河流网络并截断了沿河的营养物质输送（Chalise等人，2021；Grill等人，2019；Liu等人，2022b；Yan等人，2022）。在水库中长期滞留期间，磷（P）和氮（N）通过多种物理、化学和生物过程的综合作用被去除或截留（Liu等人，2026；Van Cappellen和Maavara，2016），使水库成为河流营养物质输送的关键调节器。在全球河流携带的总营养负荷中，水库估计去除了约7.4%的总氮（TN）和12%的总磷（TP）（Akbarzadeh等人，2019；Maavara等人，2015）。然而，这些估计是基于单一独立水库的假设得出的，忽略了间距较近的梯级水库之间的相互作用。一个广泛存在但常被忽视的转变是，曾经稀疏分布的水库越来越多地被一个或多个邻近水库所包围。与主要接受上游流域输入的单一水库不同，这些水库形成了间距较近、首尾相连的梯级水库系统（CRSs），其中上游水库直接排放的尾水及其中物质会改变下游水库营养物质处理的物理和生物条件（Ruhi等人，2022）。然而，全球河流网络中梯级水库的普遍存在是否以及如何影响其营养物质处理和下游输出仍然未知。
在梯级水库系统最上游水库中长期滞留期间，河流携带的营养物质总负荷和物种组成预计将发生显著改变。例如，沉积物和颗粒结合态营养物质被优先截留，通常导致输送到下游水库的颗粒态营养物质负荷减少（Okuku等人，2018）。同时，水文稳定期内的温度分层促进水库深层的缺氧和还原条件，驱动底泥中溶解态营养物质（如铵态氮和可溶性反应性磷）通过再动员和解吸附进行内源释放（Chen等人，2024）。此外，初级生产力增强促进营养物质的生物同化，增加有机氮和有机磷的比例（Buchan等人，2014）。上游水库中的这些过程预计将使输出的氮磷通量向越来越多依赖较难去除的生物过程（如微生物反硝化、生物同化和沉积）进行消除的形式转变（Saunders和Kalff，2001；S?ndergaard等人，2003），从而减缓下游水库中营养物质的整体消除速率。
虽然已有几项研究表征了水库中磷和氮的截留情况（Ding等人，2019；Schilling等人，2023），但很少有研究考察在梯级水库系统中紧密相连的上游水库如何影响下游水库的营养物质截留。即使在聚焦于梯级水库的研究中（Bao等人，2025；Rodríguez-Cardona等人，2025；Zhao等人，2024），关注点也主要停留在单个水库的截留效率上，对上下游相互作用如何重塑整条河流的营养物质输送关注有限。此外，这些研究大多局限于少数局部系统，难以提供可泛化的大范围规律。关键的是，虽然单一水库中TP相对于TN的优先截留已被一致观察到（Grantz等人，2014），但在梯级水库构型下这一模式如何改变仍未被表征。这一空白尤其具有深远影响，因为当前区域到全球尺度的大坝导致的总营养物质截留和河流氮磷比升高的估计（Maavara等人，2020a）主要来自单一水库观测，未考虑上下游相互作用，为当前评估大坝对河流营养物质输送的影响引入了巨大的不确定性。综合而言，这些知识空白进一步阻碍了我们预测全球持续进行的河流筑坝将如何重塑河流氮磷通量的能力。
本研究利用2021–2023年三年间的日浓度测量数据，量化了中国12个梯级水库系统（共25个水库）的TN和TP截留情况。此外，还分析了全球数据集，该数据集包含另外7个梯级水库系统（19个水库）和74个单一水库。合并数据集涵盖了广泛的水库水文和形态特征，水力滞留时间跨度为0.01–3.4年（图S1 ），水库蓄水量范围为10至27,600百万立方米（图S2 ）。因此，该数据集为评估多样梯级水库系统的营养物质截留模式提供了具有代表性的基础。利用该数据集，我们旨在：(i) 识别梯级水库系统中上下游水库之间TN和TP截留的空间模式；(ii) 比较单一水库系统与梯级水库系统之间的截留效率；以及(iii) 评估梯级水库构型对总截留量和下游氮磷化学计量比的含义。综合而言，本分析旨在更好地理解间距较近的梯级水库如何在日益筑坝的河流中重塑河流营养物质输送。
章节摘要 TP和TN浓度测量与预处理 本研究在中国范围内绘制了12个梯级水库系统（CRSs），共包括25个水库（图1）。这些梯级水库系统的选取依据是每个水库在2021–2023年期间入流和出流处均有水质监测数据的可用性。总氮（TN）和总磷（TP）浓度（mg L
?1 ）数据来源于中国环境监测总站（
http://www.cnemc.cn/ ），在各水库上游和下游最近的水质监测站测得。
梯级水库系统中TP和TN的截留 梯级水库系统（CRSs）通常定义为河流上一系列间距较近、首尾相连的水库（Barbosa等人，1999；Ward和Stanford，1983）。在中国考察的12个梯级水库系统（编号1–12；图1a ）中，TP和TN的截留情况在梯级水库系统内部表现出显著的异质性，最上游水库与其下游水库之间入流-出流浓度差异的对比即为明证。对于TP而言，在其中的
梯级水库截留效率降低的机制 我们认为，驱动梯级水库系统沿线营养物质形态变化的一个主要机制是颗粒沉积。在水体系统中，磷主要以颗粒形态存在，其去除和运输强烈依赖于颗粒物的沉积、埋藏和再悬浮（Elser等人，2022；Maavara等人，2015）。在梯级水库系统中，最上游水库有效地截留了粗颗粒、快速沉降的沉积物及其吸附的营养物质
结论 本研究利用全球数据集提供了具有可泛化性的证据，表明梯级水库系统的营养物质截留效率低于单一水库。这种降低源于梯级水库系统内部显著的空间不对称性：最上游水库的TP和TN截留效率与单一水库相当，而下游水库的截留效率显著降低甚至出现负截留。更重要的是，梯级水库系统不成比例地
CRediT作者贡献声明 Peijia Zhang： 概念构思、数据整理、形式分析、撰写初稿、撰写-审阅与编辑。Shaoda Liu： 概念构思、形式分析、资金获取、撰写-审阅与编辑。Shurui Huang： 数据整理、调查研究、撰写-审阅与编辑。Wenxiu Zheng： 数据整理、调查研究、撰写-审阅与编辑。Jie Zhang： 数据整理、调查研究、撰写-审阅与编辑。Yufei Yang： 数据整理、调查研究、撰写-审阅
CRediT作者贡献声明 Peijia Zhang： 撰写-审阅与编辑、撰写初稿、形式分析、数据整理、概念构思。Shaoda Liu： 撰写-审阅与编辑、资金获取、形式分析、概念构思。Shurui Huang： 撰写-审阅与编辑、调查研究、数据整理。Wenxiu Zheng： 撰写-审阅与编辑、调查研究、数据整理。Jie Zhang： 撰写-审阅与编辑、调查研究、数据整理。Yufei Yang： 撰写-审阅与编辑、调查研究、数据整理。
利益冲突声明 作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢 本研究由国家自然科学基金（52379057、T2421005、T2261129474和52039001）和汤森基金会提供资金支持。
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