引言
全球已建成超过62000座大型水坝（坝高≥15米），若计入小型水坝则数量达数百万座（Moreno-Rodenas, A., Mantilla-Jones, J. D. 和 Valero, D., 2025）。受可再生能源需求增长驱动，全球水电开发持续快速扩张，规划中和在建项目预计将新增253.8 GW装机容量（GlobalData, 2025）。中国拥有全球规模最大的水库群之一，约有95000座，总淹没面积近53000平方公里，超过全国所有天然淡水湖泊面积之和。水库作为人类改造河流系统的主导形式，深刻重塑了河流生态系统的结构与功能，其生态影响日益受到关注。水坝通过破坏纵向水文连通性和改变流量模式，从根本上改变了河流网络中营养盐的输运、滞留和转化过程。水库蓄水可减少下游营养盐输送，同时增强库区内营养盐积累和富营养化，从而重塑氮（N）和磷（P）等关键元素的生物地球化学循环。这些变化可沿河流生态系统传导，影响流域尺度的初级生产力、营养盐处理路径和整体生态系统功能。
近期研究日益表明，水坝对营养盐循环的影响强烈依赖于水库规模、水文条件和运行方式。梯级水库可能改变营养盐形态和生物可利用性，但不一定减少下游营养盐负荷（Chen, Q., Chen, Y., Lin, Y. 等，2024），而短水力停留时间（HRT）系统可能在不同水文条件下在部分滞留与增强输运之间转换（Yin, Y., Zhang, W., You, W. 等，2025）。长期观测进一步表明，营养盐滞留效率与停留时间和水库配置密切相关（Fernandes, T., Shatwell, T., Schultze, M. 等，2025）。这些最新发现表明，将水库视为持久性营养盐汇的传统观点可能并不直接适用于以快速水体交换为特征的小型径流式水库。在水坝引起的水文变化中，水力停留时间（HRT）被广泛认为是营养盐滞留的关键控制因素，因为它决定了库区内物理、化学和生物处理过程的可利用时间。延长HRT有利于颗粒沉降、沉积物积累和沉积物-水界面长期相互作用，从而增强颗粒态磷的滞留，并为溶解态营养盐转化提供充足时间，尤其是氮循环过程（Grill, G., Lehner, B., Thieme, M. 等，2019；He, F., Zarfl, C., Tockner, K. 等，2024）。支持这一范式的证据主要来自具有长停留时间的水库。大量研究表明，较长的HRT为颗粒态磷的沉积和埋藏以及溶解态无机氮的转化和去除提供了充足时间，使大型水库能够发挥有效的营养盐汇功能（Finlay, J. C., Small, G. E. 和 Sterner, R. W., 2013；Harrison, J. A., Maranger, R. J., Alexander, R. B. 等，2009；K?iv, T., N?ges, T. 和 Laas, A., 2011；Maavara, T., Parsons, C. T., Ridenour, C. 等，2015；Powers, S., Tank, J. L. 和 Robertson, D., 2015；Seitzinger, S., Harrison, J. A., B?hlke, J. K. 等，2006；Wu, Z., Li, J., Sun, Y. 等，2022）。例如，在0.78至1.03年的HRT条件下，Cointzio水库将总氮和总磷的出口分别减少了约46%和30%（Némery, J., Gratiot, N., Doan, P. T. K. 等，2016）。然而，一旦停留时间不足以维持颗粒沉降、沉积物积累和累积性生物地球化学处理，营养盐滞留的有效性预计将下降。在卫沅河梯级水库系统中，枯水期滞留了16%的颗粒态磷，而丰水期（HWS）下游磷的输运量增加，表明日尺度HRT下的营养盐截留具有高度瞬时性，可能并不代表持久的营养盐汇功能（Yin, Y., Zhang, W., You, W. 等，2025）。这些观测结果表明，短HRT水库可能代表营养盐滞留系统与营养盐输运系统之间的连续谱，而非由固定阈值界定的转变。尽管全球广泛存在小型径流式水库，但其营养盐调节功能仍缺乏充分约束。由于水体交换迅速，这些系统的HRT通常仅为数小时至数天，可能限制了沉积、营养盐积累和生物地球化学转化过程的可利用时间。此类短HRT水库能否维持稳定的氮和磷滞留、在这些水文约束下氮与磷的滞留差异如何、短HRT系统对下游营养盐输运的影响程度如何等问题仍有待解决（Gan, J., Wang, X., Yuan, Q. 等，2025）。
小水电是山区河流中数量最多、分布最广泛的人工水利设施类型之一（Ma, X., Li, Y., Niu, L. 等，2023）。与大型水库相比，小水电水库通常以库容小、水体交换快和HRT短为特征。其停留时间常以小时计，这可能导致颗粒沉降受限、沉积物积累不足，以及支撑大型水库持久性营养盐滞留的沉积物-水界面长期相互作用难以发展（Powers, S. M., Julian, J. P., Doyle, M. W. 等，2013）。此外，氮和磷表现出根本不同的生物地球化学行为。氮主要以溶解态输运，可通过反硝化和厌氧氨氧化等微生物过程永久去除，而磷循环更多受颗粒相关过程控制，包括吸附-解吸、沉降和埋藏、沉积物-水界面交换过程（Pu, J., Wang, S., Ni, Z. 等，2021；Wu, P., Wang, N., Zhu, L. 等，2021；Zhuang, J., Jiang, R. 和 Liu, Y., 2026）。由于这些过程对停留时间和水动力条件的依赖程度不同，小水电水库在短HRT条件下对氮和磷循环的影响可能显著分化。因此，我们假设小时尺度的停留时间可能通过限制颗粒滞留和累积性生物地球化学处理来约束持久性营养盐滞留能力的形成。因此，小水库在氮和磷循环中的作用可能以瞬时调节而非持续滞留为特征，导致营养盐滞留和下游输运呈现不同模式。
为检验这些假设，本研究基于中国珠江流域柳天河干流支流的四个梯级小水电水库的入流出水平衡计算，研究了氮和磷的滞留效率和净通量。本研究拟解决三个问题：（1）小时尺度HRT的梯级小水电水库是净营养盐汇还是输运主导型节点；（2）梯级小水电水库对氮和磷循环的影响在不同营养盐形态间是否存在差异；（3）与小型水电梯级相关的氮和磷滞留及下游输运变化如何影响受纳水体的潜在生态风险。本研究结果将为受小水电大坝调控的源头河流中的营养盐循环和输运动力学提供新的见解。
