长江上游大型水库颗粒物沉降及对甲烷产汇的影响_李哲.pdf

第 卷 第 期 年 月人 民 长 江 ，收稿日期：基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（）；国家自然科学基金国际合作研究项目（）作者简介：李 哲，男，研究员，博士，主要从事水库碳循环与碳通量研究。：通信作者：张媛媛，女，助理研究员，博士，研究方向为水库地球化学过程。：文章编号：（）引用本文：李哲，张媛媛 长江上游大型水库颗粒物沉降及对甲烷产汇的影响 人民长江，（）：，“水生态文明建设”专题 特邀作者简介李 哲，男，年生，研究员，博士生导师，博士，主要从事水库碳循环与碳通量研究。年入选中国科学院“西部之光”西部青年学者计划 类（终期评估优秀），重庆英才计划青年拔尖人才入选人员；年获重庆市自然科学基金杰出青年基金项目支持，重庆市第三批“青年专家工作室”领衔专家，年任中国科学院“西部之光”创新交叉团队负责人。先后承担国家重点研发计划课题、国家自然科学基金国际合作研究项目、面上项目、青年基金项目等国家级或省部级重点研究项目十余项。兼任、等国际组织相关专家组成员，参加编写国际技术标准或导则共 部，出版专著译著 部。近 年来，以第一作者或通讯作者发表学术论文 余篇，其中 论文 余篇。长江上游大型水库颗粒物沉降及对甲烷产汇的影响李哲，张 媛 媛，（中国科学院 重庆绿色智能技术研究院，重庆；中国科学院大学 重庆学院，重庆）摘要：水库修建及运行改变了沿纵向水动力梯度的沉积模式，导致颗粒有机碳（）的来源比例变化、不平衡的化学计量沉降，进而改变了甲烷（）的产汇变化，影响全球内陆水体碳循环。然而，受筑坝蓄水与水库调度运行影响，变化水文环境中有机碳（）来源与迁移转化过程如何影响水库 的产汇仍存在较大的不确定性。采用总结与统计分析方法，梳理了近年来长江上游颗粒化学计量、颗粒有机质来源和 浓度研究结果，进一步探讨了长江上游大型水库 的影响因素及对 的影响机制。研究发现：陆源 是长江上游大型水库 的主要来源，大量的沉积物沉积在三峡水库中部，并在水动力梯度下构成了不平衡的化学计量沉积模式；陆源、细颗粒 引起的不平衡化学计量比以及微生物氧化共同驱动并调节了低水平 的长期累积。研究成果可为长江上游大型水库 的长期趋势预测提供基础。关 键 词：甲烷产汇；颗粒有机碳来源；颗粒物沉降；不平衡化学计量比；甲烷氧化；大型水库；长江上游中图法分类号：文献标志码：人 民 长 江 年 引 言长江是中国的母亲河，其上游流域因独特的自然地理条件成为水电能源的“富矿”地区。自 世纪 年代开始，大规模水电开发逐渐在长江上游流域形成了若干个重要的水电基地（金沙江、雅砻江、大渡河、乌江、长江上游等）。目前，长江上游共分布有大中型水电站 余座，总装机容量超过 亿，年平均发电量超过 亿，是中国“西电东送”工程的排头兵。水库修建及运行将在不同程度上淹没土地、调节河流水文情势与水沙过程，不仅显著干扰了河流碳（）的“陆 海”输送，而且改变了流域尺度下二氧化碳（）、甲烷（）等温室气体的源汇特征，影响了全球内陆水体碳氮循环。当前，全球范围内水库每年向大气排放、氧化亚氮（）速率分别约为 、。上述数据值并未显著高于湖泊、河流等天然水体，但以筑坝蓄水为主要标志的人类活动，改变了其工程影响区碳循环与温室气体通量，故水库、等温室气体源汇变化被认为是水力发电衍生的重要温室气体排放来源，是开展水电工程碳足迹核算不可忽略的重要组成部分。因此，揭示水库修建及运行对碳循环与碳通量的影响，是阐明水电能源清洁属性的关键证据。通量变化是决定水库长期运行背景下温室气体排放水平的重要因素。政府间气候变化专门委员会（）国家温室气体清单第一层级方法中，对蓄水不足 、尚处于土地利用快速转化期的水库，需同时考虑 和 的排放量；而对蓄水超过 的水库，仅计算 的排放量。通常，产甲烷菌（）易在水中的厌氧环境下利用来自有机碳（，）降解的乙酸盐（乙酸营养型）或经由 还原（氢营养型），生成 并释放进入水体。同时 的产生很大程度上取决于不同来源的有机质（）。而由于水体中氧化还原环境改变，产生的 易被甲烷氧化菌（）大量利用消耗，最终导致残留的 释放进入大气。水中 浓度变化是 产生与消耗平衡的最终结果，并决定了水 气界面间的通量。以往的研究表明沉积速率和 产量之间的正相关关系支持了水库沉积导致水库蓄水后 排放的推断。因此，如果水库持续接收上游 的输入和沉积，则可呈现长期的 产生和排放。但是，受筑坝蓄水与水库调度运行影响，变化水文环境中 来源与迁移转化过程如何影响水库 的产汇过程并最终影响 的通量尚存在较大的不确定性。尤其是颗粒物沉降是否对河流 水库的 排放产生影响尚无报道。同时沿河流 水库的颗粒物沉积也可能导致水库沉积物的化学计量不平衡。而 的产生很大程度上也取决于 的化学计量，如 比率。因此，可推断沉积造成的化学计量比的变化可能驱动 的平衡。长江上游高坝大库建设及运行是促进了 的产生与排放，抑或是减少了河流的产生与排放，尚待更深入的研究与分析。围绕水库颗粒态有机碳（，）来源、迁移及其对水库 产汇的影响，本文梳理了近年来作者团队在长江上游大型水库的研究结果，并希望通过分析，明确影响长江上游高坝大库 的主要因素，进而为后续开展长江上游大型水库长期趋势预测提供基础。长江上游大型水库湖沼系统特征解析本研究以长江上游溪洛渡、向家坝和三峡水库为研究区域，个水库均是位于长江上游主河道的深河谷型梯级水库，其中溪洛渡、向家坝水库两侧主要以基岩为主。个水库以水力发电生产设施和防洪设施为主，具有显著的季节性水位调整，即高水位运行时期以水力发电为主，低水位运行时期则为控制洪水准备足够的水库容量和释放累积的底部沉积物。溪洛渡、向家坝水库于 年 月开始首次蓄水，向家坝水库于 年 月完成了蓄水，而溪洛渡水库于 后完成了全部蓄水。三峡水库首次蓄水始于 年，并一直持续到 年至水位 。溪洛渡水库水力停留时间高于向家坝水库，年平均约为，向家坝水库年平均约为。三峡水库的建立和蓄水影响了长江干流约 的河段，涉及 被洪水淹没的土地，全库容 。在夏季，三峡水库水力停留时间小于，而在冬季约为，水力停留时间的变化显著构成了三峡水库独特的水生生态系统。长江上游大型水库受到地形地貌的影响，水库分层混合格局的时空异质性十分显著。以三峡水库为例，水位涨落过程同天然径流、气候变化多重因素相互叠加，迫使水库干支流物理环境呈现独特的周期变化过程，加之水库具有强烈的陆源输入特征，对水库生态系统的发育和演化影响显著。一方面，由于水体滞留时间较短、泥沙颗粒较多，干流浮游植物生长受限、净初级生产能力总体上维持较低水平；干流总体上以细菌分解异源有机质为主，并迫使干流水柱总光合生产（）与总呼吸（）的比率 第 期 李 哲，等：长江上游大型水库颗粒物沉降及对甲烷产汇的影响（）。在一定程度上，水库运行改变了干流水体对异源有机质的分解能力（即水体自净能力）。另一方面，水库调度运行迫使近岸消落带呈现季节性受淹 裸露的过程。陆生 水生周期性交错使得水库近岸交错带陆生、水生植被群落发育具有其特殊性。在水库水位涨落的“脉冲”效应下，适生植被因淹没时间长短而在高程上呈现梯度分布特征，并形成同天然湖泊、河流迥异的生物地球化学过程、景观格局和生态功能特征。尽管三峡水库总体属于暖单季回水型水库，但三峡水库“蓄清排浑”的调度运行方式使得汛期水位低、流速快、断面混合较好，垂向水温分层不易形成；而冬季枯季高水位运行，水温下降，难以具备温度分层的条件（见图）。由图 可见：三峡水库干流混合条件较好，具有接近理想的推流型反应器特征；支流水体因来水量较小，其水体更新周期远长于干流，大部分支流混合条件比干流要弱，支流形成分层的可能性远高于干流，更具有湖泊特征。此外，密度异重流现象对干支流分层混合影响显著。在三峡库区独特的气候气象条件下，现阶段三峡水库湖沼演化主要表现为：水库的不同时空区段以细菌降解陆源及上游输入有机物为主导的异养型系统，逐渐向以藻类生长、初级生产能力提升为主要标志的自养型系统过渡。受水库调度运行影响，不同时空区段呈现出不同的特征（见表）。长江上游大型水库 来源及其沉降淤积特征 的主要来源水库中 主要由自源 和陆源 混合而成，其中自源 更不稳定，具有较高的生物可利用性，而陆源 已部分被降解，微生物降解难度大。根据以往研究，利用、和 可以区分 的来源，而不同端元（植物、植物、土壤和浮游生物）具有不同的、和 值（见表）。由近年来的调查分析可知，长江上游大型水库溪洛渡、向家坝、三峡水库的 、平均值分别为 ，（样本数 ，见图）。无论洪水期还是枯水期溪洛渡、向家坝水库的 、摩尔比变化相对较小，但是洪水期三峡水库 摩尔比明显高于枯水期，可能是洪水期受自源 的影响更为明显。通过模型计算，无论是洪水期还是枯水期溪洛渡、向家坝、三峡水库 均是以陆源 为主（见图）。溪洛渡水库洪水期自源、陆源 贡献比例均值分别为 ，（）；枯水期自源、陆源 贡献比例均值分别为 ，（）。向家坝水库洪水期自源、陆源 贡献比例均值分别为 ，（）；枯水期自源、陆源 贡献比例均值分别为 ，（）。三峡水库洪水期自源、陆源 贡献比例均值分别为，（）；枯水期自源、陆源 贡献比例均值分别为 ，（）。溪洛渡、向家坝水库均表现为枯水期自源 贡献比例相对洪水期增加，而陆源 贡献比例相对减少，然而三峡水库则表现为洪水期自源 贡献比例高于枯水季。表 三峡水库关键湖沼变量的时空分区与主要阈值 库区低水位运行期（月）高水位运行期（月至次年 月）泄水期（月）流速（）平均水力停留时间分层 混合特征营养物主要形态叶绿素 浓度（）流速（）平均水力停留时间分层 混合特征营养物主要形态叶绿素 浓度（）流速（）平均水力停留时间分层 混合特征营养物主要形态叶绿素 浓度（）主要生态特征库尾（河流区、变动回水区）朱沱 涪陵 不分层颗粒态 不分层颗粒态 不分层颗粒态 泥沙携带大量有机物与、入库；河流搬运功能强；以异养菌降解外来有机物为主；重庆都市核心区排污影响显著；库中（过渡区）涪陵 奉节 不分层颗粒态 不分层溶解态 不分层溶解态 泥沙沉降并导致所携带的大量有机物与、逐渐沉降；河流搬运能力减弱；以异养菌降解外来有机物为主；藻类逐渐生长；库首（“湖泊区”）奉节 秭归 弱分层溶解态（或更高）不分层溶解态 不分层溶解态（或更高）泥沙及其携带的有机物、等完成沉降过程；以异养菌降解外来有机物为主；藻类逐渐生长；接近 人 民 长 江 年 注：数据基于 年监测结果。图 三峡水库水体温度、溶解氧（）时空变化趋势 （）表 不同端元颗粒有机质（）的、和 摩尔比 ，（）端元 植物 （）（）（）植物 （）（）（）土壤（）浮游生物（）梯级大坝及水库对颗粒物沉降的影响根据泥沙淤积计算模型可知，目前溪洛渡水库泥沙主要淤积在坝前 至库尾处，尤其是在坝前 左右出现泥沙淤积量的峰值。而作为梯级水库的下库，向家坝水库库区泥沙淤积，受上游溪洛渡水 注：虚线区域来自文献。图 溪洛渡、向家坝、三峡水库颗粒有机质（）和端元（和 植物、土壤、浮游生物）摩尔比 、摩尔比 ，（），（，）库下泄沙量和水库调节作用的双重影响，在水库开始运行前期，泥沙淤积缓慢，但当溪洛渡水库淤积达到平 第 期 李 哲，等：长江上游大型水库颗粒物沉降及对甲烷产汇的影响 注：数据基于 年，年的监测结果，。图 自源和陆源 贡献比例 衡时，淤积速度最快，目前向家坝水库泥沙主要淤积在水库中部即坝前 左右，无论是溪洛渡还是向家坝水库均属于典型的三角洲淤积，随着水库运行时间的增加，淤积三角洲向坝前逐渐推进。三峡水库超过 的流量和近 的沉积物来自长江上游，同时超过 的沉积物滞留在三峡水库中部。在水文形态特征中，水流速度的纵向下降和水力停留时间的增加导致水库中部沉积大量颗粒物，尤其是涪陵到忠县区段。“泥沙颗粒”来源及组成复杂，不同来源泥沙颗粒质量密度各不相同。因水库自库尾至坝前形成了流速逐渐变缓、水体滞留时间逐渐延长的梯度变化，受水库纵向沿程的“水力分选”影响，不同来源或组成的“泥沙颗粒”将呈现出不同沉降速率，进而导致颗粒、沿河流 水库梯度有较大的空间变化，并随着库龄的变化而变化。同颗粒物沉积一致，无论是枯水期还是洪水期