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，不同粒径颗粒物均沉积在三峡水库中部，以洪水期为例，不同粒径的、和 也主要集中在水库中部（见图）。粗颗粒 和（）通常是首先集中在水库上游，细颗粒 和 则被运输到更远的下游。然而，呈相反趋势，细颗粒（）可能更容易吸附到较重的无机矿物上，因而从水库上游运输到下游的过程中，更易滞留在水库上游。、沉降速率的“非同步性”使得水库底部、的生态化学计量关系呈现空间梯度变化。不同粒径的 明显高于 比值，但不同粒径的 比值之间存在明显的差异。和 摩尔比相似，且细颗粒（）和 向下游方向显著增加，三峡水库上游 和 明显低于 比值，但在水库中部高于 比值（见图）。随着水库运行年限的增加，水库下游 和 注：数据基于 年监测结果。图 三峡水库不同粒径、的沉降通量 ，人 民 长 江 年有所增加，但在水库上游的中部，差异并不明显。通过模型计算，三峡水库运行前 ，其上游、中部、下游沉积物中 平均比例分别为 ，和 ，水库中部化学计量学逐渐接近平衡。相对于全球估计，三峡水库累积的 明显多于。然而，沉积在水库上游、中部的细颗粒（）是导致颗粒 、显著下降的潜在关键驱动因素，进而使得颗粒 、从上游低于 比值过渡到高于平衡值，特别是在洪水期出现颗粒 的纵向增加趋势（见图）。注：数据基于 年监测结果。图 三峡水库不同粒径、和 化学计量比的纵向变化趋势 ，水库调度运行驱动 产汇变化的重要机制与过程 是仅次于 的一种重要的温室气体。当前，全球大气 平均浓度约为 。过去 大气 浓度年均增速为 （），且呈现出增速加快的危险趋势。对全球气候变化的潜在贡献愈发重要。陆源 驱动 的产汇变化受大坝影响的河流比湖泊和正常连续流通的河流具有更复杂的水文特征，进而改变了水库中 的动态变化。由于水库运行初期，淹没有机质的分解，新建的水库通常被认为是重要的 排放源。但是与全球河流 数据集相比，溪洛渡、向家坝、三峡水库水体 浓度（），）明显低于全球河流（），）。尽管三峡水库 浓度（）大致在全球河流 数据集的第一和第三分位数的范围内（）。但是混合良好的水动力条件限制了三峡水库干流中强烈和持续的缺氧条件形成，同时限制了洪水期热分层的形成。同样，溪洛渡、向家坝水库底部并未形成明显的缺氧条件（）。因此，与热带水库相比，溪洛渡、向家坝、三峡水库并不是 的生产系统。虽然自源 更容易被生物降解产生，但是在没有良好的稳定性和厌氧环境条件下，自源 更容易转化为。而溪洛渡、向家坝、三峡水库浓度与陆源 贡献占比、陆源 沉积通量呈明显正相关关系（见图），且结构方程模型分析结果也表明，溪洛渡、向家坝水库陆源 通量对水体 浓度呈现显著的正效应，同时大量沉积在三峡水库中部的陆源 也促进了 的累积，。因此，陆源 的沉积是长江上游高坝大库产生 的关键。注：数据基于 ，年监测结果，。图 溪洛渡、向家坝、三峡水库陆源 与溶解 的关系 ，不平衡化学计量比调节 产生与消耗大坝的修建改变了、的沉积速率进而导致其化学计量关系在沿流速梯度变化方向上呈现不同的时空分布特征，导致水库沉积物的化学计量不平衡。同时、直接参与了 生成的生化过程，但迄今为止对于、和 的化学计量学如何调节水库 的生成知之甚少。以往研究表明，的添加可刺激 的生成，而 的添加则可能抑制微生 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物活性或改变 发酵的方向。同时，的增加减缓了 对 的好氧微生物氧化过程的抑制。因此，可推断受大坝影响的不平衡化学计量沉积可能调节水库中 的产生与消耗。在三峡水库中 也同、一样累积在水库中部，这表明、和 的化学计量学可能对三峡水库中 的累积起着关键的作用。同时洪水期三峡水库中 的浓度与总颗粒物（）、的沉降速率呈现明显正相关关系，而建立的线性回归模型可预测水体中 的浓度变化（见图（），在洪水期沉积物的化学计量学方面，浓度与 呈正相关关系，再次说明陆源（具有更高的 ）是调节 的关键，但与 却呈显著负相关关系，尤其是在较粗的沉积物中更为显著，如大于 和 的颗粒物。多以吸附于泥沙颗粒表面的无机态形式存在，质量密度较大且易于沉降。而颗粒态、则多为有机物形式，质量密度较小且易于被生物利用。在入库后泥沙沉降淤积过程中，空间上呈现为 优先于、沉降至库底，导致上游 偏低，但 浓度偏高，而随着纵向梯度、沉积的增加，的减少，增加，理论上，随着有机质沉积的 注：数据基于 年监测结果。图 三峡水库 浓度与、之间的关系 ，增加，浓度应增加，但实际上 浓度是随着 的增加而降低。这表明，相对于有机质沉积，似乎更可能刺激或调节水库中部 的产生。高坝大库削减 的产生以往研究表明，溪洛渡、向家坝水库泥沙沉积量明显低于三峡水库，尽管 个水库中 的产生均是由陆源 驱动，但相对于三峡水库，溪洛渡、向家坝水库 的低沉积可能限制了陆源 的输入进而限制了水库中 的产生，从而导致溪洛渡、向家坝水库中 浓度明显低于三峡水库。除此之外，在水生食物链中很大一部分 被作为碳源，在被释放至上层水体之前绝大部分已经被微生物氧化，这可能是导致水库 浓度偏低的另一关键原因，尤其是坝前区域。而甲烷氧化细菌是好氧消耗 的关键，可在淡水系统中有氧 缺氧界面存活。一般由生物过程产生的其 值小于，如淡水中乙酸发酵产生的。但产生的 通常会被微生物氧化，使得水体中残留 富集 进而 逐渐升高。注：数据基于 年监测结果。图 溪洛渡、向家坝水库 空间分布、与 之间的关系 人 民 长 江 年在高坝大库溪洛渡、向家坝水库中均未出现明显的缺氧水体。沉积物的表面氧化层和较大的水深可能减缓了由深层沉积物柱产生的 气泡释放。水体剖面中 均在醋酸发酵产生 的 以上（见图（）。这表明，氧化在两个水库中不可被忽视，尤其是坝前深水“湖泊区”值最高，与河流区和过渡区呈现显著性差异，表明不同水深的氧化程度明显不同（见图（）。此外，随着 的增加，浓度逐渐降低（见图（）。这表明生物过程影响了水体剖面中 的分布，微生物氧化可能是降低水体 浓度的关键因素，进而削减了高坝大库中 的持续排放。结语与展望 于 年完成的国家温室气体清单精细化修编中，水淹地章节第一层级方法（）要求，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。因此，从水库生命周期的视角上看，是现阶段开展大型水库碳足迹核算需要重点关注的温室气体。在河流 水库系统中，泥沙携带上游或陆源输入的，因水流变缓而沉降、淤积及埋藏，为 产生提供持续碳源（）。水库泥沙负荷是 排放量的重要预测指标。不仅如此，泥沙重新构建了不同来源（自源、陆源）在水相与颗粒相之间的分配关系（吸附、絮凝等），影响了 在变化水沙环境中的输移，并调节了“”的微生物转化。在水库库尾或库中泥沙淤积态势显著变化的区段，易形成 累积与排放的“热区”，。因此，未来开展大型水库 长期趋势预测应在关注水沙情势的变化基础上，掌握入库 的来源、生物可利用性以及不同来源 的分布与归趋、不平衡化学计量沉降。此外，还应充分考虑高坝大库对氧化的能力。另外，值得关注的是 气泡形式释放尽管在长江上游高坝大库中并未占显著比重，但在近岸或库湾浅水区域局部时段产生的高强度 气泡释放将是下一阶段研究分析的重点。参考文献：，：，（）：，：，：，：，（）：，（），（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：李哲，王殿常 从水库温室气体研究到水电碳足迹评价：方法及进展 水利学报，（）：中国科学院重庆绿色智能技术研究院 三峡水库水生态环境感知原理与系统设计 北京：科学出版社，郭劲松，李哲，方芳 三峡水库运行对其生态环境的影响与机制：典型支流澎溪河水环境变化研究 北京：科学出版社，（）：，：，（）：，（）：，（），：，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 ，：，：，（）：，（）：，（）：胡艳芬，吴卫民，陈振红 向家坝水电站泥沙淤积计算 人民长江，（）：于显亮 梯级水库水沙多目标优化调度研究 北京：华北电力大学，：，（）：，（）：李文杰，李娜，杨胜发，等 基于挟沙力的三峡水库泥沙淤积形态分析 水科学进展，（）：，：，：，：，（）：，：？，（）：，：，（）：，：，（）：，：，（）：，：，：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，：，：，（）：，：，（）：（编辑：谢玲娴）（下转第 页）第 期 程海云：推进新时代长江水文高质量发展体系建设构想 （，）：，：；（上接第 页），（，；，）：，（），（），（），：；