摘要

河流大规模筑坝已根本性改变水文连通性与碳循环动态，但梯级筑坝对溶解性有机质（DOM）迁移转化过程的影响仍不明晰。为此，本研究整合水质参数、营养盐浓度、光学特性、双碳同位素（d¹³C和D¹⁴C）及结构方程模型（SEM），系统解析乌江梯级水库群有机碳迁移转化及其调控机制。结果表明：与垂直混合期（1月）相比，热分层期（4–10月）真光层叶绿素a（8.0 ± 8.5 vs 1.0 ± 0.7 µg L⁻¹）与DOC浓度（1.3 ± 0.5 vs. 0.9 ± 0.1 mg L⁻¹）同步上升，证实光合有机质生产增加；同时，表层水体升高的d¹³C_DIC和Δ¹⁴C_POC值证实生物碳泵（BCP）效应增强，该过程伴随溶解无机碳（DIC）吸收（29.0 ± 2.5 vs. 26. 5± 5.2mg L⁻¹）及营养盐同化（硝酸盐：3.2 ± 0.6 vs. 2.7 ± 1.1 mg L⁻¹；磷酸盐：92.1 ± 61.2 vs. 65.8 ± 76.3 µg L⁻¹）。SEM分析揭示DIC是梯级水库BCP强度的重要调控因子（r = −0.679, p < 0.001）。据估算，年DOC通量从上游（1076 ± 142吨/年）至下游水库出水口（18,476 ± 667吨/年）增加17倍，主要受河流DOM动态与水文调控驱动。本研究发现梯级水库深刻改变与DOM相关的生物地球化学过程。在全球水库数量持续增长的背景下，阐明梯级水库有机碳动态对精准碳核算及科学水库管理至关重要。

研究区域和样品收集

乌江（26°07′–30°22′N, 104°18′–109°22′E）是长江最长的支流，流经湿润的亚热带，属典型的东亚季风气候。其盆地以东南亚喀斯特地区为中心，是世界上最大的喀斯特地区的一部分，以强烈的碳酸盐风化作用和错综复杂的地下岩溶孔隙为特征（Li等人，2020年）的报告。乌江干流全长1037公里，垂直落差2124米，流域面积88，267平方公里。根据中国气象局（https：//www.cma.gov.cn/）的数据，2017年，上下游地区的年平均气温分别为15.1 ℃和20.2 ℃，年降水量分别为1101.3毫米和1157.1毫米。乌江流域主要为农田（41%）和森林（41%），草地占14%。本研究选择了乌江沿着7座梯级水电站，上游和中游包括洪家渡（HJD）、东风（DF）、索风营（SFY）和乌江渡（WJD），下游包括思林（SL）、彭水（PS）和银盘（YP）（图1）。

在2017年1月、4月、6月、7月、8月及10月沿乌江30个点位采集592份水样；2018年8月在洪家渡（HJD）河流-水库系统10个点位补充采集16份样品。入库水和出库水在河流表层采集，静水区水样使用采水器（Niskin Water Sampler）分层采集：真光层（0–5 m）、温跃层（5–20 m）及深水层（>20 m）。采用水质参数仪（YSI EXO型）现场测定pH、水温（WT）、溶解氧（DO）、电导率（Spc）、总溶解固体（TDS）及叶绿素a（Chl-a），仪器在现场校准。水样采集后经玻璃纤维滤膜（Whatman GF/F，450℃预灼烧4 h）过滤，滤液用磷酸酸化至pH = 2，储存于4℃高密度聚乙烯瓶中用于DOC分析。DIC样品现场经0.45 µm聚四氟乙烯针式滤器过滤，取2 mL注入经真空预处理的10 mL LABCO瓶中，注射器加入0.5 mL磷酸。溶解态营养盐样品立即经0.45 µm聚碳酸酯膜过滤，存于100 mL塑料瓶，冷藏待测。总氮（TN）与总磷（TP）水样直接存于100 mL塑料瓶，添加H₂SO₄维持pH < 2。

图1 乌江梯级水库采样点位置分布

研究结果

基本水化学的时空分布特征

图 2. 图表展示乌江梯级水库系统理化参数变化，包括DOC、pH、WT、Chl-a、DO、NO₃^-–N及PO₄^3-–P。热分层期水体表层（入库、真光层、出库）以a–b标识，静水剖面以c–i标识；垂直混合期水体表层以j–k标识，静水剖面以l–r标识。虚线分隔上方真光层与下方温跃层/均温层。“距离”指各水库距HJD大坝坝前的距离。

图 3. 图表展示乌江梯级水库系统DIC与d¹³C_DIC的时空变化特征，包括热分层期（4—10月）和垂直混合期（1月）。阴影区域代表水力停留时间(HRT)较长的水库（包括HJD、DF、WJD和SL水库）。圆圈大小表征DIC浓度，颜色映射对应d¹³C_DIC值。

不同河流-水库系统调控DOC浓度和性质的机制

图 4. (a) 乌江7座河流-水库中Δ[DOC]与Δ[δ¹³C_DIC]、Δ[DIC]的耦合关系，四象限表征不同生物地球化学过程；(b) 2018年8月洪家渡河流-水库参数变化图，包括HIX、BIX、Δ¹⁴C_POC与δ¹³C_DOC。

图 5. PLS-SEM框架及模型结果，揭示热分层期（TSP）水库物理条件与生物因子对BCP效应及DOC浓度的调控机制。大矩形代表潜变量，小矩形表征观测变量；紫色与蓝色连线上数值为路径系数，黑色连线上数值为因子载荷。乌江梯级水库DOC

通量调控机制及其输移趋势

图6. (a) MDOC_flux and T_w/HRT的关系，MDOC_flux表示水库出水口每月的DOC通量，T_w表示水库深水层的平均温度，HRT表示水库的水力停留时间；(b) 水库出水口的DOC浓度和流量关系；(c) 乌江梯级水库DOC通量输移趋势及月际分布。

研究结论及意义

河流作为连接陆域与海洋碳循环的关键通道，每年向海洋输送约1,020 ± 220 Tg碳，其中近半数为有机碳（OC）（Liu等, 2024; Regnier等, 2013）。然而，全球超70%的主要河流已遭筑坝截流，破坏河网连通性并改变碳营养盐陆海输移格局（Grill等, 2019; Maavara等, 2020）。筑坝通过延长水力停留时间（HRT）和营养盐富集提升初级生产力，同时因内源与外源有机质的累积促进异养呼吸作用，进而影响有机碳埋藏过程（Downing等, 2008; Maavara等, 2017）。全球内陆水体年埋藏有机碳约60 Tg，其中40%储存于水库沉积物，显著改变下游有机碳输送及河流生态系统营养动力学（Battin等, 2023; Mendonca等, 2017）。随着水库建设的快速发展，其对河流有机碳循环的影响已成为当前学术研究热点（Shao等, 2023; Yi等, 2021）。

本研究阐明喀斯特梯级水库在不同水文时期对DOC来源与分布的影响，主要发现如下：(1) DOC迁移转化受时间与热分层调控：热分层期（TSP）静水区以BCP驱动的内源有机质生产为主，取代陆源输入；垂直混合阶段则抑制光合作用同时增强呼吸耗氧过程。(2) TSP期间，HRT较长的水库中，深水层中自源碳酸钙的溶解与有机质生物降解释放的DIC维持下游BCP运行，驱动DOC沿梯级水库累积；反之，短HRT水库削弱梯级坝群对河流DOM的影响。(3) DOC浓度与通量自上游（0.9±0.5 mg L⁻¹；1076 ± 142 t yr⁻¹）至下游出口（1.1 ± 0.2 mg L⁻¹；18476 ± 667 t yr⁻¹）呈增长趋势，其中出库流量是主要的调控因子（R² = 0.90, p < 0.001）。综上，尽管生物过程受时空热力条件制约，但DOC通量增长主要源于水文调控而非内源生产，直接影响有机碳埋藏效率与CO₂排放。该认知对深化内源/外源碳输移机制研究及全球碳预算精准量化具重要科学意义。

文献信息：https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.124036

Dengming He, Wanfa Wang*, Yuanbi Yi*, Jun Zhong, Khan M.G. Mostofa, Xuan Hu, Wenhong Shi, Ding He, Si-Liang Li. Cascading river damming amplifies photosynthetic organic matter production and DOC transport. Water Research, 2025, 124036, 284.