水庫運(yùn)行對(duì)生源要素生物地化過程的影響及生態(tài)效應(yīng)

嚴(yán)維霞， 呂 路

（南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 江蘇 南京 210023）

0 引言

C，N，P和Si等生源要素的循環(huán)及相關(guān)生物地球化學(xué)過程是生物地化研究方面的核心內(nèi)容，而河流是營養(yǎng)物質(zhì)從流域向河口輸送的主要通道，是整個(gè)生物地化循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。水庫運(yùn)行改變了河流自然漲落水位，使河流湖庫化，從而改變了河流原有的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性，直接影響了生源要素物質(zhì)在河流中的輸送過程和通量，引起系列生態(tài)環(huán)境問題，如溫室氣體排放顯著增加，水體營養(yǎng)收支失衡導(dǎo)致的富營養(yǎng)化及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能變化等。目前，全球已建成50 000余座大型大壩和百萬余座的小型水庫，并且仍有成千上萬座大壩處于正在建設(shè)或規(guī)劃設(shè)計(jì)階段[1]。在全球氣候變化和人類活動(dòng)雙重影響的背景下，從全球尺度到區(qū)域尺度，水庫運(yùn)行的生態(tài)效應(yīng)都受到了更加廣泛的關(guān)注，也一直是水利工程學(xué)科和環(huán)境學(xué)科研究的前沿和熱點(diǎn)領(lǐng)域。本文從溫室氣體排放和營養(yǎng)鹽通量2個(gè)方面闡述水庫運(yùn)行對(duì)生源要素物質(zhì)生物地化過程的影響，并提出現(xiàn)階段可進(jìn)一步研究的熱點(diǎn)問題。

1 對(duì)溫室氣體排放的影響

1.1 水庫溫室氣體排放量

內(nèi)陸水體是溫室氣體N2O，CO2和CH4的重要來源，據(jù)保守估計(jì)，內(nèi)陸水體每年CH4排放量達(dá)0.65 Pg C，CO2排放量達(dá) 1.4 Pg C，約占陸地表面溫室氣體排放通量的79%，占全球溫室氣體排放通量的18%，對(duì)全球溫室效應(yīng)具有重要貢獻(xiàn)[2-3]。世界上292個(gè)大河系統(tǒng)中的172個(gè)受到大壩的影響[4]，因此水庫運(yùn)行對(duì)內(nèi)陸水體溫室氣體排放起著重要的調(diào)節(jié)作用。

一方面，庫區(qū)淹沒的土壤、植被及累積的有機(jī)質(zhì)在缺氧或厭氧狀態(tài)下分解，釋放CO2，CH4和N2O等溫室氣體，使之成為“源”，而另一方面，水庫中的水生植物或浮游植物通過光合作用固定CO2，使之成為“匯”。其中N2O的溫室效應(yīng)是CH4的13～21倍，而CH4溫室效應(yīng)是CO2的25倍以上[5]。因此，N2O和CH4是水庫溫室效應(yīng)研究的重點(diǎn)物質(zhì)。有相關(guān)研究統(tǒng)計(jì)了全球水電站CH4排放情況，指出全球平均每kWh電對(duì)應(yīng)排放85 g CO2和3 g CH4[6]。MAECK等[3]比較了歐洲中部河流與水庫河段CH4排放量，二者CH4排放均值分別為 0.23 和 19.7 mmol/(m2·d)，并據(jù)此估算出水庫物質(zhì)累積使得全球淡水水域CH4排放量增加了約7%。相比之下N2O排放量較小，見表1。

表1 不同湖庫N2O交換通量（F）比較

1.2 水庫溫室氣體排放影響因素

水庫溫室效應(yīng)在全球范圍及其自身空間分布上具有較大的跨度，且受季節(jié)與氣候的影響。CH4排放量主要受水庫地理位置、季節(jié)因素、運(yùn)行條件及生命周期等多種因素的影響。HERTWICH[6]利用82個(gè)水電站的測量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)單位kWh對(duì)應(yīng)的CH4排放強(qiáng)度呈正態(tài)分布，范圍從微克級(jí)到數(shù)十千克，與河流初級(jí)生產(chǎn)及水電站年齡等因素密切相關(guān)。YANG等[7]通過靜態(tài)箱法研究北京密云水庫后發(fā)現(xiàn)水庫岸邊帶是N2O產(chǎn)生的熱點(diǎn)區(qū)域，主要是由于該地區(qū)受水位波動(dòng)生物活性較強(qiáng)，其N2O通量為-136.6 ～ 381.8 μg/(m2·h)， 平均通量為 6.8 μg/(m2·h)，受水位、水溫的影響，且與土壤硝態(tài)氮含量有正相關(guān)關(guān)系。而農(nóng)業(yè)活動(dòng)集中區(qū)或熱帶區(qū)域一直被認(rèn)為是溫室氣體排放的“熱點(diǎn)”區(qū)域。BEAULIEU等[8]研究了美國俄亥俄州一個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū)域的季節(jié)性分層的富營養(yǎng)化水庫，發(fā)現(xiàn)其平均CH4強(qiáng)度高達(dá)176±36 mg/(m2·d)，為美國水庫CH4排放的最高紀(jì)錄。同樣，研究表明河庫過渡帶甲烷排放強(qiáng)度比其他庫區(qū)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，而從季節(jié)上看，溫度較高的春夏季排放較大，溫度較低的冬季排放最低[8]。即同一水庫N2O，CH4等排放也有空間和時(shí)間上的差別，通常入流區(qū)CH4排放量要高于常年淹沒區(qū)。另外，有研究推測，熱帶地區(qū)排放量比在溫帶和寒帶地區(qū)大的多（IPCC 2011），HERTWICH基于水庫面積和地理位置估算了CH4的排放量，得出熱帶、溫帶和寒帶年排放的 CH4分別是 46，7.2 和 40 g/m2， 這與MAECK的結(jié)果相似，是BARROS估算結(jié)果的2.5倍。昆士蘭南部3個(gè)亞熱帶淡水水庫CH4排放通量分別為4.8 ～ 20.5，2.3 ～ 5.4 和 2.3 ～ 7.5 mg/（m2·d）[3,6]。 另外，估算水庫溫室氣體的排放量也存在很大不確定性，除水庫年齡、地形、季節(jié)等時(shí)空差異性及排放形式外，估算模型的氣體傳輸速率選擇[3,10]以及包括水庫、土壤和沉積物在內(nèi)的碳循環(huán)等相關(guān)過程都要予以考慮。

1.3 水庫溫室氣體排放研究熱點(diǎn)

盡管在水庫CH4，N2O等溫室氣體排放量方面已有較多研究，從長期看，水庫溫室效應(yīng)仍然具有爭議。具有從生命周期上看，水庫建成初期活性有機(jī)質(zhì)分解十分迅速，溫室氣體排放量巨大，而幾年后氣體排放量會(huì)相應(yīng)減少，也有研究表明熱帶森林地區(qū)的水庫溫室氣體排放量在20 a之后才會(huì)減少。2014年政府間氣候變化專門委員會(huì)預(yù)估了的未來水電站建成初期溫室氣體排放量，發(fā)現(xiàn)其最大排放量可達(dá)化石燃料的10倍，但整個(gè)水電大壩生命周期內(nèi)溫室氣體排還是比煤炭燃燒低30倍以上，類似的推論早在2006年Nature就有所報(bào)道[9]。

因此，水庫溫室效應(yīng)仍然是具有重要意義的研究熱點(diǎn)，且需要多年的監(jiān)測，尤其是水庫消落帶等溫室氣體排放熱點(diǎn)區(qū)域更是值得關(guān)注，另外如何提高估算方法的準(zhǔn)確性與一致性仍是值得關(guān)注的問題。

2 對(duì)營養(yǎng)鹽的影響及生態(tài)效應(yīng)

2.1 對(duì)N，P和Si通量的影響及生態(tài)效應(yīng)

除了對(duì)全球或區(qū)域溫室氣體排放方面的巨大貢獻(xiàn)外，水庫運(yùn)行對(duì)生源要素物質(zhì)N，P和Si循環(huán)具有重要影響，并產(chǎn)生顯著的生態(tài)效應(yīng)。一方面，水庫阻斷了流域上下游物質(zhì)交換通道，使之成為營養(yǎng)元素的重要蓄積庫，在富營養(yǎng)化區(qū)域造成較為嚴(yán)重的水質(zhì)問題。同時(shí)由于對(duì)流域上游生源要素的阻截作用，其向下游輸出通量減少，影響包括下游河道、河口及臨近海域營養(yǎng)物質(zhì)的收支平衡，進(jìn)而影響到相關(guān)態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。另一方面，對(duì)貧營養(yǎng)化區(qū)域來說，營養(yǎng)元素減少會(huì)引起食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能的變化，并給上、下游河道或水庫魚類生存帶來較為嚴(yán)重的問題[9]。

HUMBORG等[10]1997年在Nature雜志上撰文指出多瑙河上的大壩建設(shè)使得輸向黑海的溶解性硅酸鹽通量減少了將近60%，并且是影響黑海浮游植物群落結(jié)構(gòu)從大型硅藻向鞭毛類群轉(zhuǎn)變重要因素，其對(duì)Si∶N摩爾比的降低作用甚至要高于富營養(yǎng)化過程的影響，此后，大壩對(duì)Si元素的滯留成為研究的熱點(diǎn)。我國長江流域上游大壩相關(guān)生態(tài)效應(yīng)也廣受關(guān)注，DAI等[11]通過長時(shí)間序列數(shù)據(jù)分析表明，大壩建設(shè)和運(yùn)行使長江流域近50 a來輸向河口的溶解性硅酸鹽通量大幅度減少，同時(shí)人為活動(dòng)排放營養(yǎng)鹽特別使N污染負(fù)荷顯著升高，Si∶N下降成為長江口赤潮頻發(fā)的重要原因。加拿大的庫特尼湖在上游水庫建成后，其P入湖負(fù)荷在七八十年代降至歷史最低水平，初級(jí)生產(chǎn)力和浮游動(dòng)物量降低，隨之而來的是大馬哈魚的捕獲量顯著減少，以至于不得不使用人工施肥手段來提高水體的營養(yǎng)水平。反過來，大壩建設(shè)阻斷了洄游性魚類的通道，特別是對(duì)上游的貧營養(yǎng)湖泊來說，洄游通道的阻隔使得來自海洋的營養(yǎng)元素（以魚類生物量存在，在其死亡后分解）不能補(bǔ)給到上游的源頭水系，對(duì)魚類產(chǎn)量及相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能造成嚴(yán)重影響。相關(guān)研究表明，在貧營養(yǎng)區(qū)域由洄游性魚類攜帶的營養(yǎng)物質(zhì)補(bǔ)給通常能占到整個(gè)湖泊入湖P負(fù)荷的30%。

2.2 水庫N，P和Si滯留通量及影響因素

目前，關(guān)于水庫對(duì)N，P和Si等營養(yǎng)鹽循環(huán)的影響研究主要集中于水庫滯留通量和效率的估算，相關(guān)研究結(jié)果表明全球水庫對(duì)溶解性硅酸鹽的年均滯留通量約為9.8 Tg SiO2，而總活性硅酸鹽的年均滯留通量約為22.3 Tg SiO2，占全球河流輸出硅酸鹽通量的5.3%[12]。然而，不同地區(qū)水庫對(duì)不同類型生源營養(yǎng)元素的滯留能力和效率差異較大。以多瑙河上著名的鐵門水庫為例，其N和P的平均滯留率分別為5%和12%，而Si的滯留率也僅為4%，輸入黑海營養(yǎng)元素的截流主要發(fā)生在上游水庫，而不是鐵門水庫。對(duì)法國塞納河上游3個(gè)大型水庫的營養(yǎng)元素收支平衡研究則表明，其對(duì)N，P和Si的滯留率較高，分別為40%，60%和50%[13]。我國三峽大壩作為世界上最大的水利工程之一，水庫運(yùn)行形成了典型的冬蓄夏泄的水文調(diào)節(jié)模式，水位變化范圍為145～175 m（見圖1）。研究表明，其對(duì)溶解性硅酸鹽和生物可利用硅酸鹽的滯留率分別為2.9%和44%，蓄水后入庫營養(yǎng)鹽有約18%的TN和15%的TP滯留于水庫中[14]。另外，研究表明，水庫對(duì)生源要素滯留效率很大程度上受控于不同元素的生物地球化學(xué)特征。一般來說，水庫中N主要通過反硝化和沉降損失，P屬于沉積性元素，其滯留率最高，基本上所有水庫都表現(xiàn)為P的“匯”，而Si的滯留主要通過生物作用進(jìn)行[15]。

圖1 三峽水庫年度水位變化

2.3 對(duì)營養(yǎng)鹽影響的研究熱點(diǎn)

從水庫自身的空間范圍來看，消落帶和河流-水庫過渡帶是水域生態(tài)系統(tǒng)與岸上陸地生態(tài)系統(tǒng)的交替控制地帶,該地帶具有生物的多樣性、人類活動(dòng)的頻繁性和生態(tài)的脆弱性的特點(diǎn)。隨著人類活動(dòng)的影響,已成為湖岸帶中生態(tài)最脆弱的地帶，且通常具有較高硝化和反硝化速率。消落帶具有較高的有機(jī)物沉積和硝酸鹽濃度，加上干濕較低的氧化還原環(huán)境，有利于硝化-反硝化的持續(xù)進(jìn)行[16]，而淹沒區(qū)反硝化速率通常會(huì)受到這些條件的限制，從而對(duì)N的遷移轉(zhuǎn)化有重要影響。消落帶和岸邊帶的水位漲落對(duì)P的滯留也產(chǎn)生重要影響，在淹水時(shí)缺氧或厭氧狀態(tài)會(huì)使沉積物中Fe3+被還原成Fe2+，導(dǎo)致鐵結(jié)合態(tài)磷易于解吸而釋放。許多研究表明，在水庫土壤或濕地在干濕交替過程中，落干和再淹水可能會(huì)導(dǎo)致N，P的大量釋放，生物可利用性大大提高。而對(duì)Si來說，水庫上游大面積的淹水一方面會(huì)降低淹沒帶硅酸巖的風(fēng)化作用，另一方面在富營養(yǎng)化的疊加作用下，緩流河道和庫區(qū)均會(huì)加快Si的生物性沉積[16-17]。

總的來說，水庫運(yùn)行對(duì)水體營養(yǎng)鹽滯留及遷移轉(zhuǎn)化過程具有重要影響。營養(yǎng)鹽遷移轉(zhuǎn)化過程較為復(fù)雜，仍然有較多問題值得進(jìn)一步研究，尤其是水庫運(yùn)行過程中水位波動(dòng)的變化對(duì)生源物質(zhì)循環(huán)過程的影響相關(guān)研究廣受關(guān)注，水庫消落帶、河道下游岸邊帶成為研究的熱點(diǎn)區(qū)域。

3 總結(jié)

綜上所述，水庫運(yùn)行對(duì)溫室氣體的排放及營養(yǎng)鹽都具有不可忽視的影響。然而，不論是在溫室氣體排放方面還是生源要素滯留通量與效率、影響過程與機(jī)制方面，由于全球水庫分布在空間、類型或運(yùn)行條件等多方面的差異，相關(guān)影響的定量化研究仍然存在較大困難。目前Si，P的滯留過程與通量核算、CH4排放等方面取得了較大進(jìn)展，而N相關(guān)研究仍然存在較大的不確定性，且水庫消落帶和河流-水庫過渡帶這一特殊區(qū)域的研究工作將持續(xù)成為重要的研究區(qū)域。另外，從水庫管理角度上看和生態(tài)友好原則出發(fā)，水庫調(diào)度對(duì)生源要素物質(zhì)循環(huán)過程的控制將顯得越來越重要，如不少學(xué)者就控制水庫甲烷排放量提出了建議，DIXON等[18]提出生態(tài)恢復(fù)包括從植被管理到水文過程控制，均可以固定更多CO2，在增加水庫的碳匯作用的同時(shí)減少水土流失，這些策略對(duì)其他生源要素生物地化過程的影響或控制將同樣具有重要意義。因此，深入研究水庫調(diào)度對(duì)生源要素的影響及生態(tài)效應(yīng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。