瀾滄江高壩大庫(kù)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化特征及其機(jī)制

陳宇琛,林育青,陳求穩(wěn),張建云

(1. 南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029；2. 南京水利科學(xué)研究院生態(tài)環(huán)境研究所,江蘇 南京 210024；3. 長(zhǎng)江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院,江蘇 南京 210098)

水電梯級(jí)開發(fā)是中國(guó)保障能源安全、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)際履約和支持碳中和的重要戰(zhàn)略,也是支持偏遠(yuǎn)山區(qū)脫貧發(fā)展直接有效的舉措。瀾滄江梯級(jí)、金沙江梯級(jí)等一批“國(guó)之重器”的水電工程建設(shè)在優(yōu)化中國(guó)能源結(jié)構(gòu)中起到了舉足輕重的作用。河流是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從流域向河口輸送的主要通道,是整個(gè)生物地球化學(xué)循環(huán)的重要環(huán)節(jié),梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)改變了河流的自然徑流過程及相應(yīng)的物質(zhì)場(chǎng)、能量場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)和生物場(chǎng),直接影響生源要素在河流中的生物地球化學(xué)循環(huán),進(jìn)而改變河流生態(tài)系統(tǒng)的生境特征、物種結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的生態(tài)功能,引起一系列生態(tài)環(huán)境問題[1- 3],如水庫(kù)生源物質(zhì)累積造成溫室氣體排放顯著增加、水體營(yíng)養(yǎng)收支失衡導(dǎo)致的富營(yíng)養(yǎng)化及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能變化等。

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(kù)對(duì)生源要素物質(zhì)生物地球化學(xué)過程的影響及其生態(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)科研究的前沿和熱點(diǎn)領(lǐng)域。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為水庫(kù)建設(shè)攔截營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),影響下游水生態(tài)系統(tǒng)甚至區(qū)域食品安全。一方面,水庫(kù)阻斷了流域上下游物質(zhì)交換通道,成為了生源要素的重要蓄積庫(kù),在富營(yíng)養(yǎng)化區(qū)域造成較為嚴(yán)重的水質(zhì)問題；同時(shí)影響了包括下游河道、河口及臨近海域營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的收支平衡,進(jìn)而威脅到下游水生態(tài)的功能與安全[4- 5]。Humborg等[6]在Nature雜志中指出，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%,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)變的重要因素,對(duì)硅氮比的降低作用甚至高于富營(yíng)養(yǎng)化過程的影響。中國(guó)長(zhǎng)江流域上游大壩相關(guān)生態(tài)效應(yīng)也廣受關(guān)注,Dai等[7]通過長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)分析表明,大壩建設(shè)和運(yùn)行使長(zhǎng)江流域近50 a來(lái)輸向河口的溶解性硅酸鹽通量大幅度減少,人為活動(dòng)排放營(yíng)養(yǎng)鹽使氮污染負(fù)荷顯著升高,硅氮比下降成為長(zhǎng)江口赤潮頻發(fā)的重要原因。另一方面,對(duì)貧營(yíng)養(yǎng)化區(qū)域來(lái)說(shuō),生源要素減少會(huì)引起食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能的變化,威脅浮游動(dòng)物量和魚類等水生生物的生存[8]。加拿大的庫(kù)特尼湖在上游水庫(kù)建成后,其磷入湖負(fù)荷在20世紀(jì)七八十年代降至歷史最低水平,浮游動(dòng)物的生物量降低,大馬哈魚的捕獲量顯著減少[9]。此外,大壩建設(shè)阻斷了洄游性魚類的通道,減少了外源營(yíng)養(yǎng)(魚類死亡后分解)的補(bǔ)給,貧營(yíng)養(yǎng)湖泊中由洄游性魚類攜帶的磷補(bǔ)給可占到入湖負(fù)荷的30%[10]。

中國(guó)在瀾滄江高壩水電開發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題上一直飽受國(guó)際爭(zhēng)議。核心觀點(diǎn)包括:梯級(jí)水庫(kù)攔截了大量泥沙及其攜帶的關(guān)鍵生源要素和重金屬等物質(zhì)；因水動(dòng)力條件的改變,微生物和浮游植物的生境變化,導(dǎo)致庫(kù)內(nèi)水華及溫室氣體排放和壩下初級(jí)生產(chǎn)力下降及食物鏈破壞,影響了下游水生態(tài)系統(tǒng)和食品安全性。受深水采樣技術(shù)和水土界面監(jiān)測(cè)技術(shù)的限制,一直以來(lái)缺乏深大水庫(kù)內(nèi)關(guān)鍵環(huán)境要素動(dòng)態(tài)的觀測(cè)數(shù)據(jù),時(shí)常出現(xiàn)觀測(cè)結(jié)果與模型分析或直觀認(rèn)識(shí)相互矛盾的現(xiàn)象。目前，高壩深庫(kù)對(duì)關(guān)鍵生源要素遷移轉(zhuǎn)化與物質(zhì)循環(huán)過程尚不清晰,水庫(kù)運(yùn)行對(duì)洲灘及潛流帶水土界面的影響仍不明確,建壩對(duì)河流細(xì)菌群落的影響也不明確。

在生態(tài)文明建設(shè)新形勢(shì)下,水電工程的生態(tài)環(huán)境問題已成為水電可持續(xù)開發(fā)利用的瓶頸。因此,本研究運(yùn)用自主研發(fā)設(shè)備,于2016年9月和2017年9月和2018年9月開展了瀾滄江上游1 290 km的9個(gè)梯級(jí)水庫(kù)的實(shí)地監(jiān)測(cè),且于2018年6月和12月在漫灣水庫(kù)開展了潛流帶水土界面監(jiān)測(cè),旨在揭示高壩大庫(kù)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的生態(tài)環(huán)境特征及其機(jī)制。

1 自主研發(fā)的深庫(kù)智慧采樣設(shè)備和潛流帶動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 高壩深庫(kù)水與沉積物智慧采樣設(shè)備

高壩深庫(kù)野外采樣作業(yè)地點(diǎn)往往地勢(shì)狹深多變,兩側(cè)多為陡峭的斜坡,采集設(shè)備若在水流作用下發(fā)生漂移,會(huì)導(dǎo)致采樣設(shè)備撞上斜坡或卡上樹枝,難以回收,巨大的拉力甚至導(dǎo)致翻船,因此采樣設(shè)備需在惡劣的使用條件下具有強(qiáng)適應(yīng)性及穩(wěn)定性。現(xiàn)有的Nansen采水瓶、GO- FLO采水器、Niskin采水器、Kemmerer(甘末爾)采水器和Van Dorn采水器等采用設(shè)備一般僅適用于采集水樣,不能同時(shí)采集沉積物樣品。底泥取樣設(shè)備方面,蚌式抓斗采泥器以及箱式取樣器適用于水底淺表層土樣的采集，重力柱狀振動(dòng)取樣器、壓入式和射入式取樣器等可適用于較大深度的采集，但振動(dòng)取樣器容易破壞水土界面,壓入式和射入式取樣器動(dòng)力源于燃料燃燒,會(huì)對(duì)水體造成污染。

因國(guó)外對(duì)高端深水采樣儀器和精密環(huán)境傳感器的技術(shù)管制,國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的深水采樣器仍然留停在簡(jiǎn)易封蓋式采水、簡(jiǎn)單重力式采泥的階段,采樣可靠性不高,自動(dòng)化程度低,作業(yè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。傳統(tǒng)采樣器在采樣深度達(dá)到60 m以后,很難進(jìn)行水深定位和機(jī)關(guān)啟動(dòng),在回收過程中也易受到水體擾動(dòng)影響,容易發(fā)生沉積物柱芯丟失等現(xiàn)象。因此,傳統(tǒng)深水采樣儀器在深度、精度、原位性及便捷性等方面,難以滿足高壩深庫(kù)分層水樣與沉積物樣品采集的需求。

圖1 高壩深庫(kù)水與沉積物智慧采樣設(shè)備Fig.1 Intelligent sampling and monitoring equipment for water and sediment in high and large reservoirs

Maavara等[11]自主研發(fā)了高壩深庫(kù)水與沉積物智慧采樣設(shè)備,配備有智能控制系統(tǒng)(圖1(a)),可深入水下進(jìn)行地形高清觀測(cè)、無(wú)擾動(dòng)采集沉積物柱芯、水體垂向分層精確采樣、關(guān)鍵理化參數(shù)同步監(jiān)測(cè)。深水分層水樣智能采集模塊,垂向溫度梯度能有效識(shí)別0.5 ℃溫度變化,通過擋片和舵機(jī)撥桿實(shí)現(xiàn)采水單元的限位和觸發(fā)(圖1(b)),該設(shè)備于2018年9月投入使用至今,在小灣和糯扎渡水庫(kù)經(jīng)歷多次下潛作業(yè)，單次下潛可獨(dú)立觸發(fā)10個(gè)采水單元,每單元200 mL集水量。實(shí)現(xiàn)了280 m最大工作水深的垂向分層定深精確采水,分層水樣間隔最小可達(dá)1 m,用于分層水體理化指標(biāo)測(cè)定、細(xì)菌群落測(cè)序等。深水沉積物柱心采集模塊,可利用推進(jìn)器局部調(diào)整精準(zhǔn)定位后,通過聲波振動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)適應(yīng)不同地區(qū)、不同軟硬度的沉積物無(wú)差別采集,保證擾動(dòng)強(qiáng)度當(dāng)量不超過0.5 cm(圖1(c),圖1(d))。采集沉積物用于生源物質(zhì)分級(jí)和重金屬汞、甲基汞及細(xì)菌群落的測(cè)定。

1.2 水庫(kù)潛流帶關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

水庫(kù)洲灘及潛流帶水土環(huán)境界面是物質(zhì)循環(huán)的熱點(diǎn)區(qū)域。然而,目前缺乏穩(wěn)定的可長(zhǎng)期在線感知的水土界面環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),導(dǎo)致庫(kù)區(qū)消落帶理化性質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)序列不足、數(shù)值的環(huán)境真實(shí)度不高等問題,難以滿足物質(zhì)循環(huán)過程及其通量研究的需求。

Shi等[12]研制了水庫(kù)消落帶關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該設(shè)備于2018年6月和12月在漫灣水庫(kù)投入使用至今,實(shí)現(xiàn)了消落帶水土界面基本理化多參數(shù)同步自動(dòng)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸,可長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)沉積物剖面理化性質(zhì)的垂向分層變化,獲得高精度長(zhǎng)時(shí)間序列的沉積物水土界面理化性質(zhì)。水位波動(dòng)、沉積物溫度、溶解氧、電導(dǎo)率等關(guān)鍵環(huán)境因子指標(biāo)監(jiān)測(cè)精度分別可達(dá)0.1 m、0.01 ℃、0.01 mg/L和1 S/m,為探明消落帶水- 沉積物微界面生物地球化學(xué)循環(huán)過程提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(圖2)。

圖2 水庫(kù)消落帶關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.2 Intelligent monitoring system for environmental factors in the subsurface zone of reservoirs

2 水庫(kù)氮磷和典型重金屬沉積與轉(zhuǎn)化

2.1 水庫(kù)氮磷沉積與轉(zhuǎn)化

目前,關(guān)于水庫(kù)對(duì)生源要素循環(huán)的影響研究主要集中于水庫(kù)滯留通量和效率的估算,相關(guān)研究結(jié)果表明[13]全球水庫(kù)對(duì)溶解性硅酸鹽的年均滯留通量約為163 G mol (9.8 Tg SiO2) ,而總活性硅酸鹽的年均滯留通量約為372 G mol(22.3 Tg SiO2),占全球河流輸出硅酸鹽通量的5.3%。然而,不同地區(qū)水庫(kù)對(duì)不同類型生源營(yíng)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(kù)為例,其N和P的平均滯留率分別為5%和12%[14],Si的滯留率也僅為4%[15]。對(duì)法國(guó)塞納河上游3個(gè)大型水庫(kù)的營(yíng)養(yǎng)元素收支平衡研究則表明[16],其對(duì)N、P和Si的滯留率較高,分別為40%、60%和50%。中國(guó)三峽水庫(kù)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%[17]。水庫(kù)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(lái)說(shuō),P屬于沉積性元素,其滯留率最高,基本上所有水庫(kù)都表現(xiàn)為P的“匯”[18],水庫(kù)中 N主要通過反硝化和沉降損失[17,19- 20]。由于全球水庫(kù)分布在空間、類型或運(yùn)行條件等多方面的差異,相關(guān)影響的定量化是基于泥沙淤積量估算的碳氮攔截通量,未考慮庫(kù)內(nèi)發(fā)生的生物地球化學(xué)循環(huán)引起的生源要素的形態(tài)轉(zhuǎn)化,忽略了其對(duì)下游氮磷生物可利用性和生態(tài)功能的作用。

Chen等[21]于2016年9月和2017年9月開展了瀾滄江梯級(jí)水庫(kù)沿程氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽及其形態(tài)的實(shí)地監(jiān)測(cè)和分析,發(fā)現(xiàn)因水庫(kù)的沉積物處于缺氧環(huán)境,導(dǎo)致鈣結(jié)合磷被還原后與鐵結(jié)合形成鐵結(jié)合磷,由上游河段的鈣結(jié)合磷為主轉(zhuǎn)變?yōu)橄掠我澡F結(jié)合磷為主(圖3(a))。隨著水力停留時(shí)間(HRT)的增加,被滯留的水庫(kù)表層的細(xì)菌和浮游植物吸收了水體中的硝氮,將其轉(zhuǎn)化為顆粒態(tài)有機(jī)氮并沉降到了水庫(kù)底部,底層因供氧不足,限制了微生物等的好氧硝化作用,導(dǎo)致了氨氮的累積,氮形態(tài)沿著水流方向由硝氮逐漸轉(zhuǎn)化為氨氮(圖3(b))。同時(shí),沉積物持續(xù)缺氧、沉積物中可溶性活性磷被釋放到深層水體中。深層水體中的氨氮和活性磷由底層泄水到達(dá)下一級(jí)水庫(kù)的表層,逐層累積導(dǎo)致水體中的生源物質(zhì)在向下游輸送過程中生物有效性不斷增加(圖3(c))。該研究結(jié)果說(shuō)明了實(shí)地監(jiān)測(cè)分析的重要性,揭示了建模沒有預(yù)見到的生源物質(zhì)形態(tài)轉(zhuǎn)變、初級(jí)生產(chǎn)力和物種組成的變化。

圖3 瀾滄江梯級(jí)水庫(kù)氮磷的沿程分布及其遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制Fig.3 Distribution and transformation mechanism of nitrogen and phosphorus of cascade reservoirs in the Lancang River

2.2 水庫(kù)汞沉積與轉(zhuǎn)化

隨著全球內(nèi)陸水域中甲基汞水平的持續(xù)增加,其健康風(fēng)險(xiǎn)一直受到廣泛關(guān)注。河流是汞輸移和甲基化的重要通道,隨著全球大規(guī)模筑壩活動(dòng)的進(jìn)行,河流的水動(dòng)力條件減弱,HRT增長(zhǎng),導(dǎo)致河流中汞和有機(jī)碳的累積增加和厭氧環(huán)境的增強(qiáng),進(jìn)而潛在地影響水庫(kù)中的甲基汞水平。先前研究已廣泛報(bào)道水庫(kù)對(duì)甲基汞的生成具有促進(jìn)作用,并受水深、HRT、庫(kù)齡及汞甲基化功能基因hgcAB豐度等多種因素影響[22]。例如,Eckley等[23]研究表明,水庫(kù)引起的水深增加通過增強(qiáng)厭氧環(huán)境,促進(jìn)了沉積物中汞的甲基化；St Louis等[24]研究表明,隨著水庫(kù)的運(yùn)行,水庫(kù)中的有機(jī)碳被不斷分解和消耗,導(dǎo)致水庫(kù)中汞的甲基化隨著水庫(kù)庫(kù)齡的增加而不斷降低,Rolfhus等[25]的研究也證實(shí)了此觀點(diǎn)。Ma等[26]研究指出,三峽水庫(kù)沉積物中汞的甲基化強(qiáng)度與汞甲基化功能基因hgcAB豐度分布有關(guān)。然而,目前對(duì)單一水庫(kù)的研究并不能有效揭示水庫(kù)特性對(duì)甲基汞動(dòng)態(tài)的影響,這不利于水庫(kù)運(yùn)行過程中對(duì)甲基汞風(fēng)險(xiǎn)的管控。隨著水電開發(fā)力度不斷加強(qiáng),河流梯級(jí)開發(fā)已成為中國(guó)水電能源開發(fā)的主要形式,然而梯級(jí)水庫(kù)并非沿河流方向修建,難以揭示物質(zhì)(例如氮、磷、重金屬等)的空間變化規(guī)律[27]。此外,水庫(kù)之間的庫(kù)容不同,導(dǎo)致梯級(jí)水庫(kù)的HRT存在差異。

Ma等[28]于2018年9月開展了梯級(jí)水庫(kù)沿程沉積物甲基汞的實(shí)地監(jiān)測(cè)和分析,發(fā)現(xiàn)在單庫(kù)中,沉積物中汞的含量與黏性土的占比呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系,即汞主要附著在黏性土上進(jìn)行輸移(圖4(a))。在微生物介導(dǎo)的汞甲基化作用下,泥沙顆粒作為汞、有機(jī)碳和甲基化微生物的載體,其沿程沉降的變化對(duì)汞的累積和甲基化起著重要作用(圖4(c))。通過小波分析法解析梯級(jí)水庫(kù)歷史沉降信息,發(fā)現(xiàn)水庫(kù)中甲基汞占比與水力停留時(shí)間呈正比,因水力停留時(shí)間越長(zhǎng),泥沙顆粒沉降越多,汞的累積和甲基化發(fā)生越充分；但與庫(kù)齡呈反比,因庫(kù)齡越大,原始沉積物質(zhì)消耗越多,甲基化發(fā)生越不足(圖4(b))。

圖 4 水力停留時(shí)間和庫(kù)齡對(duì)瀾滄江梯級(jí)水庫(kù)表層沉積物中甲基汞的影響Fig.4 Effects of hydraulic residence time and reservoir age on MeHg in surface sediments of cascade reservoirs in the Lancang River

3 碳氮溫室氣體釋放特征及其影響機(jī)制

水庫(kù)運(yùn)行對(duì)內(nèi)陸水體溫室氣體排放具有重要的調(diào)節(jié)作用，一方面,庫(kù)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”；另一方面,水庫(kù)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”[29- 30]。從生命周期上看,水庫(kù)建成初期活性有機(jī)質(zhì)分解十分迅速,排放量巨大,幾年后氣體排放量會(huì)相應(yīng)減少,但有研究表明熱帶森林地區(qū)的水庫(kù)溫室氣體排放量在20 a之后才會(huì)減少[8]。2014年政府間氣候變化專門委員會(huì)預(yù)估了未來(lái)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)溫室氣體排放量還是比煤炭燃燒低30倍以上,類似的推論早在2006年Nature就有所報(bào)道。然而,估算水庫(kù)溫室氣體的排放量存在很大不確定性,除水庫(kù)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[30-31]以及包括水庫(kù)、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[8]。

3.1 水庫(kù)碳氮溫室氣體釋放特征及其影響因子

CH4是水庫(kù)溫室效應(yīng)研究的重點(diǎn)物質(zhì),其溫室效應(yīng)是CO2的25倍以上[32]。CH4排放量主要受水庫(kù)地理位置、季節(jié)、運(yùn)行條件及生命周期等多種因素的影響。有相關(guān)研究統(tǒng)計(jì)了全球水電站CH4排放情況,指出全球平均每度電對(duì)應(yīng)排放85 g CO2和3 g CH4,并有2倍左右的不確定性[33]。Beaulieu等[33]利用82個(gè)水電站的測(cè)量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)單位千瓦時(shí)對(duì)應(yīng)的CH4排放強(qiáng)度呈正分布,范圍從微克級(jí)到數(shù)十公斤,與河流初級(jí)生產(chǎn)及水電站年齡等因素密切相關(guān)。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[29]。Barros等[34]研究了美國(guó)俄亥俄州1個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū)域的季節(jié)性分層的富營(yíng)養(yǎng)化水庫(kù),發(fā)現(xiàn)其平均CH4強(qiáng)度高達(dá)176±36 mg/(m2·d),為美國(guó)水庫(kù)CH4排放的最高紀(jì)錄。Fearnside等[35]比較了歐洲中部河流與水庫(kù)河段CH4排放量,二者排放均值分別為3.6 mg/(m2·d) 和315.2 mg/(m2·d),并據(jù)此估算出水庫(kù)物質(zhì)累積使得全球淡水水域CH4排放量增加了約7%。IPCC 2011第5次評(píng)估報(bào)告推測(cè),熱帶地區(qū)排放量比在溫帶和寒帶地區(qū)大的多,Hertwich[32]基于水庫(kù)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 g/m2、7.2 g/m2和4.0 g/m2,這與Maeck等[36]的結(jié)果相似,是Barros等[34]估算結(jié)果的2.5倍。昆士蘭南部3個(gè)亞熱帶淡水水庫(kù)CH4排放通量分別為4.8～20.5 mg/(m2·d)、2.3～5.4 mg/(m2·d)和2.3～7.5 mg/(m2·d)。此外,同一水庫(kù)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)[30]。Beaulieu等[33]相關(guān)研究表明河庫(kù)過渡帶CH4排放強(qiáng)度比其他庫(kù)區(qū)高出1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。

Shi等[37]于2016年9月開展了瀾滄江梯級(jí)水庫(kù)沿程CH4排放通量的調(diào)查分析,發(fā)現(xiàn)瀾滄江梯級(jí)水庫(kù)CH4排放通量和凈溫室效應(yīng)隨著建壩略有增加,但與世界同級(jí)別水庫(kù)相比,瀾滄江梯級(jí)碳溫室氣體的排放通量遠(yuǎn)低于世界平均水平(圖5(a))；瀾滄江第一級(jí)水庫(kù)是碳溫室氣體排放的熱點(diǎn),但是隨著庫(kù)齡的增加,排放量呈持續(xù)降低的趨勢(shì)(圖5(b))。

圖5 瀾滄江沿程碳氮溫室氣體釋放空間特征Fig.5 Spatial characteristics of carbon and nitrogen green house gas emission along the Lancang River

N2O的當(dāng)量溫室效應(yīng)是 CO2的298倍。近年來(lái),研究認(rèn)為水電開發(fā)導(dǎo)致水庫(kù)增加了內(nèi)陸水體的N2O排放，但是對(duì)水庫(kù)N2O產(chǎn)生機(jī)理、釋放水平及控制因素的認(rèn)識(shí)依然欠缺。此外,水庫(kù)沿程存在氮素的輸入,其對(duì)梯級(jí)水庫(kù)氮溫室氣體排放通量的增加存在貢獻(xiàn),水電開發(fā)導(dǎo)致的N2O排放增量尚不清晰。Shi等[38]于2016年9月和2017年9月開展了瀾滄江梯級(jí)水庫(kù)沿程N(yùn)2O排放通量的的調(diào)查分析,發(fā)現(xiàn)瀾滄江氮溫室氣體排放通量遠(yuǎn)低于世界平均水平(圖5(a))，梯級(jí)水庫(kù)N2O排放通量自上游起呈沿程遞增趨勢(shì)(圖5(b))，沿程氮素輸入和溫度上升是導(dǎo)致N2O釋放通量沿程遞增的原因。

3.2 水庫(kù)洲灘碳氮溫室氣體釋放特征及其機(jī)制

水庫(kù)運(yùn)行過程中水位波動(dòng)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(kù)消落帶、河道下游岸邊帶成為研究的熱點(diǎn)區(qū)域[39- 40]。從水庫(kù)自身的空間范圍來(lái)看,消落帶和河流- 水庫(kù)過渡帶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,加上干濕交替的氧化還原環(huán)境,有利于硝化- 反硝化的持續(xù)進(jìn)行[41- 42]。這不僅促進(jìn)了水庫(kù)物質(zhì)與陸生圈的物質(zhì)交換,所產(chǎn)生的氧化還原條件交替也會(huì)對(duì)溫室氣體釋放產(chǎn)生影響。

Shi等[12]于2016年9月在漫灣水庫(kù)開展了洲灘CH4釋放空間分布特征分析,發(fā)現(xiàn)水庫(kù)洲灘中心是CH4釋放的高值區(qū),但洲灘近岸區(qū)存在環(huán)狀地帶,CH4釋放量很低甚至為碳匯。因水庫(kù)運(yùn)行導(dǎo)致水位頻繁波動(dòng),加強(qiáng)了潛流物質(zhì)與能量交換,調(diào)節(jié)了潛流帶的微生物過程(豐度與活性),從而影響碳的循環(huán)即CH4的排放,致使CH4最終釋放水平降低(圖6(a))。Shi等[12]于2018年6月和12月在漫灣水庫(kù)運(yùn)用自主研發(fā)的消落帶關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),開展了水土界面的氮轉(zhuǎn)化過程在線監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)水庫(kù)運(yùn)行導(dǎo)致的水位波動(dòng)引起周期性“淹沒—落干”,提高了干濕交替頻率(圖6(b)),增強(qiáng)了單寬反硝化速率；同時(shí)河流建庫(kù)及其蓄水抬升水位擴(kuò)大了干濕交替區(qū)域的面積,從而增強(qiáng)了水陸交錯(cuò)帶反硝化作用,促進(jìn)了水庫(kù)脫氮能力(圖6(c))；闡明了庫(kù)水位人工調(diào)控對(duì)氮生物地球化學(xué)循環(huán)的定量影響及其機(jī)制,表明水力發(fā)電對(duì)水庫(kù)關(guān)鍵帶具有脫氮和溫室氣體削減等正面環(huán)境效應(yīng)。

圖6 水庫(kù)洲灘碳氮溫室氣體釋放時(shí)空分布特征Fig.6 Spatial distribution characteristics of carbon and nitrogen greenhouse gas emissions in reservoir riparian

4 梯級(jí)水庫(kù)細(xì)菌群落分布特征及其功能效應(yīng)

細(xì)菌群落在水生生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量傳遞中起著關(guān)鍵作用,細(xì)菌群落的變化會(huì)對(duì)物質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生重大影響[12,43],其生物地球化學(xué)過程與細(xì)菌組成、豐富程度和生物活性密切相關(guān)[44- 45]。河流中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)會(huì)受到緯度、海拔、水溫、pH、土地利用、支流匯入、營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)質(zhì)的影響[46- 53]。通常來(lái)說(shuō),上游河流流速湍急,溫度較低,適合生長(zhǎng)速度快、競(jìng)爭(zhēng)能力低的類桿菌等細(xì)菌生長(zhǎng)(r- 選擇)；下游河流流速較緩,溫度較高,生長(zhǎng)速度慢、競(jìng)爭(zhēng)能力高的放線桿菌則成為優(yōu)勢(shì)物種(k- 選擇)[54]。支流匯入不同生境的微生物群落,貢獻(xiàn)了河流微生物的“群體效應(yīng)”[55- 57]；水環(huán)境條件的變化使特定的物種更具競(jìng)爭(zhēng)力,貢獻(xiàn)了本地微生物群落的“環(huán)境選擇”[58- 59]。水庫(kù)建設(shè)改變了水文條件，截留水庫(kù)中含有有機(jī)物的沉積物,導(dǎo)致本地水環(huán)境的異質(zhì)性增加,從而影響河流微生物的“環(huán)境選擇”[57,60]。單個(gè)深水水庫(kù)具有與深水湖泊相似的水環(huán)境特征,如有季節(jié)性的熱分層、溶氧分層[48,61]。水溫和溶解氧的分層對(duì)水體細(xì)菌群落的分布有顯著影響,垂向上表現(xiàn)出物種組成的差異[62]。河流中的梯級(jí)大壩通常形成一系列不同特征的水庫(kù)[63],且下游水庫(kù)的水環(huán)境條件受上游最近水庫(kù)泄水的影響,可能導(dǎo)致細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的特征不同于單個(gè)水庫(kù)或湖泊。

Chen等[45]于2018年9月運(yùn)用自主研發(fā)的高壩深庫(kù)水與沉積物智慧采樣設(shè)備開展了瀾滄江深大水庫(kù)的細(xì)菌群落分層調(diào)研,研究表明筑壩未造成細(xì)菌群落的隔離,地理距離是決定河流細(xì)菌群落空間分布的主要因素(圖7(a))。細(xì)菌在垂向無(wú)明顯分層,水庫(kù)尺度下的“環(huán)境選擇”效應(yīng)逐漸超越“群體效應(yīng)”成為影響細(xì)菌群落組成的主要因素。河流筑壩后急流因攔截變?yōu)榫徚?有機(jī)質(zhì)和細(xì)菌含量較高的細(xì)粒沉積物沉降在水庫(kù)中部,庫(kù)中細(xì)菌的碳氮循環(huán)相關(guān)功能基因豐度最高,形成了生物地球化學(xué)循環(huán)的“熱區(qū)”(圖7(b))。該研究為梯級(jí)水庫(kù)河流中細(xì)菌群落的分布及其功能的研究提供了一個(gè)新的視角,為預(yù)測(cè)微生物介導(dǎo)的生物地球化學(xué)循環(huán)提供了理論依據(jù)。

圖7 瀾滄江細(xì)菌群落分布特征Fig.7 Distribution characteristics of bacterial community along the Lancang River

5 結(jié) 論

本研究通過自主研發(fā)高壩深庫(kù)水與沉積物智慧采樣設(shè)備、水庫(kù)消落帶關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),分別實(shí)現(xiàn)了適應(yīng)280 m最大工作水深的水庫(kù)垂向分層定深精確采水、深水沉積物柱心采集和消落帶的參數(shù)同步自動(dòng)監(jiān)測(cè),于2016年、2017年和2018年對(duì)瀾滄江1 290 km梯級(jí)水庫(kù)開展了調(diào)查和分析,研究發(fā)現(xiàn):

(1) 筑壩后水力停留時(shí)間增加,水庫(kù)表層的細(xì)菌和浮游植物被滯留在庫(kù)中,但筑壩未造成細(xì)菌群落的隔離,地理距離是決定河流細(xì)菌群落空間分布的主要因素。

(2) 因上游水庫(kù)泄水異重流導(dǎo)致下游水庫(kù)溫躍層缺失,分層效應(yīng)減弱,細(xì)菌和浮游植物將水體中的硝氮轉(zhuǎn)化為顆粒態(tài)有機(jī)氮并沉降到了水庫(kù)底部,在縱向上于庫(kù)中形成了代謝熱區(qū)。

(3) 沉積物的缺氧環(huán)境導(dǎo)致鈣磷向生物可利用性更高的鐵磷轉(zhuǎn)化,并被釋放到深層水體中；細(xì)菌介導(dǎo)的碳氮循環(huán)在此處形成代謝熱區(qū),但好氧的硝化作用被限制,導(dǎo)致了氨氮的累積。深層水體中的氨氮和生物可利用磷由底層泄水到達(dá)下一級(jí)水庫(kù),逐層累積導(dǎo)致水體中生物有效性不斷增加,增強(qiáng)了下游河道初級(jí)生產(chǎn)力。

(4) 建壩促進(jìn)了沉積物中汞的甲基化,甲基汞主要附著在黏性土上輸移,其比例受水庫(kù)水力停留時(shí)間和庫(kù)齡的共同作用,隨水力停留時(shí)間增加而升高,隨庫(kù)齡增大而降低。

(5) 建壩促進(jìn)了溫室氣體的排放,但其通量遠(yuǎn)低于世界平均水平。水庫(kù)發(fā)電導(dǎo)致庫(kù)水位頻繁波動(dòng),增加了潛流帶干濕交替的頻率及其區(qū)域的面積,進(jìn)而影響了微生物介導(dǎo)的脫氮脫碳效應(yīng)。

本研究以實(shí)地調(diào)研為基礎(chǔ),改變了長(zhǎng)期以來(lái)有關(guān)建壩對(duì)河流生源要素影響的傳統(tǒng)認(rèn)知,為梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)下的物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化提供了新的視角、數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。