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)國家重點實驗室,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. 長江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院,江蘇 南京 210098)

水電梯級開發(fā)是中國保障能源安全、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、應(yīng)對氣候變化國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、金沙江梯級等一批“國之重器”的水電工程建設(shè)在優(yōu)化中國能源結(jié)構(gòu)中起到了舉足輕重的作用。河流是營養(yǎng)物質(zhì)從流域向河口輸送的主要通道,是整個生物地球化學(xué)循環(huán)的重要環(huán)節(jié),梯級水庫建設(shè)改變了河流的自然徑流過程及相應(yīng)的物質(zhì)場、能量場、化學(xué)場和生物場,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],如水庫生源物質(zhì)累積造成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。

在全球氣候變化和人類活動雙重影響的背景下,從全球尺度到區(qū)域尺度,水庫對生源要素物質(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領(lǐng)域。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為水庫建設(shè)攔截營養(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,在富營養(yǎng)化區(qū)域造成較為嚴(yán)重的水質(zhì)問題；同時影響了包括下游河道、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,對硅氮比的降低作用甚至高于富營養(yǎng)化過程的影響。中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[7]通過長時間序列數(shù)據(jù)分析表明,大壩建設(shè)和運行使長江流域近50 a來輸向河口的溶解性硅酸鹽通量大幅度減少,人為活動排放營養(yǎng)鹽使氮污染負(fù)荷顯著升高,硅氮比下降成為長江口赤潮頻發(fā)的重要原因。另一方面,對貧營養(yǎng)化區(qū)域來說,生源要素減少會引起食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能的變化,威脅浮游動物量和魚類等水生生物的生存[8]。加拿大的庫特尼湖在上游水庫建成后,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,減少了外源營養(yǎng)(魚類死亡后分解)的補給,貧營養(yǎng)湖泊中由洄游性魚類攜帶的磷補給可占到入湖負(fù)荷的30%[10]。

中國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際爭議。核心觀點包括:梯級水庫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)；因水動力條件的改變,微生物和浮游植物的生境變化,導(dǎo)致庫內(nèi)水華及溫室氣體排放和壩下初級生產(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)測技術(shù)的限制,一直以來缺乏深大水庫內(nèi)關(guān)鍵環(huán)境要素動態(tài)的觀測數(shù)據(jù),時常出現(xiàn)觀測結(jié)果與模型分析或直觀認(rèn)識相互矛盾的現(xiàn)象。目前，高壩深庫對關(guān)鍵生源要素遷移轉(zhuǎn)化與物質(zhì)循環(huán)過程尚不清晰,水庫運行對洲灘及潛流帶水土界面的影響仍不明確,建壩對河流細(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個梯級水庫的實地監(jiān)測,且于2018年6月和12月在漫灣水庫開展了潛流帶水土界面監(jiān)測,旨在揭示高壩大庫物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的生態(tài)環(huán)境特征及其機制。

1 自主研發(fā)的深庫智慧采樣設(shè)備和潛流帶動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 高壩深庫水與沉積物智慧采樣設(shè)備

高壩深庫野外采樣作業(yè)地點往往地勢狹深多變,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適應(yīng)性及穩(wěn)定性?，F(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，但振動取樣器容易破壞水土界面,壓入式和射入式取樣器動力源于燃料燃燒,會對水體造成污染。

因國外對高端深水采樣儀器和精密環(huán)境傳感器的技術(shù)管制,國內(nèi)傳統(tǒng)的深水采樣器仍然留停在簡易封蓋式采水、簡單重力式采泥的階段,采樣可靠性不高,自動化程度低,作業(yè)費時費力。傳統(tǒng)采樣器在采樣深度達(dá)到60 m以后,很難進(jìn)行水深定位和機關(guān)啟動,在回收過程中也易受到水體擾動影響,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,難以滿足高壩深庫分層水樣與沉積物樣品采集的需求。

圖1 高壩深庫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、無擾動采集沉積物柱芯、水體垂向分層精確采樣、關(guān)鍵理化參數(shù)同步監(jiān)測。深水分層水樣智能采集模塊,垂向溫度梯度能有效識別0.5 ℃溫度變化,通過擋片和舵機撥桿實現(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經(jīng)歷多次下潛作業(yè)，單次下潛可獨立觸發(fā)10個采水單元,每單元200 mL集水量。實現(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)測定、細(xì)菌群落測序等。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,通過聲波振動技術(shù)實現(xiàn)適應(yīng)不同地區(qū)、不同軟硬度的沉積物無差別采集,保證擾動強度當(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)分級和重金屬汞、甲基汞及細(xì)菌群落的測定。

1.2 水庫潛流帶關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

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

Shi等[12]研制了水庫消落帶關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),該設(shè)備于2018年6月和12月在漫灣水庫投入使用至今,實現(xiàn)了消落帶水土界面基本理化多參數(shù)同步自動監(jiān)測和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸,可長期連續(xù)監(jiān)測沉積物剖面理化性質(zhì)的垂向分層變化,獲得高精度長時間序列的沉積物水土界面理化性質(zhì)。水位波動、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 水庫消落帶關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)Fig.2 Intelligent monitoring system for environmental factors in the subsurface zone of reservoirs

2 水庫氮磷和典型重金屬沉積與轉(zhuǎn)化

2.1 水庫氮磷沉積與轉(zhuǎn)化

目前,關(guān)于水庫對生源要素循環(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[13]全球水庫對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)水庫對不同類型生源營養(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%[14],Si的滯留率也僅為4%[15]。對法國塞納河上游3個大型水庫的營養(yǎng)元素收支平衡研究則表明[16],其對N、P和Si的滯留率較高,分別為40%、60%和50%。中國三峽水庫對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]。水庫對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,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”[18],水庫中 N主要通過反硝化和沉降損失[17,19- 20]。由于全球水庫分布在空間、類型或運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水庫沿程氮、磷營養(yǎng)鹽及其形態(tài)的實地監(jiān)測和分析,發(fā)現(xiàn)因水庫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))。隨著水力停留時間(HRT)的增加,被滯留的水庫表層的細(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)有機氮并沉降到了水庫底部,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,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)下一級水庫的表層,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)果說明了實地監(jiān)測分析的重要性,揭示了建模沒有預(yù)見到的生源物質(zhì)形態(tài)轉(zhuǎn)變、初級生產(chǎn)力和物種組成的變化。

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

2.2 水庫汞沉積與轉(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)模筑壩活動的進(jìn)行,河流的水動力條件減弱,HRT增長,導(dǎo)致河流中汞和有機碳的累積增加和厭氧環(huán)境的增強,進(jìn)而潛在地影響水庫中的甲基汞水平。先前研究已廣泛報道水庫對甲基汞的生成具有促進(jìn)作用,并受水深、HRT、庫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,水庫引起的水深增加通過增強厭氧環(huán)境,促進(jìn)了沉積物中汞的甲基化；St Louis等[24]研究表明,隨著水庫的運行,水庫中的有機碳被不斷分解和消耗,導(dǎo)致水庫中汞的甲基化隨著水庫庫齡的增加而不斷降低,Rolfhus等[25]的研究也證實了此觀點。Ma等[26]研究指出,三峽水庫沉積物中汞的甲基化強度與汞甲基化功能基因hgcAB豐度分布有關(guān)。然而,目前對單一水庫的研究并不能有效揭示水庫特性對甲基汞動態(tài)的影響,這不利于水庫運行過程中對甲基汞風(fēng)險的管控。隨著水電開發(fā)力度不斷加強,河流梯級開發(fā)已成為中國水電能源開發(fā)的主要形式,然而梯級水庫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,水庫之間的庫容不同,導(dǎo)致梯級水庫的HRT存在差異。

Ma等[28]于2018年9月開展了梯級水庫沿程沉積物甲基汞的實地監(jiān)測和分析,發(fā)現(xiàn)在單庫中,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、有機碳和甲基化微生物的載體,其沿程沉降的變化對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水庫歷史沉降信息,發(fā)現(xiàn)水庫中甲基汞占比與水力停留時間呈正比,因水力停留時間越長,泥沙顆粒沉降越多,汞的累積和甲基化發(fā)生越充分；但與庫齡呈反比,因庫齡越大,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 水力停留時間和庫齡對瀾滄江梯級水庫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制

水庫運行對內(nèi)陸水體溫室氣體排放具有重要的調(diào)節(jié)作用，一方面,庫區(qū)淹沒的土壤、植被及累積的有機質(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,水庫建成初期活性有機質(zhì)分解十分迅速,排放量巨大,幾年后氣體排放量會相應(yīng)減少,但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之后才會減少[8]。2014年政府間氣候變化專門委員會預(yù)估了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就有所報道。然而,估算水庫溫室氣體的排放量存在很大不確定性,除水庫年齡、地形、季節(jié)等時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、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 水庫碳氮溫室氣體釋放特征及其影響因子

CH4是水庫溫室效應(yīng)研究的重點物質(zhì),其溫室效應(yīng)是CO2的25倍以上[32]。CH4排放量主要受水庫地理位置、季節(jié)、運行條件及生命周期等多種因素的影響。有相關(guān)研究統(tǒng)計了全球水電站CH4排放情況,指出全球平均每度電對應(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個水電站的測量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)單位千瓦時對應(yīng)的CH4排放強度呈正分布,范圍從微克級到數(shù)十公斤,與河流初級生產(chǎn)及水電站年齡等因素密切相關(guān)。農(nóng)業(yè)活動集中區(qū)或熱帶區(qū)域一直被認(rèn)為是溫室氣體排放的“熱點”區(qū)域[29]。Barros等[34]研究了美國俄亥俄州1個農(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強度高達(dá)176±36 mg/(m2·d),為美國水庫CH4排放的最高紀(jì)錄。Fearnside等[35]比較了歐洲中部河流與水庫河段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次評估報告推測,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個亞熱帶淡水水庫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,同一水庫排放也有空間和時間上的差別,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)研究表明河庫過渡帶CH4排放強度比其他庫區(qū)高出1個數(shù)量級,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水庫沿程CH4排放通量的調(diào)查分析,發(fā)現(xiàn)瀾滄江梯級水庫CH4排放通量和凈溫室效應(yīng)隨著建壩略有增加,但與世界同級別水庫相比,瀾滄江梯級碳溫室氣體的排放通量遠(yuǎn)低于世界平均水平(圖5(a))；瀾滄江第一級水庫是碳溫室氣體排放的熱點,但是隨著庫齡的增加,排放量呈持續(xù)降低的趨勢(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,研究認(rèn)為水電開發(fā)導(dǎo)致水庫增加了內(nèi)陸水體的N2O排放，但是對水庫N2O產(chǎn)生機理、釋放水平及控制因素的認(rèn)識依然欠缺。此外,水庫沿程存在氮素的輸入,其對梯級水庫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水庫沿程N2O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))，梯級水庫N2O排放通量自上游起呈沿程遞增趨勢(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 水庫洲灘碳氮溫室氣體釋放特征及其機制

水庫運行過程中水位波動對生源物質(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區(qū)域[39- 40]。從水庫自身的空間范圍來看,消落帶和河流- 水庫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對溫室氣體釋放產(chǎn)生影響。

Shi等[12]于2016年9月在漫灣水庫開展了洲灘CH4釋放空間分布特征分析,發(fā)現(xiàn)水庫洲灘中心是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。因水庫運行導(dǎo)致水位頻繁波動,加強了潛流物質(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月在漫灣水庫運用自主研發(fā)的消落帶關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),開展了水土界面的氮轉(zhuǎn)化過程在線監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)水庫運行導(dǎo)致的水位波動引起周期性“淹沒—落干”,提高了干濕交替頻率(圖6(b)),增強了單寬反硝化速率；同時河流建庫及其蓄水抬升水位擴大了干濕交替區(qū)域的面積,從而增強了水陸交錯帶反硝化作用,促進(jìn)了水庫脫氮能力(圖6(c))；闡明了庫水位人工調(diào)控對氮生物地球化學(xué)循環(huán)的定量影響及其機制,表明水力發(fā)電對水庫關(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 水庫洲灘碳氮溫室氣體釋放時空分布特征Fig.6 Spatial distribution characteristics of carbon and nitrogen greenhouse gas emissions in reservoir riparian

4 梯級水庫細(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)菌群落的變化會對物質(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)會受到緯度、海拔、水溫、pH、土地利用、支流匯入、營養(yǎng)鹽和有機質(zhì)的影響[46- 53]。通常來說,上游河流流速湍急,溫度較低,適合生長速度快、競爭能力低的類桿菌等細(xì)菌生長(r- 選擇)；下游河流流速較緩,溫度較高,生長速度慢、競爭能力高的放線桿菌則成為優(yōu)勢物種(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爭力,貢獻(xiàn)了本地微生物群落的“環(huán)境選擇”[58- 59]。水庫建設(shè)改變了水文條件，截留水庫中含有有機物的沉積物,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]。單個深水水庫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]。河流中的梯級大壩通常形成一系列不同特征的水庫[63],且下游水庫的水環(huán)境條件受上游最近水庫泄水的影響,可能導(dǎo)致細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的特征不同于單個水庫或湖泊。

Chen等[45]于2018年9月運用自主研發(fā)的高壩深庫水與沉積物智慧采樣設(shè)備開展了瀾滄江深大水庫的細(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)菌在垂向無明顯分層,水庫尺度下的“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?有機質(zhì)和細(xì)菌含量較高的細(xì)粒沉積物沉降在水庫中部,庫中細(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))。該研究為梯級水庫河流中細(xì)菌群落的分布及其功能的研究提供了一個新的視角,為預(yù)測微生物介導(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)高壩深庫水與沉積物智慧采樣設(shè)備、水庫消落帶關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),分別實現(xiàn)了適應(yīng)280 m最大工作水深的水庫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)同步自動監(jiān)測,于2016年、2017年和2018年對瀾滄江1 290 km梯級水庫開展了調(diào)查和分析,研究發(fā)現(xiàn):

(1) 筑壩后水力停留時間增加,水庫表層的細(xì)菌和浮游植物被滯留在庫中,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) 因上游水庫泄水異重流導(dǎo)致下游水庫溫躍層缺失,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)有機氮并沉降到了水庫底部,在縱向上于庫中形成了代謝熱區(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)下一級水庫,逐層累積導(dǎo)致水體中生物有效性不斷增加,增強了下游河道初級生產(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,其比例受水庫水力停留時間和庫齡的共同作用,隨水力停留時間增加而升高,隨庫齡增大而降低。

(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。水庫發(fā)電導(dǎo)致庫水位頻繁波動,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)。

本研究以實地調(diào)研為基礎(chǔ),改變了長期以來有關(guān)建壩對河流生源要素影響的傳統(tǒng)認(rèn)知,為梯級水庫建設(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)。