水库运行对生源要素生物地化过程的影响及生态效应

严维霞， 吕 路

（南京大学环境学院， 江苏 南京 210023）

0 引言

C，N，P和Si等生源要素的循环及相关生物地球化学过程是生物地化研究方面的核心内容，而河流是营养物质从流域向河口输送的主要通道，是整个生物地化循环的重要环节。水库运行改变了河流自然涨落水位，使河流湖库化，从而改变了河流原有的物理、化学和生物学特性，直接影响了生源要素物质在河流中的输送过程和通量，引起系列生态环境问题，如温室气体排放显著增加，水体营养收支失衡导致的富营养化及生态系统结构与功能变化等。目前，全球已建成50 000余座大型大坝和百万余座的小型水库，并且仍有成千上万座大坝处于正在建设或规划设计阶段[1]。在全球气候变化和人类活动双重影响的背景下，从全球尺度到区域尺度，水库运行的生态效应都受到了更加广泛的关注，也一直是水利工程学科和环境学科研究的前沿和热点领域。本文从温室气体排放和营养盐通量2个方面阐述水库运行对生源要素物质生物地化过程的影响，并提出现阶段可进一步研究的热点问题。

1 对温室气体排放的影响

1.1 水库温室气体排放量

内陆水体是温室气体N2O，CO2和CH4的重要来源，据保守估计，内陆水体每年CH4排放量达0.65 Pg C，CO2排放量达 1.4 Pg C，约占陆地表面温室气体排放通量的79%，占全球温室气体排放通量的18%，对全球温室效应具有重要贡献[2-3]。世界上292个大河系统中的172个受到大坝的影响[4]，因此水库运行对内陆水体温室气体排放起着重要的调节作用。

一方面，库区淹没的土壤、植被及累积的有机质在缺氧或厌氧状态下分解，释放CO2，CH4和N2O等温室气体，使之成为“源”，而另一方面，水库中的水生植物或浮游植物通过光合作用固定CO2，使之成为“汇”。其中N2O的温室效应是CH4的13～21倍，而CH4温室效应是CO2的25倍以上[5]。因此，N2O和CH4是水库温室效应研究的重点物质。有相关研究统计了全球水电站CH4排放情况，指出全球平均每kWh电对应排放85 g CO2和3 g CH4[6]。MAECK等[3]比较了欧洲中部河流与水库河段CH4排放量，二者CH4排放均值分别为 0.23 和 19.7 mmol/(m2·d)，并据此估算出水库物质累积使得全球淡水水域CH4排放量增加了约7%。相比之下N2O排放量较小，见表1。

表1 不同湖库N2O交换通量（F）比较

1.2 水库温室气体排放影响因素

水库温室效应在全球范围及其自身空间分布上具有较大的跨度，且受季节与气候的影响。CH4排放量主要受水库地理位置、季节因素、运行条件及生命周期等多种因素的影响。HERTWICH[6]利用82个水电站的测量数据分析发现单位kWh对应的CH4排放强度呈正态分布，范围从微克级到数十千克，与河流初级生产及水电站年龄等因素密切相关。YANG等[7]通过静态箱法研究北京密云水库后发现水库岸边带是N2O产生的热点区域，主要是由于该地区受水位波动生物活性较强，其N2O通量为-136.6 ～ 381.8 μg/(m2·h)， 平均通量为 6.8 μg/(m2·h)，受水位、水温的影响，且与土壤硝态氮含量有正相关关系。而农业活动集中区或热带区域一直被认为是温室气体排放的“热点”区域。BEAULIEU等[8]研究了美国俄亥俄州一个农业区域的季节性分层的富营养化水库，发现其平均CH4强度高达176±36 mg/(m2·d)，为美国水库CH4排放的最高纪录。同样，研究表明河库过渡带甲烷排放强度比其他库区高出一个数量级，而从季节上看，温度较高的春夏季排放较大，温度较低的冬季排放最低[8]。即同一水库N2O，CH4等排放也有空间和时间上的差别，通常入流区CH4排放量要高于常年淹没区。另外，有研究推测，热带地区排放量比在温带和寒带地区大的多（IPCC 2011），HERTWICH基于水库面积和地理位置估算了CH4的排放量，得出热带、温带和寒带年排放的 CH4分别是 46，7.2 和 40 g/m2， 这与MAECK的结果相似，是BARROS估算结果的2.5倍。昆士兰南部3个亚热带淡水水库CH4排放通量分别为4.8 ～ 20.5，2.3 ～ 5.4 和 2.3 ～ 7.5 mg/（m2·d）[3,6]。 另外，估算水库温室气体的排放量也存在很大不确定性，除水库年龄、地形、季节等时空差异性及排放形式外，估算模型的气体传输速率选择[3,10]以及包括水库、土壤和沉积物在内的碳循环等相关过程都要予以考虑。

1.3 水库温室气体排放研究热点

尽管在水库CH4，N2O等温室气体排放量方面已有较多研究，从长期看，水库温室效应仍然具有争议。具有从生命周期上看，水库建成初期活性有机质分解十分迅速，温室气体排放量巨大，而几年后气体排放量会相应减少，也有研究表明热带森林地区的水库温室气体排放量在20 a之后才会减少。2014年政府间气候变化专门委员会预估了的未来水电站建成初期温室气体排放量，发现其最大排放量可达化石燃料的10倍，但整个水电大坝生命周期内温室气体排还是比煤炭燃烧低30倍以上，类似的推论早在2006年Nature就有所报道[9]。

因此，水库温室效应仍然是具有重要意义的研究热点，且需要多年的监测，尤其是水库消落带等温室气体排放热点区域更是值得关注，另外如何提高估算方法的准确性与一致性仍是值得关注的问题。

2 对营养盐的影响及生态效应

2.1 对N，P和Si通量的影响及生态效应

除了对全球或区域温室气体排放方面的巨大贡献外，水库运行对生源要素物质N，P和Si循环具有重要影响，并产生显著的生态效应。一方面，水库阻断了流域上下游物质交换通道，使之成为营养元素的重要蓄积库，在富营养化区域造成较为严重的水质问题。同时由于对流域上游生源要素的阻截作用，其向下游输出通量减少，影响包括下游河道、河口及临近海域营养物质的收支平衡，进而影响到相关态系统的结构与功能。另一方面，对贫营养化区域来说，营养元素减少会引起食物网结构和功能的变化，并给上、下游河道或水库鱼类生存带来较为严重的问题[9]。

HUMBORG等[10]1997年在Nature杂志上撰文指出多瑙河上的大坝建设使得输向黑海的溶解性硅酸盐通量减少了将近60%，并且是影响黑海浮游植物群落结构从大型硅藻向鞭毛类群转变重要因素，其对Si∶N摩尔比的降低作用甚至要高于富营养化过程的影响，此后，大坝对Si元素的滞留成为研究的热点。我国长江流域上游大坝相关生态效应也广受关注，DAI等[11]通过长时间序列数据分析表明，大坝建设和运行使长江流域近50 a来输向河口的溶解性硅酸盐通量大幅度减少，同时人为活动排放营养盐特别使N污染负荷显著升高，Si∶N下降成为长江口赤潮频发的重要原因。加拿大的库特尼湖在上游水库建成后，其P入湖负荷在七八十年代降至历史最低水平，初级生产力和浮游动物量降低，随之而来的是大马哈鱼的捕获量显著减少，以至于不得不使用人工施肥手段来提高水体的营养水平。反过来，大坝建设阻断了洄游性鱼类的通道，特别是对上游的贫营养湖泊来说，洄游通道的阻隔使得来自海洋的营养元素（以鱼类生物量存在，在其死亡后分解）不能补给到上游的源头水系，对鱼类产量及相关生态系统结构与功能造成严重影响。相关研究表明，在贫营养区域由洄游性鱼类携带的营养物质补给通常能占到整个湖泊入湖P负荷的30%。

2.2 水库N，P和Si滞留通量及影响因素

目前，关于水库对N，P和Si等营养盐循环的影响研究主要集中于水库滞留通量和效率的估算，相关研究结果表明全球水库对溶解性硅酸盐的年均滞留通量约为9.8 Tg SiO2，而总活性硅酸盐的年均滞留通量约为22.3 Tg SiO2，占全球河流输出硅酸盐通量的5.3%[12]。然而，不同地区水库对不同类型生源营养元素的滞留能力和效率差异较大。以多瑙河上著名的铁门水库为例，其N和P的平均滞留率分别为5%和12%，而Si的滞留率也仅为4%，输入黑海营养元素的截流主要发生在上游水库，而不是铁门水库。对法国塞纳河上游3个大型水库的营养元素收支平衡研究则表明，其对N，P和Si的滞留率较高，分别为40%，60%和50%[13]。我国三峡大坝作为世界上最大的水利工程之一，水库运行形成了典型的冬蓄夏泄的水文调节模式，水位变化范围为145～175 m（见图1）。研究表明，其对溶解性硅酸盐和生物可利用硅酸盐的滞留率分别为2.9%和44%，蓄水后入库营养盐有约18%的TN和15%的TP滞留于水库中[14]。另外，研究表明，水库对生源要素滞留效率很大程度上受控于不同元素的生物地球化学特征。一般来说，水库中N主要通过反硝化和沉降损失，P属于沉积性元素，其滞留率最高，基本上所有水库都表现为P的“汇”，而Si的滞留主要通过生物作用进行[15]。

图1 三峡水库年度水位变化

2.3 对营养盐影响的研究热点

从水库自身的空间范围来看，消落带和河流-水库过渡带是水域生态系统与岸上陆地生态系统的交替控制地带,该地带具有生物的多样性、人类活动的频繁性和生态的脆弱性的特点。随着人类活动的影响,已成为湖岸带中生态最脆弱的地带，且通常具有较高硝化和反硝化速率。消落带具有较高的有机物沉积和硝酸盐浓度，加上干湿较低的氧化还原环境，有利于硝化-反硝化的持续进行[16]，而淹没区反硝化速率通常会受到这些条件的限制，从而对N的迁移转化有重要影响。消落带和岸边带的水位涨落对P的滞留也产生重要影响，在淹水时缺氧或厌氧状态会使沉积物中Fe3+被还原成Fe2+，导致铁结合态磷易于解吸而释放。许多研究表明，在水库土壤或湿地在干湿交替过程中，落干和再淹水可能会导致N，P的大量释放，生物可利用性大大提高。而对Si来说，水库上游大面积的淹水一方面会降低淹没带硅酸岩的风化作用，另一方面在富营养化的叠加作用下，缓流河道和库区均会加快Si的生物性沉积[16-17]。

总的来说，水库运行对水体营养盐滞留及迁移转化过程具有重要影响。营养盐迁移转化过程较为复杂，仍然有较多问题值得进一步研究，尤其是水库运行过程中水位波动的变化对生源物质循环过程的影响相关研究广受关注，水库消落带、河道下游岸边带成为研究的热点区域。

3 总结

综上所述，水库运行对温室气体的排放及营养盐都具有不可忽视的影响。然而，不论是在温室气体排放方面还是生源要素滞留通量与效率、影响过程与机制方面，由于全球水库分布在空间、类型或运行条件等多方面的差异，相关影响的定量化研究仍然存在较大困难。目前Si，P的滞留过程与通量核算、CH4排放等方面取得了较大进展，而N相关研究仍然存在较大的不确定性，且水库消落带和河流-水库过渡带这一特殊区域的研究工作将持续成为重要的研究区域。另外，从水库管理角度上看和生态友好原则出发，水库调度对生源要素物质循环过程的控制将显得越来越重要，如不少学者就控制水库甲烷排放量提出了建议，DIXON等[18]提出生态恢复包括从植被管理到水文过程控制，均可以固定更多CO2，在增加水库的碳汇作用的同时减少水土流失，这些策略对其他生源要素生物地化过程的影响或控制将同样具有重要意义。因此，深入研究水库调度对生源要素的影响及生态效应具有重要的现实意义。