水庫運行對生源要素生物地化過程的影響及生態效應

嚴維霞， 呂 路

（南京大學環境學院， 江蘇 南京 210023）

0 引言

C，N，P和Si等生源要素的循環及相關生物地球化學過程是生物地化研究方面的核心內容，而河流是營養物質從流域向河口輸送的主要通道，是整個生物地化循環的重要環節。水庫運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、化學和生物學特性，直接影響了生源要素物質在河流中的輸送過程和通量，引起系列生態環境問題，如溫室氣體排放顯著增加，水體營養收支失衡導致的富營養化及生態系統結構與功能變化等。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或規劃設計階段[1]。在全球氣候變化和人類活動雙重影響的背景下，從全球尺度到區域尺度，水庫運行的生態效應都受到了更加廣泛的關注，也一直是水利工程學科和環境學科研究的前沿和熱點領域。本文從溫室氣體排放和營養鹽通量2個方面闡述水庫運行對生源要素物質生物地化過程的影響，并提出現階段可進一步研究的熱點問題。

1 對溫室氣體排放的影響

1.1 水庫溫室氣體排放量

內陸水體是溫室氣體N2O，CO2和CH4的重要來源，據保守估計，內陸水體每年CH4排放量達0.65 Pg C，CO2排放量達 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%，對全球溫室效應具有重要貢獻[2-3]。世界上292個大河系統中的172個受到大壩的影響[4]，因此水庫運行對內陸水體溫室氣體排放起著重要的調節作用。

一方面，庫區淹沒的土壤、植被及累積的有機質在缺氧或厭氧狀態下分解，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的溫室效應是CH4的13～21倍，而CH4溫室效應是CO2的25倍以上[5]。因此，N2O和CH4是水庫溫室效應研究的重點物質。有相關研究統計了全球水電站CH4排放情況，指出全球平均每kWh電對應排放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)，并據此估算出水庫物質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，且受季節與氣候的影響。CH4排放量主要受水庫地理位置、季節因素、運行條件及生命周期等多種因素的影響。HERTWICH[6]利用82個水電站的測量數據分析發現單位kWh對應的CH4排放強度呈正態分布，范圍從微克級到數十千克，與河流初級生產及水電站年齡等因素密切相關。YANG等[7]通過靜態箱法研究北京密云水庫后發現水庫岸邊帶是N2O產生的熱點區域，主要是由于該地區受水位波動生物活性較強，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，且與土壤硝態氮含量有正相關關系。而農業活動集中區或熱帶區域一直被認為是溫室氣體排放的“熱點”區域。BEAULIEU等[8]研究了美國俄亥俄州一個農業區域的季節性分層的富營養化水庫，發現其平均CH4強度高達176±36 mg/(m2·d)，為美國水庫CH4排放的最高紀錄。同樣，研究表明河庫過渡帶甲烷排放強度比其他庫區高出一個數量級，而從季節上看，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間上的差別，通常入流區CH4排放量要高于常年淹沒區。另外，有研究推測，熱帶地區排放量比在溫帶和寒帶地區大的多（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的結果相似，是BARROS估算結果的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 ～ 20.5，2.3 ～ 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[3,10]以及包括水庫、土壤和沉積物在內的碳循環等相關過程都要予以考慮。

1.3 水庫溫室氣體排放研究熱點

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質分解十分迅速，溫室氣體排放量巨大，而幾年后氣體排放量會相應減少，也有研究表明熱帶森林地區的水庫溫室氣體排放量在20 a之后才會減少。2014年政府間氣候變化專門委員會預估了的未來水電站建成初期溫室氣體排放量，發現其最大排放量可達化石燃料的10倍，但整個水電大壩生命周期內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就有所報道[9]。

因此，水庫溫室效應仍然是具有重要意義的研究熱點，且需要多年的監測，尤其是水庫消落帶等溫室氣體排放熱點區域更是值得關注，另外如何提高估算方法的準確性與一致性仍是值得關注的問題。

2 對營養鹽的影響及生態效應

2.1 對N，P和Si通量的影響及生態效應

除了對全球或區域溫室氣體排放方面的巨大貢獻外，水庫運行對生源要素物質N，P和Si循環具有重要影響，并產生顯著的生態效應。一方面，水庫阻斷了流域上下游物質交換通道，使之成為營養元素的重要蓄積庫，在富營養化區域造成較為嚴重的水質問題。同時由于對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物質的收支平衡，進而影響到相關態系統的結構與功能。另一方面，對貧營養化區域來說，營養元素減少會引起食物網結構和功能的變化，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構從大型硅藻向鞭毛類群轉變重要因素，其對Si∶N摩爾比的降低作用甚至要高于富營養化過程的影響，此后，大壩對Si元素的滯留成為研究的熱點。我國長江流域上游大壩相關生態效應也廣受關注，DAI等[11]通過長時間序列數據分析表明，大壩建設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，同時人為活動排放營養鹽特別使N污染負荷顯著升高，Si∶N下降成為長江口赤潮頻發的重要原因。加拿大的庫特尼湖在上游水庫建成后，其P入湖負荷在七八十年代降至歷史最低水平，初級生產力和浮游動物量降低，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水平。反過來，大壩建設阻斷了洄游性魚類的通道，特別是對上游的貧營養湖泊來說，洄游通道的阻隔使得來自海洋的營養元素（以魚類生物量存在，在其死亡后分解）不能補給到上游的源頭水系，對魚類產量及相關生態系統結構與功能造成嚴重影響。相關研究表明，在貧營養區域由洄游性魚類攜帶的營養物質補給通常能占到整個湖泊入湖P負荷的30%。

2.2 水庫N，P和Si滯留通量及影響因素

目前，關于水庫對N，P和Si等營養鹽循環的影響研究主要集中于水庫滯留通量和效率的估算，相關研究結果表明全球水庫對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，不同地區水庫對不同類型生源營養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%，輸入黑海營養元素的截流主要發生在上游水庫，而不是鐵門水庫。對法國塞納河上游3個大型水庫的營養元素收支平衡研究則表明，其對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，水庫運行形成了典型的冬蓄夏泄的水文調節模式，水位變化范圍為145～175 m（見圖1）。研究表明，其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%，蓄水后入庫營養鹽有約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為P的“匯”，而Si的滯留主要通過生物作用進行[15]。

圖1 三峽水庫年度水位變化

2.3 對營養鹽影響的研究熱點

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系統與岸上陸地生態系統的交替控制地帶,該地帶具有生物的多樣性、人類活動的頻繁性和生態的脆弱性的特點。隨著人類活動的影響,已成為湖岸帶中生態最脆弱的地帶，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物沉積和硝酸鹽濃度，加上干濕較低的氧化還原環境，有利于硝化-反硝化的持續進行[16]，而淹沒區反硝化速率通常會受到這些條件的限制，從而對N的遷移轉化有重要影響。消落帶和岸邊帶的水位漲落對P的滯留也產生重要影響，在淹水時缺氧或厭氧狀態會使沉積物中Fe3+被還原成Fe2+，導致鐵結合態磷易于解吸而釋放。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導致N，P的大量釋放，生物可利用性大大提高。而對Si來說，水庫上游大面積的淹水一方面會降低淹沒帶硅酸巖的風化作用，另一方面在富營養化的疊加作用下，緩流河道和庫區均會加快Si的生物性沉積[16-17]。

總的來說，水庫運行對水體營養鹽滯留及遷移轉化過程具有重要影響。營養鹽遷移轉化過程較為復雜，仍然有較多問題值得進一步研究，尤其是水庫運行過程中水位波動的變化對生源物質循環過程的影響相關研究廣受關注，水庫消落帶、河道下游岸邊帶成為研究的熱點區域。

3 總結

綜上所述，水庫運行對溫室氣體的排放及營養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、影響過程與機制方面，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展，而N相關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域的研究工作將持續成為重要的研究區域。另外，從水庫管理角度上看和生態友好原則出發，水庫調度對生源要素物質循環過程的控制將顯得越來越重要，如不少學者就控制水庫甲烷排放量提出了建議，DIXON等[18]提出生態恢復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減少水土流失，這些策略對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，深入研究水庫調度對生源要素的影響及生態效應具有重要的現實意義。