由于水资源储存以及极端干旱-热浪事件的影响，河流中颗粒有机碳的稳定性降低了

《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Lability of riverine particulate organic carbon increased by water storage and extreme drought-heatwave events

本研究通过分析长江流域正常年份与极端干旱热浪年份的POC特征，发现水库蓄水增加了藻类来源POC比例，极端事件进一步加剧POC活性和向东海通量减少，揭示人类活动与气候变化对碳循环的复合影响。

　　

刘吉轩|卡罗琳·L·皮科克|张一帆|刘涛|史勇|徐晓梅|刘胜静|曲玉冰|张硕|杨光|彭东|陈崇豪|周欣|张彦旭|高建华

中国江苏省南京市南京大学地理与海洋科学学院，教育部海岸与岛屿开发重点实验室

摘要

河流受到水坝和水库的影响日益严重，这些因素影响了河流颗粒有机碳（POC）的来源和输送；同时，极端事件也对河流生态系统构成了重要的气候压力。然而，水文调节和极端事件如何以及在多大程度上影响POC的稳定性仍不明确。通过研究长江流域在正常年份和极端干旱-热浪年份的POC特征，我们发现：在正常年份，三峡水库的蓄水作用使藻类来源的POC比例增加了26±4%，导致更易分解的POC比例上升且POC年龄更年轻。在极端干旱-热浪年份，整个长江流域的藻类来源POC和易分解POC的比例分别增加了19±11%和18±8%，其中三峡水库地区的增幅更为显著（分别为34±7%和29±3%；与非三峡水库地区相比，P<0.01）；同时，输送到东海的POC通量减少了29±6%。我们利用长江流域的研究结果来评估水坝和水库的全球影响，估计全球河流输送的POC通量从建坝前的190±5 Tg C/年减少到了建坝后的97±48 Tg C/年。我们还认为，长江流域在极端干旱-热浪事件中POC稳定性的增加和输送通量的减少在其他主要河流系统中也会发生。综合来看，更频繁的极端干旱-热浪事件将加剧水坝建设的影响，导致河流中的POC来源更加易分解，从而减少输送到近岸环境的POC通量。我们的研究结果为评估和缓解水坝建设和极端干旱-热浪事件对河流系统中有机碳循环的影响提供了关键见解。

引言

河流是陆地和海洋碳库之间的重要纽带（Galy等人，2008年；Regnier等人，2022年）。它们能够将大量陆地颗粒有机碳（POC）输送到边缘海域（每年200 Tg C），在调节全球碳循环中发挥着至关重要的作用（Blair和Aller，2012年；Galy等人，2015年）。然而，陆地POC向海洋环境的转移正受到人类活动和气候变化的日益干扰（Best，2019年）。

以水坝及其相关水库形式的人类活动对河流的影响日益显著（Grill等人，2019年；Syvitski等人，2005年；Tessler等人，2015年）。水坝可以直接捕获大量陆地POC，并增加浮游植物生物量在河流生物地球化学中的作用（Lyu等人，2023年；Maavara等人，2017年）。特别是，水坝的年度水文调节是影响捕获效率的主要因素，可能在短时间内改变河流的水文和生态过程（Derrien等人，2019年；Grill等人，2015年；Lu等人，2023年），这反过来可能改变POC的来源（例如，自生源）。水坝对POC的影响至关重要，因为不同来源的POC具有不同的组成特性和稳定性，不仅可能在短期内导致新的条件，还可能影响长期的陆地碳和氮储存以及向大气的反馈（Zak等人，1993年；Luo，2007年），这些因素有助于控制POC的再矿化和储存，以及其对大气的反馈（Belay-Tedla等人，2009年；Galy等人，2015年；Repasch等人，2021年；Sch?del等人，2014年）。

除了人类活动外，河流还受到人为气候变化的严重影响，全球极端事件（如热浪、干旱、风暴和洪水）的频率和强度都在增加（Coronese等人，2019年；Perkins-Kirkpatrick和Lewis，2020年；Russo等人，2014年）。在气候变化的背景下，热浪发生得更频繁，为干旱的迅速加剧提供了有利条件（Teuling，2018年；Wang等人，2016年）。更高的温度可能会增加藻类生物量，扩大藻类繁殖的范围和持续时间（Tian等人，2013年），这可能严重影响河流生态系统并改变POC的组成和稳定性，而降水则可能显著影响POC的通量（Ludwig等人，1996年）。这些河流POC稳定性和通量的变化可能对河口和海岸的碳储存产生重要影响，加剧了水文调节对全球碳循环和预算的影响，但这些变化仍不明确。

长江是全球最大的 sediment 输出河流之一，在高沉积物产量时期年沉积物负荷排名第四，向东海输送了大量POC（Li等人，2016年；Liu等人，2019年；Yao等人，2015年）。为了填补这一关键知识空白，我们选择了长江作为具体研究对象，因为它最近经历了极端天气事件和明显的人为改变。2022年夏季，北半球经历了极端热浪事件，许多国家出现了极高的温度和严重的干旱（Kennedy，2022年；Toreti等人，2022年）；特别是长江流域发生了破纪录的干旱-热浪事件（Mallapaty，2022年），中下游的水位和沉积物负荷达到了历史记录以来的最低水平（MWRC，1990–2022年）。此外，自2003年以来三峡大坝及其上游梯级水坝的建设对陆地POC通量产生了显著影响，使其从建坝前的约8.0 Tg C/年减少到建坝后的约1.5 Tg C/年（Li等人，2015年）。作为长江有机碳（OC）的汇，东海也受到了影响，三峡大坝建设后东海总OC的沉积通量（即OC埋藏在海底沉积物中的速率）减少了48%（Wang等人，2020年）。尽管POC通量发生了显著变化，但水坝对河流碳来源和稳定性的影响程度、对碳预算的连锁影响，以及极端事件在全球气候变化背景下的进一步影响仍不清楚。

在这项研究中，我们调查了水坝和极端干旱-热浪事件对长江流域POC特征的影响。本研究的主要目标是：（a）定量确定水坝的水文调节如何影响长江流域POC的来源和稳定性；（b）分析水坝和极端干旱-热浪事件的联合影响对长江流域POC通量和稳定性的影响程度；（c）为其他大型且快速变化的河流流域提供参考。

区域背景

长江全长6300公里，流域面积约为1.8×10^6平方公里（图1）。它地理上分为上游、中游和下游。上游从青藏高原延伸至宜昌市，地形以高山为主，海拔超过3000米，主要由古生代碳酸盐岩、中生代沉积岩和火成岩构成。宜宾市上游的部分被称为金沙江。

不同季节悬浮颗粒物（SPM）的地球化学特征

采样期间，长江干流中SPM的POC含量、PN/POC比值、δ^13C值、Δ^14C值、LPOC含量和LPOC/POC比值如图3所示。2021年7月，POC含量（图3a）和PN/POC比值（图3b）分别为1.03 wt%至2.12 wt%（平均1.36±0.31 wt%）和0.11至0.17（0.13±0.01）；2021年10月，POC含量和PN/POC比值分别为0.95 wt%至13.66 wt%（2.47±3.16 wt%）和0.12至0.17（0.14±0.02）。2022年8月

POC的来源分配

河流悬浮颗粒物（SPM）的有机成分包括自生源（藻类）和异生源的贡献，后者由现代植物、老化土壤以及周围流域的岩石OC组成（Blair和Aller，2012年）。基于先前研究的同位素和元素特征进行定性来源归因（图6），揭示了长江不同季节POC组成的差异。2021年7月和10月（正常年份），POC占

结论

以长江为例，我们首次探讨了水文调节和极端干旱-热浪事件对POC来源、稳定性和输送通量的影响。我们发现，在正常年份，三峡水库的蓄水作用增加了藻类来源POC的比例，导致更易分解的POC比例上升且POC年龄更年轻；而极端干旱-热浪事件进一步放大了这一效应，使整个流域的易分解POC比例增加了18±8%

数据可用性

数据集存储在Zenodo平台上，可通过以下链接获取：https://doi.org/10.5281/zenodo.18923965

CRediT作者贡献声明

刘吉轩：撰写——初稿、研究、数据分析、概念化。卡罗琳·L·皮科克：撰写——审稿与编辑、监督。张一帆：方法论、研究。刘涛：研究。史勇：研究、概念化。徐晓梅：数据管理。刘胜静：研究。曲玉冰：方法论。张硕：研究。杨光：可视化、研究。彭东：方法论、研究。陈崇豪：研究。周欣：

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42506236、42276170、42293261、42106158）、中央高校基本科研业务费（14380100）和江苏省基础研究计划（BK20251202）的资助。