近日，廈門大學海洋與地球學院郭衛東教授與環境與生態學院陳能汪教授等合作在Water Research期刊上發表了題為“Hypolimnetic deoxygenation enhanced production and export of recalcitrant dissolved organic matter in a large stratified reservoir”的論文，揭示了層化水庫湖下層水體脫氧過程對惰性溶解有機質（RDOM）的形成及其通過水庫-河流連續體向海輸運的促進作用。該研究表明水庫、湖泊等內陸湖下層水體在地球系統碳循環中可能發揮重要作用，為科學評估陸海界面碳的源、匯收支提供了理論依據。
受河流筑壩的影響，目前全球長度大于1000 km的河流僅有23%處于自由流通狀態。全球壩高超過15 m的大壩在58 000座以上。河流筑壩既破壞了河流連通性，導致河水停留時間延長，也引起庫區水體的季節性層化、初級生產加強和有機碳埋藏增加等一系列過程。與光合作用占優勢的湖上層水體不同，層化期水庫（及深水湖泊）湖下層水體被異養呼吸作用所主導，并伴隨出現季節性的脫氧現象。基于湖下層水體在湖庫總體積中占據的主導地位，探究這一氧消耗過程如何影響河流碳的轉化與陸海碳的源匯收支具有重要意義。
研究團隊于2020-2021年對閩江水口水庫水柱剖面及其上、下游河流連續體開展了季節性調查（圖1），發現水口水庫存在春夏季分層（除梅汛期洪水事件外）、秋冬季翻轉混合的水文學變化特征。基于對DOM的光譜及分子組成表征，結合顆粒有機質（POM）、溶解無機碳（DIC）和營養鹽的同步觀測，發現層化期類腐殖質熒光組分（FDOMH）、DIC及營養鹽（NO3-N, SRP）隨深度增加而快速增加且與表觀耗氧量（AOU）呈顯著正相關，同時DOC和POC濃度、溶解及顆粒蛋白質熒光組分隨深度減少。與湖上層水體相比，湖下層水體中相對活潑的不飽和脂肪族化合物顯著減少，并伴隨稠環芳烴等惰性有機組分的增加。這表明，水庫湖下層水體存在與微生物脫氧礦化密切相關的活潑DOM/POM組分降解，以及相應的RDOM組分的生產過程（圖2）。基于質量平衡模型，估算出春季和夏季從水庫輸出到閩江下游的惰性FDOMH通量分別增加了10.8%和32.1%。
圖1 閩江水口庫區與壩下河流采樣站位圖（左）及調查期間閩江水文過程線和水庫分層-混合特征（右）
圖2 水庫湖下層脫氧過程驅動惰性碳形成與輸出過程概念圖
湖下層RDOM的生產過程受到溫度、活潑碳源供應及水體停留時間等多個因子的調控。夏季水庫上層的藻華過程為下層提供了大量沉降的生源DOM/POM，由于水體停留時間短，湖下層溫度較高，因此夏季RDOM的生產效率顯著高于春季（圖3）。秋季水體停留時間長，但下層的低氧限制了RDOM的生產。冬季水庫有充足的活潑碳源及溶解氧供應，水體停留時間也較長，但低溫限制了RDOM的生產。
圖3 內陸水域湖下層與海洋無光層中FDOMH生產效率與溫度的關系
通過與日本琵琶湖以及開闊大洋及邊緣海盆（南海、日本海、地中海）的對比分析，發現內陸水庫和湖泊湖下層惰性FDOMH單位耗氧時的生產效率顯著高于海洋無光層（圖3），其生產速率更是比海洋無光層高出4-5個數量級，周轉時間（~20天）則遠快于海洋無光層（通常>100年），表明層化水庫（及深水湖泊）湖下層是全球水生態系統中碳轉化的熱點區域。
本研究從碳-氧耦合的角度解析了大壩建設對河流RDOM形成與陸源碳向海洋輸出的影響，為科學評估陸海界面碳的源、匯收支提供了理論依據。
研究團隊
廈門大學海洋與地球學院博士生瞿理印為論文第一作者，郭衛東教授和環境與生態學院陳能汪教授為共同通訊作者。其他作者還包括中國石油大學（北京）何晨博士、美國加利福尼亞大學戴維斯分校Randy A. Dahlgren教授、中山大學李朋輝博士、廈門大學李炎教授及碩士生吳澤濤、任明星等。該研究工作受到國家自然科學基金面上項目（41876083、41276064）的資助。
文獻來源
Qu, L.Y., He C., Wu Z.T., Dahlgren R.A., Ren M.X., Li P.H., Shi Q., Li Y., Chen N.W*., and Guo W.D*. (2022). Hypolimnetic deoxygenation enhanced production and export of recalcitrant dissolved organic matter in a large stratified reservoir, Water Research, 219, 118537.
論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.118537.
