大型水库对河流氮磷再分布的作用机制及其环境生态效应

Development of clustered hydropower is the key strategy for national energy security and international climate treaty. The southwest China is the origination of several large rivers, and is thus called the water tank of the earth. It also contains rich hydro-energy besides water resources. Exploitation of the hydro-energy in the region will largely improve national energy structure. However, construction and operation of large dams inevitably change the flow, materials, energy, chemical and biological regime, thus affects the distribution of nutrient in river systems, and finally influences habitat availability, species structure and ecological service. The objective of this study is to: (1) reveal the forcing mechanism of reservoirs operation on the sedimentation and transformation of phosphorus, (2) reveal the effects of water level fluctuation on nitrogen transformation in hyporheic zones; (3) quantify the effects of large reservoirs on redistribution of nitrogen and phosphorus in river system and the aquatic eco-environmental consequences.

流域水电基地化建设是我国能源环境和国际履约的重要战略。西南地处我国主要江河的源头地区，是世界水塔，也是水能资源最丰富、最集中的地区，西南水电开发对改善我国能源结构具有积极的意义。水库建设和运行人为改变了河流的径流过程及相应的物质场、能量场、化学场和生物场，直接影响生源要素在河流中的生物地球化学过程，进而改变河流生态系统的物种构成、栖息地分布及相应的生态功能。本项目针对河源区水电开发环境效应开展研究，重点揭示水库蓄水后磷的沉积、迁移与转化过程及其与水库运行之间的关系，揭示水土界面氮的转化过程及其与库水位波动之间的关系，量化水库运行对氮磷元素再分布的影响及其水环境生态效应。

流域水电基地化建设是我国能源环境和国际履约的重要战略。西南地处我国主要江河的源头地区，是世界水塔，也是水能资源最丰富、最集中的地区，西南水电开发对改善我国能源结 构具有积极的意义。水库建设和运行人为改变了河流的径流过程及相应的物质场、能量场、化学场和生物场，直接影响生源要素在河流中的生物地球化学过程，进而改变河流生态系统的物 种构成、栖息地分布及相应的生态功能。本研究以澜沧江梯级水库为研究对象，自主研发深水采样监测新设备，破解了高坝大库水与沉积物样品保真采集的关键难题，实现了深大水库无扰动沉积物柱芯采集、水体垂向分层精确采样、关键理化参数同步监测；研制了水库潜流带中环境指标光纤传感系统，实现了水库运行下洲滩水、热、营养盐关键参数的实时同步监测。阐明了澜沧江梯级沿程氮、磷含量与形态变化规律，揭示了梯级水库促进生物有效氮、磷的转化与输送机制，提升了下游藻类的生长并改变藻类的群落结构，有利于下游河段的初级生产力。该发现可能颠覆以前对河流建坝的氮磷营养盐输送通量及水生态效应的常规认知，对支撑跨境河流可持续开发、澜湄合作等地缘政治关系具有重要意义。阐明了澜沧江梯级河流尺度和水库尺度甲烷与氧化亚氮释放特征，明确澜沧江梯级温室气体排放远低于世界平均水平；揭示了水库运行导致库水位频繁波动强化水库反硝化脱氮以及洲滩甲烷“自削减”的机理。该成果指明以发电为首要目标的水库具备脱氮和温室气体自削减等正面环境效应，对支撑澜沧江水电的清洁性具有重要意义。