文章信息
研究进展
1 背景
有多项研究强调了河流筑坝对营养物质的影响以及由此引发的生态后果。例如，湄公河上的沙耶武里水库能够捕获大约33%的总氮。同时，与氮相比，水库对磷的保留更为有效，这导致了磷氮比的降低，加剧了全球营养循环的解耦。因此，水库通常被认为对营养调节有不利影响，特别是会降低下游的初级生产力、鱼类产量和粮食安全。
然而，对于澜沧江（LCR）的梯级水库河段（CRR），相关的营养运输问题存在争议。一方面，有研究表明LCR的CRR增加了下游氮的生物有效性，其可能机制包括藻类在静止条件下将硝酸盐氮转化为氨氮，以及厌氧条件下藻类有机物促进沉积物中氨氮的释放。另一方面，对于NO₃--N的主要来源也存在不同观点，有的研究表明主要来自粪污（M&S），而在CRR则主要源于土壤氮（SN）的矿化。此外，由于LCR缺乏历史数据以及研究区域地理差异较大，之前的研究主要集中在径流、土地覆盖以及水库沉积物的水质和重金属等方面，对于N的运输、NO₃--N的来源和转化等问题仍未解决，而且梯级水库的配置和多样性使河流营养物质的生物地球化学循环更加复杂。
鉴于上述情况，本研究旨在：探究LCR中氮浓度和通量的时空分布特征；揭示梯级水库对氮的保留效果；量化NO₃--N在LCR中的来源和迁移转化过程，采用包括多元同位素和贝叶斯同位素混合模型的综合方法；识别影响NO₃--N浓度的预测因子，并使用机器学习模型预测LCR中的NO₃--N浓度。
氮浓度的时空变化：LCR的TN浓度在CRR中变异性更大且总体呈下降趋势，NO₃--N总体呈上升趋势，PN（颗粒氮）在NRR（自然河段）中增加、在CRR中减少，NH₄+-N浓度呈上升趋势。季节性变化在NRR和CRR之间存在差异，梯级水库改变了季节性氮动态。
氮通量的时空变化：TN、NO₃--N和NH₄+-N通量从NRR到CRR一般增加，季节性变化与径流变化相关性更强。
梯级水库对氮的保留效应：计算得出TN、NO₃--N、PN和NH₄+-N通量的年保留率，不同水库和季节保留效果不同。
氮保留的影响因素：水库年龄与氮保留率呈负相关，水力停留时间（HRT）与氮保留率呈正相关，HRT对氮保留的影响更显著。
δ¹⁵N-NO₃-和δ¹⁸O-NO₃-的时空变化：非洪水期和洪水期δ¹⁵N-NO₃-和δ¹⁸O-NO₃-值有不同变化规律，δ¹⁵N-NO₃-时空变化更明显。
梯级水库对N运输和保留的影响：梯级水库改变了水动力条件和营养物质分布，对氮浓度有调节作用，部分水库拦截和储存了NO₃--N，影响了氮的动态变化。
硝酸盐来源和转化的时空变化：NO₃--N来源主要是土壤氮和粪污，其比例沿河流变化，硝化和反硝化过程对NO₃-转化有重要作用，但在LCR中反硝化不是主要的氮转化过程。
LCR盆地硝酸盐浓度的预测：NO₃--N浓度受自然因素和人类活动影响，XGBoost模型对预测NO₃--N浓度表现良好。
研究意义：研究结果支持全球水电开发，强调了水库在氮运输和转化中的作用，以及 XGBoost模型在研究中的有效性。
LCR的氮循环受水库介导的生物地球化学过程和人类活动影响，TN和PN浓度总体下降，NO₃--N和NH₄+-N浓度总体上升，不同氮形式的保留率不同。
贝叶斯稳定同位素模型确定了NO₃--N来源的变化，大型水库有较强的拦截能力。
XGBoost模型能准确预测NO₃--N浓度，城市污水排放、人口密度和降水是关键影响因素。
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