三峡水库岸带沉积有机碳：从洪水扰动和粒度分级到来源、组成及热稳定性

《CATENA》：Sedimentary organic carbon in the Three Gorges Reservoir riparian zone: from flooding perturbation and size-fractionation to sources, composition and thermal stability

河岸带沉积物有机碳的稳定性受淹没强度和沉积分选影响，三峡库区研究表明强淹没增强有机碳热稳定性并促进C3植物源有机碳积累。

　　

高欣|胡雅贤|侯芳斌|黄菊萍|陈继龙|周旭|吴胜军|曾全超|黄平

中国科学院重庆绿色智能技术研究院湖泊与流域水安全国家重点实验室，中国重庆400714

摘要

沉积有机碳（SeOC）在河岸带碳（C）封存中起着关键作用，但其积累和稳定性受到洪水及侵蚀分选等复杂水动力过程的影响。然而，目前尚不清楚不同海拔地区不同洪水强度（由水位波动引起的淹没时间）如何影响SeOC的来源、组成和稳定性。本研究在三峡水库的河岸带收集了三种洪水强度下的沉积物：强洪水、中等洪水和弱洪水，对应的海拔区间分别为145–155米、155–165米和165–175米。随后根据沉积物的沉降速度将其分为四个粒级，以确定各粒级SeOC的含量、化学组成、热稳定性和δ¹³C特征。结果表明，在弱洪水和中等洪水强度下，63–250微米粒级的SeOC比例分别比强洪水强度下低39.8%–51.1%和5.9%–15.9%。δ¹³C特征和土壤来源的碳贡献减少，而SeOC的热稳定性以及C₃植物和浮游植物的贡献随着洪水强度的增加而增加。此外，TG-T₅₀值（导致50%有机物损失的温度）与CC/CO比值呈正相关，但与CH/CO比值呈负相关。强洪水强度下，具有更高SeOC稳定性的细颗粒沉积物的积累表明，洪水制度在决定不同海拔地区SeOC的来源、化学组成和热变化方面起着决定性作用。因此，准确量化河岸带SeOC的动态变化需要同时考虑洪水扰动和侵蚀分选作用。

引言

作为水生和陆地生态系统之间的生态过渡带，河岸带储存了约16–125Pg的有机碳（OC），占全球土壤OC总量的0.5–8.0%（Qin等人，2017；Sutfin等人，2016），与其有限的空间范围相比这一比例显得不成比例。沉积有机碳（SeOC）是储存在沉积物中的OC库，来源于外源（外部）和内源（内部）两种途径。SeOC是河岸带OC库的重要组成部分（Keller等人，2021）。然而，与侵蚀的上坡地带或水生沉积环境中的SeOC不同，河岸带SeOC的命运和稳定性容易受到周期性洪水以及沿海拔梯度的侵蚀分选作用的复杂影响（Bao等人，2015；Naiman和Decamps，1997）。洪水强度对SeOC的来源和积累模式起着关键作用（Ran等人，2023）。同时，沉积和侵蚀作用控制着河岸带中不同粒级SeOC的分布（Bao等人，2015；Hao等人，2024）。为了更好地理解洪水和水蚀对SeOC命运的综合影响，研究河岸带中受周期性洪水影响的特定粒级SeOC的来源、组成和稳定性至关重要。

洪水制度是塑造河岸带SeOC数量、组成和稳定性的主要因素（Yang等人，2020）。这些水文变化既影响沉积物的沉积，也影响SeOC的积累和转化（Bao等人，2018；Gong等人，2023）。一方面，洪水制度调节细颗粒沉积物的输送和沉积，这些颗粒通常富含有机物，为有机矿物结合提供了更多表面积，从而通过吸附作用增强SeOC的稳定性（Ran等人，2025；Zhang等人，2022）。另一方面，洪水通过改变植被输入和微生物过程影响SeOC的来源和粒级（Lieberman等人，2023；Ran等人，2025）。例如，周期性洪水可能导致植物来源的成分减少，从而降低难降解SeOC的比例（Zhang等人，2025）。此外，洪水还控制着调节SeOC分解和稳定性的氧化还原条件（Liu等人，2025）。长期饱和会因限制氧气而减缓分解过程，而干湿循环则使OC暴露于氧化环境中，降低其稳定性（Zhu等人，2022）。这些综合效应导致不同洪水强度下SeOC的数量和质量存在差异（Bao等人，2015；Gong等人，2023）。

同时，在水库蓄水和水位下降期间，沉积和侵蚀过程分别调节河岸带中的碳动态（Bao等人，2018）。蓄水期间，河岸带积累了大量SeOC，通过营造厌氧条件增强了碳的封存（Bao等人，2015；Lieberman等人，2023）。然而，水位下降后，侵蚀引起的颗粒分解以及沉积物沿河岸坡度的输送和沉积显著影响了SeOC的来源、组成和稳定性（Hu等人，2016；Kirkels等人，2014；Shi等人，2024；Xiao等人，2018）。SeOC在输送和沉积过程中的重新分布是一个选择性过程，粗颗粒优先沉积，而细颗粒更可能被输送到下游沉积区（de Nijs和Cammeraat，2020；Gao等人，2023；Nie等人，2018）。尽管存在这些动态变化，但沉积在水陆过渡带中的特定粒级SeOC的稳定性仍知之甚少。

三峡水库（TGR）是世界上最大的水利工程结构，通过防洪、通航、水力发电和旅游提供了重要的经济和社会效益（Fu等人，2010）。自2010年正式运行以来，TGR的水位在10月至4月保持在海平面以上175米，以利于通航和灌溉；5月至9月降至145米，用于防洪（Bao等人，2015）。这种做法导致河岸带的水位波动幅度为30米，面积约为348.9平方米。自2003年蓄水以来，已有超过20亿吨沉积物在TGR的涪陵（FL）至三峡大坝（TGD）之间的常年回水区积累，其中约7.5%的沉积物沉积在河岸带（Liu等人，2022）。这些沉积物在粒径分布和沉积厚度上表现出与海拔相关的空间变化（Tang等人，2018a）。此外，水位的周期性波动使沉积物经历河岸坡度的周期性洪水和侵蚀（Ran等人，2023）。因此，TGR的河岸带为研究周期性洪水和侵蚀重新分布对SeOC热稳定性的影响提供了理想的环境。

在本研究中，我们使用沉降管装置根据沉积物的沉降速度将其分为不同的粒级，从而获得了一系列准自然状态的侵蚀粒级分布。测量了SeOC的稳定同位素组成（δ¹³C和δ¹⁵N）、化学组成和热稳定性。本研究的目标是：（1）描述河岸带中不同洪水强度下SeOC的分布；（2）评估洪水强度如何影响河岸坡上SeOC的来源、化学组成和热稳定性；（3）阐明河岸带中SeOC空间分布与沉积物粒级之间的关系。我们假设：（1）洪水强度通过改变SeOC的来源和化学组成来调节其稳定性；（2）经历较强洪水的河岸带由于沉积物分选作用以及细颗粒从上游流域的优先输送，表现出更高的SeOC稳定性。

研究地点和样本采集

研究地点位于TGR的河岸带，该水库是长江上游主流形成的典型河型水库。水库区域的平均温度为18.4°C，年降水量为1000–1800毫米。降水全年分布不均，主要集中在5月至9月。蓄水后，TGR的水动力状况发生了显著变化，表现为流量减少

不同洪水强度下沉积物的粒径分布

沉积物颗粒在沉积时间内的累积重量分布显示，沉降行为受洪水强度的影响（图S2）。所有样本中超过80%的沉积物质量在最初的280秒内沉降（图S2）。从弱洪水到强洪水，沉积物沉降趋势呈现细化趋势，这一现象在10–20厘米深度处比0–10厘米深度更为明显（图2）。在弱洪水和中等洪水强度下，>250微米的沉积物质量

洪水强度对沉积有机碳来源和稳定性的影响

河岸带中SeOC的来源主要包括土壤来源的碳、C₃植物和浮游植物，其中土壤来源的碳是主要贡献者（图3）。这一发现与先前的研究结果一致，这些研究认为土壤来源的碳是TGR悬浮沉积物（Wang等人，2024）和河床表面沉积物（Xiao等人，2023）中SeOC的主要来源。周期性洪水改变了这些来源的相对贡献，导致

结论

本研究考察了周期性洪水作用下河岸坡上沉积物粒级及其相关有机碳（OC）的空间分布。洪水制度通过同时增加浮游植物和C₃植物来源的碳贡献，并提高芳香族CC官能团的相对丰度，相对于羧酸基CO，增强了河岸带中SeOC的稳定性。此外，沉积物粒级分布的变化突显了分选过程的作用

CRediT作者贡献声明

高欣：撰写 – 原始草稿、软件开发、方法论、资金获取、概念构思。胡雅贤：撰写 – 审稿与编辑、方法论、概念构思。侯芳斌：撰写 – 审稿与编辑、调查、数据分析。黄菊萍：撰写 – 审稿与编辑、调查、数据分析。陈继龙：撰写 – 审稿与编辑、调查、数据分析。周旭：撰写 – 审稿与编辑、调查、数据分析。吴胜军：撰写 – 审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号42307461和52209101）、重庆市水资源局（编号CQS23C01036）以及重庆市水资源局的三峡后续科学研究项目（编号5000002021BF40001）的资助。我们感谢范范雷和靳峰卢在沉降管分选和FTIR测量方面的贡献。