《CATENA》：From climate-driven to dam-regulated: Impacts of dams on riparian vegetation in a mountainous river system
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本研究分析金沙江下游梯级水坝对 riparian 植被的影响，整合 2000-2019 年 NDVI 时间序列与气候、水文数据，通过多方法框架揭示水坝调控与气候变率的贡献率（73.7% vs 26.3%），发现植被动态从气候主导转向水坝调控主导，空间异质性显著，高海拔区植被恢复明显，低海拔区波动加剧，林地响应最一致。
王楠|徐臻|徐英军|杨雅坤|丛楠|姚伟伟
四川大学水利与山地河流工程国家重点实验室，中国成都610065
摘要
大坝对河岸生态系统有着深远的影响，然而其在山区环境中的生态后果和空间异质性仍然缺乏量化研究。以中国金沙江下游流域为例，我们通过整合2000年至2019年的长期归一化植被指数（NDVI）时间序列与气候和水文数据集，分析了植被对梯级大坝的反应。我们采用多方法分析框架，定量区分了大坝运行和气候变率的相对贡献，阐明了它们的直接和间接影响路径，并评估了关键环境梯度上的植被异质性。研究结果表明，大坝建设后的NDVI增长趋势几乎翻了一番（高达0.0092年^-1），其中冬季的绿化程度最为显著。与大坝建设相关的NDVI变化解释了73.7%的变异，远超过气候变率的贡献。因此，NDVI的变化模式从主要由气候驱动转变为受大坝相关水文稳定性和间接微气候效应共同影响，包括降水量增加、冬季温度升高以及夏季和秋季热应力减轻。这些变化表现出强烈的空间异质性：在大坝上游约80公里范围内的中高海拔地区，NDVI显著增加且变异性降低；而在低海拔地区（<500米），NDVI下降且变异性增加。森林显示出最一致的NDVI增长趋势，表现为上升坡度更陡峭以及从下降趋势转为上升趋势；而农作物和草地则表现出更复杂的变化，下降趋势的比例高于森林。这些发现强调了在规划大坝时需要考虑生态反馈和空间异质性，以优化受调控水流条件下的河岸植被管理。
引言
河岸植被是陆地和水生生态系统之间的关键纽带，通过光合作用和呼吸作用调节温室气体、碳循环和生物多样性（Gumiero等人，2015年；Bégué等人，2011年；Middleton，2023年；Wohlfahrt等人，2001年；Chen等人，2019年）。其动态响应使其成为气候变化和人为干扰的敏感指标（Chen等人，2014年；Piao等人，2014年）。然而，这些重要的生态系统正面临来自农业、城市化尤其是大坝建设的日益严重威胁（Cai等人，2021年）。全球已有超过280万座大坝，分割了约70%的世界河流，预计未来几十年还将建设约260吉瓦的水电设施（Li等人，2018年）。这种快速扩张引发了关于在受调控水流条件下保护河岸生态系统功能的紧迫问题（Boulange等人，2021年；Zhou等人，2022年）。
大坝的建成引发了河流走廊的全面水文地貌重构。这一过程包括淹没洪泛区并形成新的水位波动区，同时调节下游流量并拦截沉积物输送（Poff和Schmidt，2016年；Wu等人，2019年；Huang等人，2018年；Camporeale和Ridolfi，2006年；Zaimes和Iakovoglou，2020年）。这些物理变化会影响到生态响应，包括群落组成的变化和生物多样性的下降（Zaimes等人，2011年；Wu等人，2019年）。此外，大型水库通过改变地表能量平衡，对植被产生独特的微气候影响（Qiu等人，2021年；Liu等人，2022年）。在梯级大坝系统中，这些多方面的影响不是简单的叠加，而是协同作用，导致生态后果在空间上更为广泛，在机制上比单个大坝更为复杂（Yi等人，2019年；Wang等人，2025年）。
金沙江下游流域的大规模水电开发，以其世界上最大的梯级大坝系统之一为代表，体现了可再生能源目标与山区生态系统完整性之间日益紧张的关系。事实上，该系统的大规模实施已经引发了明显的生态变化，包括栖息地破碎化、物种组成改变和微气候变化（Wang等人，2025年；Jiang等人，2022年；Yi等人，2019年）。然而，这些变化的准确归因仍是一个主要挑战。大多数评估依赖于简单的前后对比或在单一受调控系统内的气候与人为因素分解，没有利用同时期、气候相似但未受调控的参考流域或能够区分大坝效应与气候变率的综合多方法（Liu等人，2022年；Fu等人，2023年；Zhang等人，2020年）。在这种设计下，梯级大坝调节的生态信号常常与背景气候波动混淆。此外，像金沙江下游这样陡峭干旱炎热山谷中与大坝相关的植被响应的空间异质性仍然没有得到充分解决，尤其是在海拔、距大坝距离和植被类型的多重梯度上（Wang等人，2025年；Jiang等人，2022年；Yi等人，2019年）。因此，进行系统的评估以克服这些限制对于理解山区梯级大坝的生态后果至关重要。
本研究调查了金沙江下游流域的河岸植被在20年期间（2000-2019年）对梯级大坝运行的响应，涵盖了蓄水前后两个阶段，并拥有连续的水文气候和植被绿色度记录（通过归一化植被指数NDVI表示）。在此期间，下游的西卢墩-向家坝河段受到调控，而上游的乌东德-白河滩流域则未受影响，从而可以进行多流域比较，以控制区域气候变异性。利用这种对比，我们采用了一个综合的多方法框架，从模式检测到机制推断提供了有力的证据链。具体来说，我们（1）描述了大坝建设前后的植被和水文气候动态；（2）量化了大坝调控和气候变率的相对贡献，并确定了它们的主要影响路径；（3）评估了植被对大坝调控的响应如何沿着关键环境梯度变化，包括海拔、距大坝的距离和植被类型。这种多流域、多方法的方法为复杂山区河流系统中蓄水前后阶段的大坝影响提供了空间明确和时间分辨的评估。
研究区域
金沙江位于长江上游，形成了一个受陡峭海拔梯度和干旱河谷影响的生态脆弱区。研究区域覆盖了金沙江下游两岸10公里半径的范围（25.8°N-28.9°N，101.6°E-104.8°E），选择该区域是为了捕捉对大坝引起的水文和微气候变化最敏感的区域（Ouyang等人，2010年；Tian等人，2020年；Yang等人，2024年）。我们采用了跨四个受大坝调控流域的比较处理-参考框架
NDVI和环境因素的时间变化
图3显示，梯级大坝的运行与XLD和XJB流域的NDVI显著增加有关（p < 0.05）。大坝建设后的NDVI增长率几乎翻了一番（XLD：0.0047年^-1；XJB：0.0092年^-1），与大坝建设前相比（图3a），Cohen's d值较大（XLD：3.02；XJB：3.98），表明大坝调控的效果显著（表S4）。EVI的变化趋势与NDVI相似（图S4）。这种加速在整个研究期间持续存在，这一点通过10年的数据得到了验证
讨论
我们的结果显示，大坝运行后NDVI增长率大约翻了一番，其中冬季的增长最为明显。大坝调控解释了超过70%的NDVI变异，远超过气候因素的影响。然而，这些变化具有高度异质性，随海拔、距大坝的距离和植被类型而变化。总体而言，这表明植被动态从主要由气候驱动转变为受大坝引起的水文和微气候变化强烈影响的系统。
结论
本研究利用NDVI作为冠层绿色度的代理指标，结合二十年的气候和流量记录，研究了山区河流系统中梯级大坝运行对河岸植被的时空动态。结果表明，大坝调控解释了观察到的NDVI变异的约73.7%，超过了自然气候变率作为主要统计决定因素的作用。相应地，NDVI的变化模式从主要受气候限制转变为
CRediT作者贡献声明
王楠：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、调查、正式分析、概念化。徐臻：验证、监督。徐英军：软件、数据管理。杨雅坤：软件、数据管理。丛楠：撰写——审稿与编辑、监督。姚伟伟：撰写——审稿与编辑、监督、资金筹集。
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所述的工作。
致谢
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