《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Coupled Greenhouse Gas Emissions and Nutrient Cycling in the Water-Level Fluctuation Zone of the Three Gorges Reservoir: a review
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三峡水库水位波动带（WLFZ）作为碳氮磷循环关键界面，其温室气体排放与营养盐释放的耦合机制及生态调控策略研究。通过整合2015-2025年830篇文献，揭示WLFZ在干期土壤呼吸（CO? 340-500 Gg/年）和甲烷（CH? 0.9-4.5 Gg/年）排放，以及洪水期氮磷释放（N 160 kg/ha，P 19 kg/ha）的驱动因素。研究发现水文交替导致碳氮磷通量动态互馈，连续淹没可降低碳当量31%但加剧磷流失，营养盐富集会正向放大温室气体排放。提出生态水位调度、植被调控与生物炭改良的协同管理方案。
刘星晨|刘晓波|王星勇|王金辉|朱大宇|王卓伟|王珏|周怀东|吴乐翔
中国水利水电研究院水循环与水安全国家重点实验室，北京 100038
摘要
中国三峡水库（TGR）的季节性水位下降会暴露并重新淹没约300平方公里的岸线区域，该区域被称为水位波动区（WLFZ）。在过去十年中，这一区域已成为一个双重环境热点：每年释放数百吉克的温室气体（GHGs），同时将氮（N）和磷（P）释放到水库水中。本文综合分析了2015年至2025年间发表的830篇经过同行评审的研究，以明确WLFZ中碳和营养物质通量的规模、驱动因素及其相互关系。实地调查显示，有氧环境会加速异养呼吸和硝化作用，导致CO?和N?O排放增加；而季节性淹没则会导致缺氧，抑制这些气体的排放，但会促进CH?的产生和还原性磷的释放。从质量上看，排水季节的土壤每年释放340–500 Gg CO?和0.9–4.5 Gg CH?，而反硝化作用可去除约30%的土壤硝酸盐，但仅产生短暂的N?O峰值。颗粒物途径是营养物质输出的主要方式：一次典型的淹没事件会释放约160 kg N/ha和19 kg P/ha，其中坡地土壤和细悬浮沉积物是最不稳定的磷来源。水文实验表明，持续淹没可使100年全球变暖潜力（GWP）降低近三分之一，但会增加CH?和磷的损失；营养物质富集会加剧温室气体的排放。我们评估了多种缓解措施，包括生态调节的水位调度、植被恢复和生物炭土壤改良，并展示了如何结合这些措施来实现气候目标和富营养化控制的双重目标。目前仍存在一些研究空白，如长期监测、微生物过程建模以及综合措施的成本效益评估。
引言
中国三峡水库（TGR）由长江上的三峡大坝形成，其水位变化幅度可达30米，形成了约300平方公里的水位波动区（WLFZ）[1]。该区域位于海拔145至175米之间，每年从晚秋到春季处于淹没状态，夏季则暴露在空气中[2]（见图1）。水生（淹没）和陆地（有氧）条件的交替使得WLFZ成为一个生物地球化学活跃的界面，面临独特的环境挑战。在过去十年中，有两个问题尤为突出：（1）WLFZ土壤中的温室气体（GHG）排放（二氧化碳CO?、甲烷CH?和一氧化二氮N?O）可能对水库的整体碳足迹产生显著影响；（2）WLFZ土壤和沉积物中的营养物质循环可能在释放后加剧水库水体的富营养化。这些过程是相互关联的，因为有利于或抑制GHG产生的生物地球化学条件通常也控制着营养物质的转化和释放。了解WLFZ中碳和营养物质通量的规模、驱动因素及其相互作用对于大型水库的气候影响评估和水质管理至关重要。
先前的研究表明，WLFZ在低水位期间会积累大量有机物（OM）和营养物质，而在重新淹没时部分物质会重新释放到水中[3]、[4]。暴露和干燥会导致强烈的土壤呼吸（CO?排放）和硝化作用，积累的硝酸盐在土壤再次被淹没时会被反硝化（产生N?O或N?）。因此，WLFZ既是元素的来源也是汇，在季节循环中动态切换角色[5]。鉴于三峡水库的巨大规模及其排水区的广阔面积，这些生物地球化学通量在生态系统层面上具有重要意义。例如，最近的一项估计表明，排水WLFZ土壤每年的CO?排放量约为343–496 Gg，这抵消了该区域植被生长所固存的约80%的碳[2]。同样，WLFZ也被认为是水库内部营养物质负荷的主要来源，特别是磷和硝酸盐，这些物质会加剧下游的水质问题[6]、[7]。
数据检索自2015年1月1日至2025年12月31日的Web of Science核心数据库。搜索在“Topic”字段中使用以下查询词进行：“Three Gorges” AND “greenhouse gas emissions” AND (“nitrogen” OR “phosphorus”) AND (“riparian zone” OR “drawdown zone” OR “water level fluctuation zone”）。经过筛选后，保留了830篇记录。基于这些文献，本文综述了水陆过渡区中GHG排放和N/P生物地球化学循环的研究进展，重点分析了三峡水库WLFZ的情况。我们首先研究了WLFZ土壤中的CO?、CH?和N?O通量，包括其观测值、时空分布以及水文、温度、土壤湿度、有机物（OM）和微生物群落等关键控制因素[8]、[9]、[10]。接着，我们探讨了WLFZ土壤在交替淹没-干燥周期中的碳、氮和磷转化过程。随后，我们讨论了GHG产生与N/P迁移之间的耦合关系，强调了这种过渡环境中碳和营养物质循环的共同驱动因素和反馈机制[11]、[12]。在此基础上，我们提出了减少WLFZ土壤中GHG排放和营养物质损失的潜在缓解和管理策略，包括水位调节技术、植被恢复或工程湿地方法以及土壤改良（如生物炭）[13]、[14]、[15]。最后，我们指出了未来的研究空白，如长期监测、微生物过程建模和综合措施的成本效益评估，以更好地预测和管理水库排水区的温室气体排放和营养污染问题。
部分摘录
CO?排放
在排水阶段，WLFZ是大气中二氧化碳的重要来源。野外实验和放大研究表明，当WLFZ土壤暴露在空气中时，CO?通量明显高于淹没状态（Almeida等人，2019年；Barbosa等人，2024年；Yang等人，2025年；见图2a）。例如，在三峡水库WLFZ的下游区域，日变化和季节性监测发现干燥（排水）状态下的CO?排放量较高
碳动态
WLFZ中的碳输入主要来自两个途径。一是干旱期间植被的快速恢复，植物通过光合作用吸收大气中的碳并积累生物量；二是周期性洪水带来的沉积物和有机物沉积到土壤中，促进新的土壤有机碳（SOC）形成[41]。
GHG排放与N/P生物地球化学过程的耦合
WLFZ中的温室气体通量和营养物质循环紧密相关，通常由相同的环境因素驱动。水文条件、氧化还原状态、温度和有机物的可用性是同时影响碳气体产生和营养物质迁移的关键因素。本文分析了三峡水库排水区中GHG排放与N/P循环之间的一些关键耦合和反馈机制。
缓解和管理策略
管理三峡水库（及类似系统）的水位波动区需要平衡防洪、发电和通航需求，同时实现减少温室气体排放和防止营养物质释放的环境目标。基于现有知识，已经提出了一些生态管理策略来减少WLFZ土壤中的GHG排放和N/P负荷。本文回顾并推荐了这些策略，并讨论了它们如何影响这些过程
研究空白和未来方向
尽管在过去十年中，人们对三峡水库WLFZ的生物地球化学行为有了显著了解，但仍存在重要的知识空白和不确定性，需要进一步研究以改进管理。以下是未来研究、监测和模型开发的几个关键领域：
•长期和全年监测：迄今为止的许多研究都是短期或季节性的，而长期监测对于
未引用的参考文献
[16], [18], [40], [46], [54]
CRediT作者贡献声明
吴乐翔：项目管理、资金获取、正式分析。刘星晨：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论、调查、数据管理、概念化。王卓伟：调查。朱大宇：软件开发、数据管理。周怀东：方法论。王珏：调查。刘晓波：调查、资金获取。王金辉：数据管理。王星勇：正式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本项目得到了中国国家重点研发计划（项目编号2023YFC3207802）、中华人民共和国水利部水库运行管理基金（编号2136703）以及中国水利水电研究院基础科学研究计划（WE110145B0022025）的支持。
