河流是连接地球上最重要的两个碳库——海洋和陆地碳库的纽带，是将陆地侵蚀的含碳物质输送到海洋的主要通道，每年由陆地生态系统通过河流向海洋排放的有机碳约0.45 Gt，其中溶解有机碳(DOC)约占55%^[1]. 河流有机碳的输送不仅受流域的土壤类型、 植被情况、 水文过程以及地形地貌影响^[2]，而且流域的任何气候波动都能影响河流DOC含量和输送量^[3]. 随着人类活动对流域地表干扰程度的日益加剧以及生产、 生活中大量废弃物质的随意排放，使河流碳含量和通量已经发生并且正在发生剧烈变化. 而且流域地表土地利用方式的改变，如植被的破坏^[4,5]、 基础设施的修建^[6,7]、 农业耕作方式的改变^[8]、 城市化^[4]等过程都直接或者间接影响着河流DOC的输送.

大规模的河流碳循环研究始于20世纪80年代，一些研究者对世界主要河流碳的输送进行研究^[1]，在我国相关研究人员对河流碳循环也进行了大量研究^{[9, 10, 11, 12, 13, 14]}. 随着大量水库的修建，河流碳的生物地球化学循环也受到影响^[15,16]，我国一些研究者也开始关注水库对河流碳循环的影响，如三峡水库对长江河流有机碳的含量、 通量和输送时间影响^{[17, 18, 19]}.

黄河是世界上著名的输沙型河流，且具有水沙异源的特点，黄河的泥沙主要来自中游的黄土高原地区. 在过去50多年里，黄河的流量和输沙量大大减少^[20]，大量泥沙沉积在下游河道中. 为了将沉积在河道中的泥沙排入大海，从2002年起开始通过小浪底等水库加大了对黄河干流的水沙调控，无论是蓄水拦沙还是调水调沙，都对黄河有机碳的性质和输送过程产生深远的影响. 目前已有许多研究者对黄河及河口的有机碳进行了大量研究，如Zhang等^[21]分析了黄河5月和9月的有机碳特征； Cauwet等^[22]研究了黄河口碳的含量及输送过程； 刘冬梅等^[23]分析了黄河干流有机碳的时空分布； 张龙军等^[24,25]研究了黄河口有机碳的时空输运特征^］，并探讨了不同粒径悬浮物中POC含量； Zhang等^[26]研究了人类活动对黄河有机碳输送的影响； Ran等^[27]分析了黄河有机碳输送的时空变化； 王启栋等^[28]研究了黄河口湿地有机碳来源； 宁有丰等^[29]研究了黄河悬浮物及底泥的有机碳同位素特征. 本研究通过在黄河三门峡、 小浪底和花园口这3个水文站进行连续1a的周期性采样观测以及调水调沙期间的连续采样观测，分析了黄河小浪底水库水沙调控对DOC输送的影响.

1 材料与方法

小浪底水利枢纽位于黄河中游最后一段峡谷的出口处，它是以治理黄河水沙为主要功能的大型水利工程，它不仅调节径流而且拦沙调沙，从而显著改变了自然状态下黄河水沙的输送过程. 三门峡水文站和小浪底水文站分别为小浪底水库水沙入库和出库的控制站，在三门峡站和小浪底站采样观测可以反映出进入和排出小浪底水库的DOC特征； 花园口水文站位于小浪底水库下游128 km处，是黄河中游的重要水沙控制站，也是黄河真正成为地上悬河的起点. 在花园口站采样观测，可以反映出从小浪底水库排出的DOC在向下输运的过程中可能发生的变化特征.

于2011年11月至2012年10月在三门峡站、 小浪底站和花园口站进行每月1次的周期性采样； 并于2012年黄河调水调沙期间在上述3个水文站进行连续采样分析，具体为： 6月18日至7月8日在花园口站进行了每天1次的采样； 6月18日和25日以及7月1日至9日在小浪底站进行每天1次的采样分析； 7月3日至6日在三门峡站进行每天1~2次的采样.

每次采样均在3个水文站采样断面的中间，为了避免水体表层枯枝落叶的影响，采样深度为水面以下1 m处. 用高温(450℃)灼烧的棕色石英玻璃瓶(2 L)盛装水样，在装样品之前先用水样洗涮棕色玻璃瓶3次，装样后滴加适量的饱和HgCl₂溶液. 样品带回实验室后用直径为47 mm的Whatman GF/F型玻璃纤维质滤膜(孔径0.7 μm)过滤，过滤前先经高温(450℃)灼烧并称其重量，过滤后将滤液盛装在50 mL的棕色玻璃瓶中，用美国Tekmar Dohrmann公司生产的Apollo 9000 TOC/TN分析仪测试DOC 含量，对于带有颗粒物的滤膜在50℃下烘干后再次称其重量，计算水体总悬浮颗粒物(TSS)含量.

三门峡、 小浪底和花园口这3个水文站2011~2012年逐日流量和泥沙含量资料以及调水调沙期间加密测次的流量和泥沙含量资料均来自黄河水利委员会. 2 结果与分析 2.1 水库正常调度期间DOC含量的变化特征

目前黄河小浪底水库通过两种运行方式来实现水沙调控，一是在水库正常调度期间拦蓄上游输入的水沙，下泄TSS含量比较低的清水； 另一是通过人为调水调沙或者是随着上游洪峰到来水库进行大量泄水排沙. 本研究在三门峡站、 花园口站和小浪底站进行每月1次的周期性采样均避开了水库集中泄水排沙时间，因此它反映了水库正常调度期间的DOC特征.

在1年内黄河三门峡站DOC含量为1.97~2.71 mg ·L^-1，平均为2.36 mg ·L^-1，并且有明显的季节变化(图 1)，11月~次年1月DOC含量呈现明显的增加趋势； 1~3月DOC含量呈现明显的减小趋势； 3~7月DOC含量又呈现明显的增加趋势，之后DOC含量又呈现减小的趋势； 在1年内有两个时段DOC含量偏高，分别是1~2月和6~9月. 三门峡站DOC含量的这种变化趋势与黄河径流量的季节性变化以及三门峡水库对黄河干流的水沙调控有关. 每年11月左右黄河内蒙古河段开始结冰，上游来水量逐渐减少，排进黄河系统的大量污水得不到有效稀释，可能是造成1~2月DOC含量偏高的重要原因. 3月随着黄河冰凌解冻，流量明显增加(图 2)，对河流DOC的稀释作用加强，使DOC含量降低. 4~6月黄河流域降水量偏小，DOC的外源输入比较小，而三门峡水库浮游植物的生长成为影响DOC含量的重要因素. 7~9月黄河流域进入汛期，降水相对丰沛，流域地表植被生长旺盛，在汇入河流系统的水体中DOC含量较高，另外7~9月三门峡水库浮游植物的生长对DOC含量的影响也比较明显，所以7~9月三门峡站DOC含量明显较高.

图 1

Fig. 1

图 1 三门峡站、 小浪底站和花园口站逐月DOC含量 Fig. 1 DOC content in Sanmenxia station,Xiaolangdi station and Huayuankou station

图 2

Fig. 2

图 2 三门峡站、 小浪底和花园口站的月平均流量 Fig. 2 Monthly average flow in Sanmenxia station,Xiaolangdi Station and Huayuankou Station

在1年内小浪底站DOC含量为1.87~2.76 mg ·L^-1，7月DOC含量最高，2月DOC含量最低，平均2.27 mg ·L^-1. 小浪底站DOC含量也有明显的季节变化，总体表现为夏季DOC含量较高、 冬季较低，春秋季次之(图 1). 小浪底站DOC含量的季节性变化与流域气候变化相一致，夏季黄河流域进入汛期，降水量大且植被生长旺盛，在汇入河流系统的水体中DOC含量较高，而且夏季小浪底水库水温较高，浮游植物的生长对水体DOC的贡献也比较明显，而冬季则正好相反.

对比小浪底水库的入库和出库控制站三门峡站和小浪底站的DOC含量的季节变化可知，除了1~2月三门峡站DOC含量偏高之外，其他各个月DOC含量变化比较一致. 1~2月尽管三门峡站DOC含量偏高，但是由于三门峡站1~2月河流流量较小(图 2)，而这时小浪底水库蓄水量较大，所以对小浪底水库DOC含量的影响不明显.

在1年内花园口站DOC含量在2.07~2.93 mg ·L^-1之间，平均为2.35 mg ·L^-1，其中7月DOC含量最高，1月DOC含量最低. 花园口站DOC含量仍有明显的季节性变化，夏季DOC含量偏高、 冬季DOC偏低(图 1). 花园口站DOC含量的变化趋势和小浪底站比较一致，主要是因为花园口站位于小浪底站的下游，且花园口站的河水主要来自小浪底水库. 小浪底站DOC含量2月最低，而花园口站2月DOC含量比冬季其它月份略微偏高，其可能原因是2月花园口站仍然具有明显的光合作用^[23]，增加河水DOC含量. 3月随着流量的增加(图 2)，河水TSS含量也随之增加，浮游植物的生长受到抑制，DOC含量也随之降低. 2.2 调水调沙期间DOC含量的变化特征

2012年黄河调水调沙从6月18日开始到7月8日结束，整个调水调沙过程分为两个阶段，第一阶段为6月18日至7月3日，这一阶段小浪底水库以下泄TSS含量比较低的清水为主，其目的是通过加大水库下泄流量冲刷下游河道的淤沙； 第二阶段为7月4日至8日，这一阶段为小浪底水库的排沙阶段，通过联合调度小浪底水库上游的三门峡等水库，将小浪底水库的淤沙大量排出水库.

图 3给出了调水调沙期间花园口站逐日DOC含量. 从中可以看出，在整个调水调沙期间花园口站DOC含量在2.11~2.84 mg ·L^-1之间，平均为2.37 mg ·L^-1. 在调水调沙初期，随着河水流量的增加DOC含量呈减小的趋势； 之后随着小浪底水库的下泄流量趋于稳定(约在4000 m³ ·s^-1左右)，尽管DOC含量也有明显的波动，但变化趋势不明显； 7月4日以后随着小浪底水库进行大量排沙，DOC含量呈明显的增加趋势.

图 3

Fig. 3

图 3 三门峡站、 调水调沙期间花园口站DOC含量 Fig. 3 DOC content in Huayuankou station during the water-sediment regulation

在调水调沙初期河水流量增加对DOC的稀释作用可能是造成DOC含量减小的重要原因； 而在水库排沙阶段，水库底部沉积物中DOC含量较高的孔隙水进入水体可能是造成DOC含量较高的重要原因. 在水库正常调度阶段，小浪底水库大量拦蓄上游输送过来的颗粒物，这些颗粒物中的有机质经过长时间的矿化分解，增加了沉积物中孔隙水的DOC含量； 当水库进行排沙时，沉积物的孔隙水也随之进入水体从而使DOC含量增加. 在水库排沙期间的TSS中发现大量的植物残落物，这也从另一个方面证明水库沉积物中孔隙水的DOC含量较高.

由于小浪底水文站距离小浪底大坝约4 km，它直接反应了水库水体DOC含量特征. 图 4给出了调水调沙期间小浪底站DOC含量. 在调水调沙期间小浪底站DOC含量在2.21~2.84 mg ·L^-1之间. 在水库泄水阶段，小浪底站的DOC含量比较低，7月4日以后随着水库开始大量排沙，DOC含量明显增加，这种变化趋势与花园口站DOC含量的变化趋势比较一致，主要是因为在调水调沙期间小浪底站和花园口站的河水主要来自小浪底水库.

图 4

Fig. 4

图 4 三门峡站、 调水调沙期间小浪底站DOC含量 Fig. 4 DOC content in Xiaolangdi station during the water-sediment regulation

为了配合小浪底水库排沙，三门峡水库于7月4日至7月8日进行调水调沙. 7月4日02：00时三门峡水库开始加大下泄流量，三门峡站的流量由之前的388 m³ ·s^-1迅猛增加到1300 m³ ·s^-1左右，至06：00时流量增加到了4200 m³ ·s^-1以上，至14：00流量就达到了5300 m³ ·s^-1左右. 三门峡水库大流量的持续下泄为小浪底水库的人造异重流提供了主要动力来源.

在2012年三门峡水库调水调沙期间三门峡站DOC含量在2.14~3.32 mg ·L^-1之间，并且有明显的变化趋势(图 5)，7月3日三门峡站的 DOC含量相对较低，而在7月4日08：00时DOC含量突然增到3.32 mg ·L^-1，但到7月4日20：00时DOC含量又明显回落，这主要是因为7月4日早晨三门峡地区经历了一次强降水，降水将大量地表有机物输送到河流系统，使河水DOC含量明显增加. 三门峡水库于7月5日开始排沙，随着大量泥沙出库三门峡站的DOC含量也明显增加，这可能是因为水库沉积物中DOC含量较高的孔隙水进入水体而增加了河水DOC含量.

图 5

Fig. 5

图 5 三门峡站、 调水调沙期间三门峡站DOC含量 Fig. 5 DOC content in Sanmenxia station during the water-sediment regulation

对比调水调沙期间3个水文站的DOC含量可以发现，水库排沙阶段的DOC含量均高于水库泄水阶段的DOC含量，且无论是在水库泄水阶段还是在水库排沙阶段，3个水文站的DOC含量都比较接近，主要是因为小浪底水库和三门峡水库的水和沙的来源比较一致，DOC含量没有发生明显变化. 2.3 流量、 TSS含量等因素对DOC含量的影响

黄河小浪底水库不仅大量拦蓄上游输送过来的水沙，控制下泄流量，而且在特定时间通过调水调沙又将前期拦蓄的水沙大量排出水库，实现了对黄河中游的水沙调控. 因此在小浪底水库水沙调控的作用下， 水库下游的河水流量、 TSS含量及其输送过程均发生了明显变化. 为了分析DOC含量与TSS含量、 流量等参数之间的关系，将三门峡站、 小浪底站和花园口站的数据合并在一起进行分析. 图 6给出了水库正常调度期间DOC含量与TSS含量、 流量和水温之间的关系，从中可知，在水库正常调度期间，DOC含量随TSS含量和流量的增加均呈现增加的趋势，但P>0.05，相关性不显著； 而DOC含量与水温却呈现显著的正相关关系，P<0.05. 这主要是因为夏季黄河流域气温高、 降水相对丰沛、 植被生长旺盛，在汇入河流系统的水体中DOC含量较高； 另外夏季气温较高也有利于水库浮游植物的生长，其新陈代谢产物对水体DOC的贡献也比较明显； 而冬季刚好相反.

图 6

Fig. 6

图 6 三门峡站、 水库正常调度期间DOC与TSS、 流量和水温的关系 Fig. 6 Relationship between DOC and TSS,flow and water temperature during the reservoir operated normally

在调水调沙期间，DOC含量不仅与TSS含量和流量之间不存在显著的相关性，而且与水温的相关性不显著(图 7)，主要是因为在调水调沙期间水温变化比较小而DOC含量却发生了明显的变化.

图 7

Fig. 7

图 7 三门峡站、 调水调沙期间DOC与TSS、 流量和水温的关系 Fig. 7 Relationship between DOC and TSS,flow and water temperature during the water-sediment regulation

在小浪底水库和三门峡水库水沙调控的影响下，河水的流量和泥沙输送均发生了人为改变，不能反映自然状态下的水沙输送特征，没有出现DOC含量随流量增加而增加的“冲刷效应”，例如尽管6月中下旬小浪底站和花园口站流量非常大，但并不是流域降水的结果，而是水库大量泄水造成了流量的大幅度增加，7~9月流域降水相对比较丰沛，输入到河流系统的水沙比较多，但这时水库对上游输送的水沙进行了拦蓄和调控，所以使DOC含量与流量和TSS含量均没有表现出显著的相关性. 2.4 水沙调控对DOC输送过程的影响

根据每个月的DOC含量以及该月的河水流量，采用下列公式计算DOC月输送量：

调水调沙期间的DOC输送量可以采用下列公式计算：

图 8给出了黄河三门峡、 小浪底和花园口站逐月DOC输送量. 从中可知，小浪底站和花园口站逐月DOC输送量的变化趋势比较一致，而且除了7月和8月之外，其他各个月的DOC输送量也比较接近. 7~8月花园口站DOC输送量明显高于小浪底站，主要是因为在黄河小浪底至花园口区间有洛河和沁河等支流汇入黄河，7~8月这些支流进入汛期，增加了花园口站的DOC输送量.

图 8

Fig. 8

图 8 三门峡站、 逐月DOC输送量 Fig. 8 Monthly DOC flux

三门峡站是小浪底水库上游的控制站，它反映了输入小浪底水库的DOC情况，对比三门峡站和小浪底站的逐月DOC输送量可以发现，两个水文站的逐月DOC输送量有较大差异，11月~次年3月，小浪底水库的DOC输入量和输出量比较接近，但是4~7月小浪底水库的DOC输入量明显低于输出量，其中6月差别最大，这主要是因为6月小浪底水库通过调水调沙将大量DOC输送到下游. 8~10月小浪底水库的DOC输入量又明显大于输出量，表明这3个月小浪底水库大量拦蓄上游输入的DOC.

从上述分析可知，小浪底水库水沙调控对DOC输送的影响主要表现为，8~10月水库大量拦蓄上游输送过来的DOC，4~7月尤其是6~7月又将前期拦蓄的DOC输送到下游.

三门峡站、 小浪底站和花园口站的DOC年输送量分别为8.6×10¹⁰、 9.0×10¹⁰和9.7×10¹⁰ g，尽管这3个水文站的全年DOC输送量比较接近，但仍呈现逐渐增加的趋势，这可能与黄河三门峡至小浪底区间以及小浪底至花园区间的支流汇入而增加DOC的输送量有关. 图 9给出了三门峡、 小浪底和花园口站每月DOC输送量以及调水调沙期间的DOC输送量占全年DOC输送总量的比例，从中可知，小浪底站和花园口站6~8月DOC输送量占全年DOC输送总量的比例较大，其中花园口站7月DOC输送量占全年DOC输送量的比例最大，约为16.7%，其次是6月，约为16.1%； 小浪底站6月DOC输送量占全年DOC输送量的比例最大，约为17.6%，其次是7月，约为14.8%. 三门峡站7~9月DOC输送量占全年DOC输送量的比例较大，其中9月最大，约占全年DOC输送量的22.0%，其次是8月，约占全年DOC输送量的18.8%，这主要是因为8~9月黄河流域降水量较多，上游输送过来的DOC也较多，而且在8~9月三门峡水库又基本上处于敞泄状态，又将上游输送过来的DOC直接输送到了下游.

图 9

Fig. 9

图 9 每月DOC输送量及调水调沙期间DOC输送量所占全年DOC输送量的比例 Fig. 9 Percentages of monthly DOC flux and DOC flux during the runoff-sediment control in the yearly DOC flux

在调水调沙期间，花园口站和小浪底站的DOC输送量所占比例非常高，分别占到全年DOC输送量的13.8%和14.7%，明显高于6月和7月之外的其他各个月的DOC输送量，说明小浪底水库调水调沙对DOC输送的影响比较大； 而三门峡站在调水调沙期间的DOC输送量占全年DOC输送量的比例非常低，仅占3.6%，主要是因为三门峡水库参与调水调沙的时间比较短，主要集中7月4日至8日，其泄水量远低于小浪底水库的泄水量.

3 结论

(1)在水库正常调度期间，三门峡站、 小浪底站和花园口站的DOC含量均有明显的季节变化，其中花园口站和小浪底站的DOC含量均表现为夏季偏高、 冬季偏低，而三门峡站冬季和夏季DOC含量均比春秋季节高； 在调水调沙期间，水库排沙阶段的DOC含量明显高于水库泄水阶段的DOC含量. 无论是在水库正常调度期间还是在调水调沙期间，DOC含量与流量和TSS含量均没有表现出显著的相关性.

(2)小浪底水库的水沙调控改变DOC的输送过程，8~10月水库大量拦蓄上游输送过来的DOC，4~7月尤其是6~7月又将前期拦蓄的DOC输送到下游.

(3)三门峡站、 小浪底站和花园口站的DOC年输送量分别为8.6×10¹⁰、 9.0×10¹⁰和9.7×10¹⁰ g，其中三门峡站的DOC输送主要集中在7~9月，小浪底站和花园口站的DOC输送主要集中在6~8月； 调水调沙期间小浪底站和花园口站DOC输送量占全年DOC输送量的比例分别为14.7%和13.8%，表明小浪底水库人为水沙调控也改变了DOC的输送时间.