抽水蓄能电站运行对湖泊放射性铯迁移的调控机制：以沼泽湖红鲑为例

本研究针对福岛核事故后淡水鱼放射性铯污染问题，通过分析抽水蓄能电站运行对沼泽湖水文特征、热分层结构及食物链传递的影响，揭示电站运行通过改变水体滞留时间、输出污染碎屑、阻隔铯元素迁移途径，使红鲑体内放射性铯生态半衰期从4.7年缩短至0.9年的机制，为人工干预下放射性污染生态调控提供新范式。

　　

2011年福岛核事故后，放射性铯（¹³⁴Cs+¹³⁷Cs）在淡水生态系统中的长期滞留成为严峻挑战。尤其令人困惑的是，位于福岛县西部的沼泽湖中的陆封型樱鳟（Oncorhynchus nerka，又称红鲑），其体内放射性铯浓度在2012年4月一度超过食品标准限值（400 Bq/kg），而周边农田作物却未出现类似超标现象。更引人注目的是，作为抽水蓄能电站的上水库，沼泽湖在电站运行期间，红鲑体内的放射性铯浓度出现了异常快速的下降。这一现象暗示，人类工程活动可能深刻影响着放射性物质在湖泊生态系统中的归趋。为了揭示其背后的科学机制，东京电力公司福岛复兴总部的Atsushi Hirano等研究人员开展了一项跨学科研究，成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》。

本研究的关键技术方法包括：收集电站运行商提供的长期水文与水质数据（2007-2014年），分析水体滞留时间、垂直温度剖面及营养盐（总氮TN、总磷TP）分布；通过政府监测平台获取红鲑放射性铯浓度动态数据；采用双层浮游生物网（200 μm/30 μm）进行分层采样，获取浮游植物、浮游动物及悬浮碎屑样本；利用昆虫网采集湖岸羽化的摇蚊成虫；使用高纯锗γ能谱仪进行核素分析。

3.1. 水文与物理化学特性

研究人员发现，电站运行显著改变了湖泊的水文特征。非运行期，湖水滞留时间长达5年，而运行期急剧缩短至0.2年。水体温层（热分层结构）的深度和梯度也受运行影响：非运行期，温层更靠近湖面且梯度更陡。总磷（TP）浓度在温层深度出现峰值，且与下水库来水中悬浮固体含量高度相关，表明磷主要来源于颗粒物，并在温层聚集。

3.2. 湖泊浮游生物特征

沼泽湖浮游植物以蓝藻和绿藻为主，浮游动物以轮虫占优势。电站运行期间，浮游植物密度波动增大，推测与下水库富含磷的来水输入缓解了湖水的磷限制有关。

3.3. 有机样本中放射性铯浓度

红鲑体内放射性铯浓度呈现明显的季节性波动，每年4月出现峰值，8月降至谷值。在电站恢复运行后（2014年后），其放射性铯浓度的下降速度显著加快，有效生态半衰期从非运行期的4.7年缩短至运行期的0.9年。对食物链各环节的分析显示，悬浮碎屑（464 Bq/kg干重）和摇蚊（371 Bq/kg干重）的放射性铯浓度远高于浮游植物（24-166 Bq/kg干重）、浮游动物（16-79 Bq/kg干重）以及同期红鲑体内的水平。悬浮碎屑中发现了陆地植物组织，证实其来源于周边受污染的森林。

3.4. 无机样本中放射性铯浓度

湖水本体中放射性铯浓度低于检测限（0.12 Bq/kg）。湖岸土壤的污染程度最高（202-930 Bq/kg干重），高于湖底沉积物（122-670 Bq/kg干重），表明污染源主要来自湖泊周边森林。

4.1. 红鲑对放射性铯的吸收

基于前人研究和本工作的数据，红鲑吸收放射性铯的主要途径是摄食，而非通过鳃从水体中直接吸收。红鲑的食性存在季节性转换：春季（3月末至4月）主要摄食正在羽化的摇蚊蛹，而夏季（6月至9月）则转向以浮游动物为主食。

4.2. 放射性铯迁移路径假说

研究提出了两条关键的放射性铯迁移路径：

1. 1.
   碎屑-浮游生物路径：周边森林产生的污染碎屑进入湖泊，在沉降过程中聚集于温层。放射性铯从碎屑中溶出后被浮游植物吸收，进而通过浮游动物传递给摄食浮游动物的红鲑。
2. 2.
   沉积物-摇蚊路径：沉降到湖底的污染碎屑形成沉积物。摇蚊幼虫取食沉积物将放射性铯富集体内，在其羽化期为红鲑提供高浓度的铯来源。
   此外，冬季全层循环期，底层水中的铯可能混合至整个水柱，通过水体间接影响红鲑，但此途径相对次要。

4.3. 红鲑对放射性铯的排放

红鲑作为变温动物，其新陈代谢和生长速率与水温密切相关。夏季表层水温升高，红鲑活动于温暖的表层，代谢和生长加快，促进了体内放射性铯的排放和生物稀释作用。

4.4. 红鲑体内放射性铯浓度的季节性波动机制

春季峰值归因于摄食高铯浓度的摇蚊蛹。随后浓度下降是由于：食性转向铯浓度较低的浮游动物；水温升高导致铯排放和稀释加速；温层形成隔离了红鲑活动水域与可能含铯的底层水。秋季浓度回升则与代谢减缓、排放减少有关，而10月的短暂下降可能与红鲑繁殖期停食和洄游行为相关。

4.5. 电站运行的影响

电站运行通过三种机制加速了红鲑体内放射性铯的清除：

1. 1.
   缩短滞留时间：快速的水体交换将部分聚集在温层的污染碎屑带出湖泊，切断了铯的源头。
2. 2.
   改变营养结构：下水库富含磷的来水输入刺激浮游植物生长，可能间接促进红鲑代谢和生长，加速铯的排放与稀释。
3. 3.
   改变温层结构：运行期温层下移，导致铯聚集的深度（温层中下部）与浮游植物活跃生长的深度（温层上部）发生空间分离，阻碍了铯通过浮游食物链向上传递。

本研究系统阐明了抽水蓄能电站运行这一人为因素如何通过改变湖泊物理化学过程（水体滞留时间、热分层）和生态过程（食物链结构、生物代谢），显著影响放射性铯在淡水食物链（特别是具有重要经济价值的红鲑）中的迁移、富集和衰减动力学。研究结果不仅为理解人为调控下放射性污染物的环境行为提供了新颖的视角，也为类似受污染水体的生态风险管理与修复策略（例如，通过调控水文条件加速污染物清除）提供了重要的科学依据和实践路径。