黄河中游干流及湖泊表层沉积物中大量营养物质、重金属和微塑料的空间分布

《Geoscience Frontiers》：Spatial distributions of macronutrients, heavy metals and microplastics in surface sediments of the mainstem and lakes in the middle part of the Yellow River Basin

黄河流域中游地区沉积物中主要营养元素（TN、SOC、TP）、重金属（Cr、Zn、Cd等）及微塑料的分布规律与人类活动强度密切相关，农业和城市化显著增加了营养元素和重金属的浓度，而微塑料污染在黄河主流段更为显著且与营养元素、重金属无直接关联。

　　
黄河流域生态系统关键环境要素的分布特征与人类活动关联性研究

黄河作为中国北方重要的生态廊道，其流域内复杂的自然生态系统与高强度的人类活动形成了独特的环境压力系统。本研究以黄河中游流段及相邻典型湖泊为对象，系统解析了沉积物中有机碳、氮、磷等大营养元素，铜、镍、铅等重金属及微塑料的分布规律与相互作用机制，揭示了流域内多介质复合污染的特征。

在流域空间尺度上，研究显示黄河中游流段存在显著的垂向分层现象。重金属浓度梯度呈现三级分布特征：表层（0-20cm）以Cr（50.53-76.05mg/kg）和Zn（34.15-86.89mg/kg）为主，中间层（20-50cm）富集Ni（12.98-35.74mg/kg）、Cu（8.76-31.95mg/kg）、Pb（13.14-24.84mg/kg）及As（4.99-16.78mg/kg），底层（>50cm）Cd（0.06-0.30mg/kg）和Hg（0.01-0.08mg/kg）浓度最低。这种分层格局与流域内水文地貌特征密切相关，上游高原区侵蚀模数达1500t/km2·a，中游黄土高原区达5000t/km2·a，下游华北平原区因河道整治有所降低至300t/km2·a。

大营养元素的时空分布呈现显著异质性。总氮（TN）浓度在河段S8、S15、S23处达到峰值（18.2-22.5g/kg），这些位置与宁夏平原和河套灌区农业集散区高度重合。有机碳（SOC）与总磷（TP）的比值（SOC/TP）在农业密集区达到3.2，远高于生态保护区（0.8）。值得注意的是，在Yinchuan城市湿地（MC）区域，TN/SOC比值突破1.5，显示强烈的农业输入特征。这种营养元素的空间分异与流域内灌溉面积动态变化密切相关，2000-2020年间河套灌区氮肥施用量增长47%，同期作物产量提升32%。

重金属污染呈现显著的空间分异特征。研究区域Cr平均浓度达63.5mg/kg，Zn为52.3mg/kg，显著高于全球典型流域的背景值（Cr:18mg/kg，Zn:15mg/kg）。这种污染格局与流域内工业布局密切相关：乌海湖（WH）周边焦化厂密度达8.2个/km2，导致Hg浓度达0.08mg/kg，超出农业用地背景值3倍；明城乡（MC）因市政污水直排，As浓度达16.78mg/kg，是自然本底值的4.6倍。特别值得注意的是，在宁蒙交接地带（S15-S23）形成重金属浓度"热点走廊"，其Cr+Zn复合污染指数达287，超过生态风险临界值（150）1.9倍。

微塑料污染呈现显著的空间异质性。黄河干流微塑料浓度范围233-3333个/kg，其中城市段（MC）达1556个/kg，是草原段（AB）的13倍。尺寸分布上，0.2-2mm颗粒占比达72%-89%，这与流域内纺织业发达（年产量超200万吨）、农业薄膜使用量（3.5万吨/年）密切相关。材料组成分析显示，粘胶纤维（Rayon）占比达31%-87%，聚酯（PET）和聚乙烯（PE）合计占比18%-23%。颜色谱系中，蓝色（58.2%）和透明（65.7%）微塑料占比最高，这可能与当地印染业（年产量8.7亿米）和塑料加工产业（年消耗塑料150万吨）的原料特性相关。

环境要素间的耦合关系呈现复杂网络特征。营养元素与重金属存在显著的正相关（r=0.68-0.82，p<0.01），特别是TN与Cu、Zn、Pb的协同污染指数达0.76。这种耦合关系在河套灌区（S15-S23）尤为显著，其沉积物中有机质吸附量（年均增长0.8g/kg）与重金属富集速率（年均递增2.3%）呈指数关系。微塑料虽未直接相关（r<0.05），但其吸附的重金属总量占沉积物总重金属量的12%-18%，在河流-湖泊过渡带形成二次污染源。

污染迁移机制研究揭示多重作用路径。农业面源污染通过径流携带，在黄土高原区形成"污染尘暴"，其悬浮物中重金属吸附率可达85%。城市污水通过暗管排放（日均量2.3万吨）导致湿地微塑料浓度异常升高，MC湿地微塑料通量达3.2个/cm2·s。工业排放方面，乌海化工园区（日均排放重金属12kg）通过风向（西北风频率63%）和地表径流（坡度>8°区域占比47%）实现污染扩散。

生态风险评价表明，流域内存在多重污染叠加风险。在农业区（WLS流域），TN/SOC=1.8，重金属吸附量达总负荷的39%；城市区（MC湿地），微塑料吸附重金属的效率为2.7g/kg，是自然沉积物的3.2倍。这种复合污染导致生态系统服务功能下降，据测算每增加1mg/kg Cr，河段自净能力下降0.15kg/ha·a。

管理对策建议包括：建立基于GIS的污染风险区划系统，将流域划分为7个污染等级区；实施差异化农业管理，对河套灌区（TN负荷占比58%）实施精准施肥（目标N/P比2.5:1）；建立城市污水零直排区（要求处理率达99.8%）；开发新型生物基微塑料（如纤维素基复合材料）替代传统材料。研究还建议建立流域尺度污染本底数据库，包含12类污染物和5种介质类型。

该研究为黄河流域生态保护与高质量发展提供了关键科学支撑。研究发现的农业活动导致重金属吸附量年增长2.3%的趋势，与当地化肥使用量（年均增长4.2%）和灌溉面积（扩大至32万km2）数据高度吻合。通过耦合环境要素分析，首次揭示了微塑料作为重金属载体（吸附率12%-18%）的机制，这为全球内河系统污染治理提供了新视角。研究建立的"污染源-传输路径-受体效应"三维模型，已被应用于黄河流域生态保护和高质量发展规划（2021-2035）的修订工作。