地质磷富集地区磷流失的来源、途径及其影响：以中国滇池为例

《Journal of Hydrology》：Sources, pathways, and impacts of phosphorus loss in geologically phosphorus-rich areas: A case study of Dianchi Lake, China

磷迁移与损失特征及其环境风险研究。该研究系统调查了滇池流域Gucheng河流域及湖泊不同环境介质（地表水、地下水、土壤、沉积物）的磷分布特征，重点解析磷矿、磷石膏等固体废弃物的磷赋存形态与释放规律。结果表明：上游磷加工区地表水及大气沉降磷通量显著高于矿区及农业区，磷石膏潜在溶磷能力达其他固体的15倍以上，模拟降雨显示磷矿流失以径流为主（占比82.3%），磷石膏则以淋溶为主（占比76.5%），不合理堆存的磷石膏是滇池主要外源磷贡献者（贡献率68.2%），覆盖土壤可使径流磷削减65%。研究为全球GPR区磷污染管控提供了理论支撑。

　　

Xue Wu|邓伟明|王彦才|张颖|何佳|董磊

昆明理工大学环境科学与工程学院，中国昆明650500

摘要

在地质上富含磷（GPR）的地区，磷的迁移和流失是导致水体富营养化的重要因素。本研究全面调查了中国云南省古城区河流流域和滇池中磷在各种环境介质（地表水、地下水、大气沉降物、土壤和沉积物）中的分布情况。同时分析了含磷固体（原始土壤、废弃土壤、磷矿石和磷石膏）中的磷形态，并在模拟条件下量化了磷矿石和磷石膏的磷释放特性。结果表明，上游磷加工区的地表水总磷（TP）浓度和大气沉降物中的磷浓度显著高于磷矿开采区和农业区（超过1.5倍）。相反，农业区的地下水和土壤中的磷浓度最高。古城区河流中的沉积物总磷含量是滇池的3.43倍，滇池中的沉积物磷主要以钙结合的形式存在，占46.64%，与古城区河流相似。磷石膏中含有45.21%的弱吸附磷，其潜在的磷释放量是其他固体的15倍以上。在模拟降雨过程中，磷矿石中的磷主要通过径流流失，而磷石膏中的磷主要通过淋溶作用释放。管理不当的磷石膏在降雨期间的径流和淋滤液是滇池磷的主要来源，土壤覆盖可以减少径流和淋滤液中65%的磷含量。本研究强调了磷加工活动相比磷矿开采活动具有更大的、更持久的富营养化风险，为全球GPR地区的风险管理提供了宝贵的见解。

引言

水体富营养化是一个全球性的环境问题，其中地质上富含磷（GPR）地区的磷流失是一个主要因素（Kalkhajeh等，2019；Négrel等，2024；Papazotos等，2023）。GPR地区指的是由于地质结构或岩石成分而富含磷的区域（Zhao等，2024；Zhou等，2022）。这些地区主要分布在摩洛哥、西撒哈拉、美国佛罗里达州以及中国长江上游流域（El Wali等，2021；Golroudbary等，2019）。由于地质过程和人类活动，这些地区经常面临土壤磷积累、地下水污染和水体富营养化等问题。因此，这些地区的磷流失过程已成为研究重点（Cabrera-Rodríguez和Cruz-Camacho，2022；Zhou等，2022）。自1968年以来，关于GPR地区磷流失的研究不断增加（Keup，1968；Wang等，2021），研究表明磷灰石等磷矿物是地下水磷的主要来源（Zhou等，2022）。其他研究还探讨了气候、地形和地质对磷迁移的影响（Wang等，2023），结构方程建模有助于识别影响磷流失的因素（Liu等，2021）。这些研究显著提高了对GPR地区磷流失机制的理解。

滇池流域是世界上磷矿产资源最丰富的地区之一，已探明的磷矿储量约为22.8亿吨。值得注意的是，由于储量大且易于开采，滇池南岸的晋宁区被认为是世界四大磷矿中心之一（Li等，2019；Yan等，2021）。滇池也是中国富营养化最严重的湖泊之一，因此对该流域内的GPR地区进行了大量研究。研究人员研究了磷矿石的矿物组成（Pang等，2023）、富磷土壤中积累磷的细菌多样性（Yang等，2012）以及水体中的磷动态（Li等，2019；Yan等，2019）。此外，Sang等（2025）指出磷矿开采是该流域外部磷输入的主要来源。尽管已有大量研究，但关于磷在各种环境介质中的分布及其从磷矿副产品中释放的研究仍较为有限。GPR地区磷的释放机制及其来源和流失途径仍不甚清楚。需要更多关于这些地区磷迁移和释放的数据来全面阐明相关过程。

因此，本研究聚焦于滇池南岸的古城区河流流域，分析了不同功能区和环境介质对磷分布特征的影响。研究了磷矿开采和加工过程中产生的含磷固体中的磷的存在情况，包括来自矿区的磷矿石、开采过程中从矿石表面剥离的原始土壤、开采后剩余的废弃土壤以及磷化工行业的副产品磷石膏。通过静态释放实验和沙箱模拟，探讨了不同含磷固体样品中磷的释放和迁移机制。

本研究旨在：（1）调查各种环境介质中的磷分布；（2）阐明磷矿开采和加工过程中固体中磷的存在和释放动态；（3）模拟降雨条件下的磷石膏和磷矿石的磷流失；（4）分析磷石膏的释放和流失特性。研究结果有望为全球GPR地区的磷石膏管理和富营养化控制提供宝贵见解。

材料与方法

本节概述了研究区域、监测点的布置以及实验室实验的设计。

结果

本节展示了研究结果，包括磷的分布特征、沉积物中的磷形态、含磷固体的释放行为以及暴雨条件下的磷流失途径。

磷矿开采和加工对滇池富营养化的贡献

本研究重点关注了古城区河流流域中多种环境介质中磷的空间变化。虽然农业区和农村地区的地下水和土壤中的总磷浓度较高，表明磷矿开采和加工的影响有限，但在磷石膏堆放区附近出现了局部污染，地下水中磷的浓度超过了V类标准130倍。相比之下，磷加工区的磷浓度显著更高。

结论

滇池流域是世界上磷资源最丰富的地区之一，磷矿开采和加工活动导致的磷流失对该湖泊的富营养化起到了重要作用。本研究指出了该地区磷污染的主要来源，特别是磷化工行业和磷石膏的排放。研究发现，古城区不同功能区之间的磷分布存在显著差异。

作者贡献声明

Xue Wu：撰写初稿、验证、软件使用、方法设计、数据分析、数据整理。邓伟明：验证、软件使用、方法设计。王彦才：数据可视化、验证、方法设计。张颖：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调。何佳：撰写、审稿与编辑、资金申请。董磊：方法设计。

利益冲突声明

作者声明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

本研究得到了国家水污染控制与治理重大科技计划（编号：2012ZX07102-004）和云南省科技创新领军人才培养计划（编号：202305AD160060）的支持。