利用地球化学示踪技术解析伊朗北部林农复合流域不同粒径河流沉积物的来源及其环境意义

本研究针对流域沉积物来源复杂、传统溯源方法忽略粒径影响的问题，通过地球化学指纹技术，首次系统分析了伊朗Kasilian流域0–2000 μm不同粒径沉积物的来源贡献。研究发现，随着粒径增大，河床贡献率从~4%增至~70%，而农业用地对>20 μm沉积物贡献微弱。该研究揭示了粒径分异下的源汇机制，为精准土壤保育和污染物管控提供了科学依据。

　　

随着人类活动加剧和土地利用变化，土壤侵蚀已成为威胁全球土壤资源可持续利用与生态环境安全的重要问题。侵蚀产生的沉积物不仅是水土流失的载体，更作为污染物（如重金属）的迁移媒介，对河流生态系统及水资源质量构成严重威胁。然而，传统沉积物溯源研究多忽略了一个关键科学问题：不同来源的沉积物因地形、径流和侵蚀过程的差异，其颗粒大小与物理化学特性存在显著分异，这种分异直接影响元素的迁移能力和污染物的富集行为。尤其在森林-农业交错分布的复杂流域，明确不同粒径沉积物的来源贡献，对于精准识别关键源区、制定有针对性的土壤保育策略具有重要意义。

在此背景下，研究人员选择伊朗北部阿尔布尔士山脉向里海倾斜的典型流域——Kasilian流域作为研究对象，该区域河流沉积物污染严重，但不同粒径沉积物的来源贡献尚未明确。为此，研究团队创新性地将地球化学示踪技术与沉积物粒径分级相结合，旨在回答以下科学问题：不同土地利用类型（天然林、人工林、牧场、农田）及河床对河流悬浮和底泥中不同粒径沉积物的贡献如何？沉积物粒径如何影响其来源分配？相关研究成果正式发表在环境监测领域的专业期刊《Environmental and Sustainability Indicators》上。

为系统解析上述问题，研究团队首先在流域内系统采集了40个源区土壤样本（覆盖天然林、人工林、牧场和农田）以及4场降雨事件中在两个监测站（MS1中游和MS2出口）获取的悬浮泥沙与河床沉积物样本。技术方法的核心包括：1） 使用激光粒度分析仪（HORIBA LA-950）对沉积物进行精密粒径分级，划分为<20 μm、20–40 μm、40–63 μm和>63 μm四个等级；2） 采用ICP-OES对样品中59种地球化学元素进行定量分析；3） 借助R语言环境下的FingerPro程序包，通过范围检验、Kruskal-Wallis检验和判别函数分析（DFA）筛选最优示踪因子组合；4） 基于质量平衡线性模型定量计算各源区对不同粒径沉积物的贡献率，并采用虚拟混合物验证模型准确性（RMSE和MAE平均为4.6%和3.9%）。

3.1. 不同粒径沉积物的最优示踪剂分析

研究发现，最优示踪剂组合随粒径等级和采样位置呈现动态变化。例如，在MS1站，<20 μm和>63 μm沉积物中最有效的示踪剂为Na、K、Fe，而20–40 μm和40–63 μm等级中则需引入Al和Hg以提高源区判别力。在流域出口MS2站，示踪剂组合更为复杂，涉及K、Fe、As、Hg、Pb等多种元素。判别分析表明，天然林、人工林和农业用地源区之间存在较高的地球化学相似性，而牧场和河床沉积物则表现出显著差异性，这主要与流域内一致的地质背景和人为活动影响有关。

3.2. 不同粒径沉积物的来源解析

粒径分异下的源贡献呈现明显规律：

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  在MS1和MS2监测点，随着沉积物粒径增大，河床的贡献率显著上升（从<20 μm时的约4%增至>63 μm时的70%以上），说明粗颗粒沉积物主要来源于河道本身的内源侵蚀。
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  农业用地对细颗粒（<20 μm）沉积物贡献显著（在MS2站达45–49%），但对>20 μm的沉积物贡献可忽略不计，印证了农田侵蚀以细粒流失为主。
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  天然林和人工林对细颗粒（<20 μm）贡献突出（合计最高达76%），这与林冠截留、枯落物层保护以及渗透性强等特性有关，林区侵蚀以细颗粒悬浮物为主。
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  牧场的贡献在中游MS1站随粒径增大而递减，但在出口MS2站因地理毗邻性未呈现明显趋势，反映了空间位置对源贡献的调制作用。

研究的优势在于首次在伊朗北部复杂流域实现了多粒径等级的沉积物指纹解析，并明确了河床源在粗颗粒中的主导作用。然而，样本量有限（仅2场降雨事件）和源区地球化学相似性可能增加模型的不确定性。此外，土壤酸化（尤其是人工针叶林）对细颗粒物产生的潜在影响仍需进一步探讨。研究者建议未来结合水文模型与地形指标（如LS因子），以增强对侵蚀-输移过程的机制理解。

综上所述，该研究深化了对流域沉积物来源—粒径—传输过程关联的理解，证实了忽略粒径分异将导致源贡献评估偏差。成果为针对性治理策略（如河床修复、农业面源污染控制、森林结构优化）提供了直接科学依据，对全球类似流域的土壤资源管理和水环境保护具有重要借鉴意义。