《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Elevation-Driven Divergence in Soil Colloid Functionality Governs Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Mobility in the Three Gorges Reservoir Riparian Zone
编辑推荐：
土壤胶体对三峡库区不同海拔多环芳烃迁移的调控机制研究。通过分析低中高海拔土壤胶体的理化性质及吸附特性，结合柱实验和相关性分析，发现高海拔胶体释放量是低海拔的10倍，吸附能力更强，且胶体结合的PAHs占迁移总量的67.35%以上。机制表明有机质和比表面积是PAHs吸附的关键因素，矿物成分影响溶解态PAHs。研究揭示了海拔梯度下土壤胶体功能分化，为水库生态系统PAHs风险评估提供了理论依据。
应曦|敬忠龙|昆利|奥兰张|彪雄|陶旭|大卫·约翰逊|吕元飞|黄应平
中国三峡大学教育部三峡库区生态环境工程研究中心，湖北省宜昌市443002
摘要
土壤胶体对库区河岸带中多环芳烃（PAHs）的迁移具有关键控制作用。然而，海拔高度对这一调控功能的影响尚未得到充分研究，这成为三峡水库（TGR）风险评估中的一个重要空白，亟需进一步探索。在6月份的退水期间（水位<145米），从三个不同海拔区域采集了土壤胶体样本：低海拔区（LL，145~155米）、中海拔区（ML，165~175米）和高海拔区（HL，175~185米），这些区域具有不同的淹没历史。分析结果显示，高海拔区的土壤胶体释放量是低海拔区的10倍（分别为121.58毫克/升和13.98毫克/升），并且稳定性更强（临界絮凝浓度分别为112毫摩尔/升Na?和20毫摩尔/升Na?），这得益于其较高的总碳含量（3.61%）和负电性（ζ电位为-36.8 mV）。高海拔区土壤胶体对菲（PHE）的吸附能力（Qe = 178.57毫克/克）比低海拔区高5%，这得益于其较大的比表面积（64.59平方米/克）和微孔结构。柱实验表明，高海拔区土壤胶体使菲的总迁移量增加了138.81%，超过了中海拔区（62.07%）和低海拔区（60.17%），其中与胶体结合的菲（C-PHE）占迁移总量的67.35%以上。从机制上讲，C-PHE的含量与总碳（OC）和比表面积（SSA）呈正相关（r = 0.98和r = 1.00），而溶解态菲（D-PHE）的含量与铁和铝的含量相关（r = 0.98），这说明高海拔区土壤胶体是PAHs的“载体”，而低海拔区土壤胶体则更像“矿物过滤器”。这种功能差异要求在预测水库调控生态系统中的PAHs风险时，必须考虑海拔高度因素。
引言
多环芳烃（PAHs）作为典型的疏水性有机污染物（HOCs），与土壤固体紧密结合，限制了它们在水环境中的溶解度和迁移性[1]。它们的环境命运受到胶体颗粒（<1 μm）的显著影响，胶体颗粒可以通过一种称为“胶体促进运输”的过程帮助这些原本不活跃的污染物迁移[2]。大量研究表明，由于土壤胶体具有较大的比表面积和丰富的官能团，它们成为PAHs等HOCs的有效载体，显著增强了污染物的迁移性和地下生态风险[3][4]。这种共迁移的关键机制，包括胶体稳定性、表面化学性质和流体动力学影响，已经得到了系统的阐释[5][6][7][8]。然而，传统研究主要集中在均匀土壤中的胶体-污染物相互作用[9][10]，往往忽略了环境梯度上胶体行为的时空变化，尤其是在河岸带等动态界面环境中。在这些环境中，周期性的水位波动和干湿循环被认为是促进胶体生成、释放和随后迁移的关键因素，从而可能放大污染物的迁移量[11][12][13][14][15]。如何理解这种差异如何调节PAHs的形态和迁移量，仍然是风险评估中的一个关键知识空白。
三峡水库（TGR）的河岸带每年经历30米的水位波动（145~175米），不同海拔区域之间存在明显的生物地球化学梯度[16][17][18]。在低海拔地区（LL，145~155米），长期的淹没-干燥循环可能通过增强微生物活性加速有机碳的矿化[19][20]，同时通过反复的溶解-沉淀循环促进次生矿物的形成[21]。相反，高海拔地区（HL，175~185米）由于水文干扰较小且持续受到陆地植被的补给，可能保留了更多的有机物质[22]，这可能有利于富含有机成分的积累。这种“有机-矿物差异”（HL区以有机物为主；LL区以矿物质为主）可能显著影响胶体的功能：1）稳定性方面，有机涂层可能增强静电排斥作用，而金属氧化物可能抑制电荷屏蔽[23]；2）污染物亲和力方面，有机物中的疏水结构可能促进PAHs的吸附，而矿物表面可能竞争结合位点[24][25]。这些由海拔高度驱动的特性是否以及如何影响PAHs的形态，目前尚未得到验证。
为了解决这一知识空白，我们提出假设：海拔高度依赖的胶体有机-矿物组成变化通过调节胶体功能来控制PAHs的迁移路径。我们通过综合方法验证了这一假设：1）在模拟的三峡水库水化学条件下，表征了LL、ML和HL地区土壤胶体的释放动态及其稳定性和迁移性阈值；2）通过动力学和颗粒内扩散建模量化了菲（PHE）的吸附机制；3）通过柱实验区分了胶体和溶解态PAHs的贡献；4）通过相关性分析建立了特征与迁移量之间的关系。通过将胶体性质与PAHs的形态和迁移联系起来，本研究为预测水库生态系统中的PAHs风险提供了机制框架。
研究方法
土壤胶体的收集、制备和表征
研究地点位于中国宜昌市兴山县峡口镇三峡水库中段左岸（坐标：31°10'15.403"N, 110°46'46.036"E）。该地点具有代表性，我们在之前的研究中发现该地区受到严重的PAHs污染，且这种污染因水位波动而加剧[26]。2021年7月，当水位低于145米时，从表层（0~20厘米）采集了土壤样本。采样点分布在三个不同海拔高度。
河岸带土壤胶体的物理化学性质
河岸带不同海拔区域的土壤在水位波动周期中经历不同的淹没、饱和和干燥过程，从而导致不同的物理化学特性。不同海拔区域土壤胶体的元素组成见表1。
高海拔地区（SC-HL）土壤胶体中的碳（C）、氮（N）和硫（S）含量分别为3.61%、0.2%和0.114%，高于低海拔地区（SC-LL）和中海拔地区（SC-ML）的土壤胶体。
结论
本研究表明，三峡水库河岸带的土壤胶体具有海拔高度依赖的功能性，这对PAHs的迁移性具有关键影响。主要结论如下：
(1)高海拔地区的土壤在淹没期间释放的胶体量是低海拔地区的10倍。在长江水化学条件下，河岸带的土壤胶体保持了较高的稳定性和迁移性，表明其具有显著的污染物运输潜力。
(2)高海拔地区的土壤胶体对菲的吸附能力（Qe = 178.57毫克/克）比低海拔地区高5%
利益声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
作者贡献声明
吕元飞：撰写、审稿与编辑，资金筹集。大卫·约翰逊：撰写、审稿与编辑。黄应平：撰写、审稿与编辑，概念构思。敬忠龙：撰写、审稿与编辑，项目管理，资金筹集。奥兰张：数据分析，数据管理。昆利：初稿撰写。陶旭：项目监督，资金筹集。彪雄：方法设计，概念构思。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42107441, 42177397, 22136003）、湖北省自然科学基金（2024AFB630, 2024AFB217, 2025AFB069）、中国111计划（D20015）和中国博士后科学基金（2023M742044）的支持，以及三峡库区生态环境工程研究中心的开放研究项目（2024KGC03）的支持。
