铁同位素对受人类活动影响的亚热带流域颗粒态铁动力学的约束

《Journal of Environmental Management》：Iron isotope constraints on particulate iron dynamics in a human-impacted subtropical watershed

　　

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  Fe_SPM 与 δ⁵⁶Fe 在九龙江流域的空间分布模式截然相反。
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  Fe_SPM 与 CIA 以及 δ⁵⁶Fe 与 CIA 之间的相关性较弱，表明风化作用并非控制铁变化的主导因素。
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  雨季期间，农业来源对北溪 Fe_SPM 的影响不容忽视。
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  采矿引起的硫化物氧化可能解释了北溪主干流中同位素偏轻的 Fe_SPM 特征。
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  提出了一种将同位素—地球化学代理指标与贝叶斯建模相结合的通用性框架。

引言

铁（Fe）是一种普遍存在且对氧化还原敏感的元素，在河流及沿海生物地球化学过程中起着核心作用（Song 等，2025；Wu 等，2019）。通过其与碳、氮、硫和磷循环的紧密联系，Fe 影响水生环境中营养元素的可用性、氧化还原反应、痕量金属的迁移以及生态系统的功能（Bao 等，2022；Urban 等，2020）。河流是将铁从陆地源传输至河口和沿海海洋的主要通道，因此构成了全球铁循环的重要组成部分（Han 和 Li，2025；Yin 等，2023）。在河流系统中，悬浮颗粒物（SPM）是铁的主要载体，记录了陆基侵蚀过程和河流输运过程中的水—颗粒相互作用（Rose 等，2018）。然而，颗粒态铁的含量和地球化学特征可能因水动力分选、风化反应以及农业、采矿和土地利用变化等人为活动而发生显著改变（Lefebvre 等，2024；Walling，2006）。这些改变可能导致对陆地区域风化的估算出现偏差，并影响营养元素和痕量金属从流域向下游水生生态系统的传输（Liu 等，2024；Shi 等，2021；Shoenfelt 等，2019；Thomsen 等，2026）。因此，确定颗粒态铁的来源和转化过程对于理解受人类活动影响的河流盆地中的铁循环至关重要。

铁同位素为追踪河流环境中铁的起源和转化过程提供了强有力的工具。铁的溶解度、活动性和反应性强烈受氧化还原状态、矿物相和水相形态的控制。矿物溶解、氧化还原转化、吸附—解吸等过程可产生可测量的铁同位素分馏效应。生物循环和次生矿物形成可进一步改变铁同位素特征（Hill 和 Schauble，2008；Ingri 等，2018；Stevenson 等，2017）。这些同位素效应使铁同位素能够区分自然风化信号与人为扰动。酸性矿山排水通常会释放同位素偏轻的铁，正如 Song 等（2011）在阿哈湖的研究所示，由于酸性条件下的还原性活化，δ⁵⁶Fe 达到 ?1.5‰。相比之下，农业流域表现出较不贫化的 δ⁵⁶Fe，反映了侵蚀产生的颗粒物而非点源污染。例如，Han 和 Zeng（2021）以及 Yang 等（2021a）分别在珠江和湄公河报告了近壳层值（～0.02–0.19‰）。这些研究表明，颗粒态铁同位素既可记录自然风化过程，也可记录人类扰动活动，但当多种自然和人为来源在同一盆地中共存时，来源解释就变得困难。

作为中国东南沿海注入台湾海峡的亚热带河流系统，九龙江流域为研究这些耦合过程提供了合适的天然实验室，该区域经历强烈的化学风化、高度的水文变异性和显著的人类活动影响。九龙江由北溪（北支）和西溪（西支）在漳州市附近汇合而成，随后在南溪（南支）汇入后抵达河口。北溪是流量和流域面积最大的支流，其源头地区蕴藏着马坑铁矿床。农业活动在中下游地区广泛分布，而上游部分区域，尤其是北溪流域内，存在采矿活动（Chen 等，2014b）。这些因素可能共同影响颗粒态铁的含量、铁同位素组成以及下游铁的传输。然而，九龙江流域的铁同位素研究仍然有限，自然风化、农业扰动和采矿输入对颗粒态铁的相对贡献尚未得到定量约束。这一知识空白限制了我们对人类活动如何重塑亚热带河流盆地中的铁循环以及影响铁从陆地向沿海水体传输的评估能力。

因此，定量源贡献分析是超越对铁同位素模式定性解释的必要手段。以往的研究采用二元混合模型来区分 SPM 中的自然和人为铁来源（Yang 等，2021a），但对于自然风化、农业侵蚀和采矿来源输入可能同时发生的河流盆地而言，双端元方法是不够的。贝叶斯混合模型为多来源贡献分析提供了更加灵活的框架，因为它纳入了端元变异性、分析不确定性和来源贡献的概率估计（Cooper 等，2014）。此类模型已广泛应用于识别河流溶质、硝酸盐、颗粒态黑碳和河流沉积物的来源（Cooper 等，2014；Liu 和 Han，2021；Liu 等，2021；Zhang 等，2025a, 2025b），但其应用于颗粒态铁同位素源贡献分析仍较为有限。

本研究综合运用了河流地球化学、颗粒态铁含量、铁同位素组成和贝叶斯混合模型，研究了九龙江中的铁来源和循环。具体研究目标包括：1）刻画流域内颗粒态铁含量和 δ⁵⁶Fe 值的空间变化特征；2）评估化学风化、河流输运和人为扰动在影响颗粒态铁动力学中的相对作用；3）利用贝叶斯混合模型定量分析自然、农业和采矿来源对颗粒态铁的贡献；4）将九龙江的研究结果置于全球亚热带和热带河流系统的背景下，评估其对河海铁传输的更广泛意义。

章节摘要

河流概况

九龙江流域（JRB）位于中国东南部，从福建省龙岩市的源头延伸至中国东南沿海水域，全长约 260 公里（图 1a）。流域介于北纬 24°05′—25°55′ 和东经 116°50′—118°20′ 之间。主要由三条主要支流汇入：北溪（北支，流量和流域面积最大）、西溪（西支）和南溪（南支）。北溪

采样方法与样品制备

悬浮颗粒物（SPM）样品于 2017 年 7 月雨季期间，从上游支流到河口区域采集。该数据集仅表征雨季条件。关于河流水系、一般水文地球化学特征和采样策略的详细信息已在此前的研究中报道（Li 等，2019；Zeng 等，2020）。共调查了 42 个采样点，其中包括北溪流域的 23 个站点

九龙江水的水文地球化学特征

在采样期间，九龙江流域表层水温范围为 21.1—31.9 ℃，平均值为 26.2 ℃。pH 值呈近中性至弱碱性，范围为 6.71—7.91。电导率（EC）变化范围为 17.80—1482 μS/cm，总溶解固体（TDS）范围为 23.35—703.62 mg/L。溶解氧（DO）浓度范围为 3.80—8.68 mg/L，平均值为 7.35 mg/L。

悬浮颗粒物（SPM）浓度

岩性控制与采矿相关叠加作用对 Fe_SPM 和 δ⁵⁶Fe 的影响

河流 SPM 中颗粒态铁的含量和铁同位素组成可提供互补信息，反映由岩性风化供给的铁以及受人为扰动改变的铁（Chen 等，2014a；Han 和 Zeng，2021）。在九龙江流域中，北溪支流的 δ⁵⁶Fe 值呈现明显的偏态分布（图 2d），表明该子流域中的颗粒态铁受空间非均质来源和过程的影响。最显著的异常出现在

结论

本研究提供了九龙江干流及其主要支流悬浮负载中铁浓度和铁同位素组成的综合数据集。北溪干流悬浮态 δ⁵⁶Fe 范围为 ?0.31‰—0.10‰，而支流范围为 ?0.94‰—0.17‰。九龙江流域中 Fe_SPM 浓度和 δ⁵⁶Fe 值呈现明显的空间分布模式，同时受自然岩石风化和显著的人为输入影响。北溪

CRediT 作者贡献声明

郑晓迪： 撰写—审稿与编辑，撰写—初稿，可视化，软件，方法论，获取研究资金，正式分析，概念构思。 杨坤华： 撰写—审稿与编辑，撰写—初稿，方法论，概念构思。 张倩： 撰写—审稿与编辑。 王迪： 撰写—审稿与编辑。 梁斌： 撰写—审稿与编辑。 韩桂林： 撰写—审稿与编辑，可视化，软件，资源，获取研究资金，正式分析，数据

开放研究

支持本研究结论的数据已在 Zenodo 上公开提供，链接地址为 https://doi.org/10.5281/zenodo.22828270。本研究使用的分析代码已在 Zenodo 上公开提供，链接地址为 https://doi.org/10.5281/zenodo.22828270。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知经济利益冲突或个人关系。

致谢

本研究受中央高校基本科研业务费专项资金资助（项目编号：590124045 和 2652023056），"深时数字地球"科学技术领军人才团队计划深时数字地球前沿科学中心中国地质大学（武汉）资助（项目编号：2652023001），以及国家自然科学基金资助（项目编号：41661144029）。

郑晓迪|杨坤华|张倩|王迪|梁斌|韩桂林