中国西南梯级水库系统中微塑料的水力分选与滞留

《Journal of Hydrology》：Hydraulic sorting and retention of microplastics in a cascade reservoir system, Southwest China

　　

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  水动力异质性驱动以密度为主导的分选作用；尺寸效应相对较弱。
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  在梯级水库系统中，微塑料积累于大坝上游的近坝区域。
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  水力停留时间和库容均与微塑料保留指标（RI）相关。

引言

由于具有优异的耐用性和低廉的成本，塑料产品在日常生活中被广泛使用。然而，由于塑料垃圾的持久性及其废弃物管理不当等因素，塑料污染已成为全球最严重的环境挑战之一（MacLeod等人，2021）。较大的塑料制品可通过物理、化学和生物过程降解为微小颗粒（< 5 mm），即微塑料（MPs）（Frias和Nash，2019）。由于其粒径小且理化性质稳定，微塑料极易在各种环境介质中迁移和扩散（Mo等人，2024；Range等人，2023）。加上其高持久性、强吸附能力和高生物可利用性，微塑料污染已被视为一种持久性的全球环境威胁（Liu等人，2025）。

微塑料在水生生态系统中无处不在，从淡水湖泊和河流到海洋均有分布（Li等人，2025a；Liu等人，2025；Welsh等人，2026；Zhao等人，2026）。微塑料对水生生态系统的影响是多方面的。首先，微塑料本身可直接对水生生物造成伤害。微塑料的摄入可引起消化道阻塞、摄食抑制和营养不良（Huang等人，2024；Rahman等人，2024）。此外，微塑料可能含有残余单体和添加剂（如双酚A和邻苯二甲酸酯类），并与溶解性有机碳一同持续释放，从而增加水体毒性（Amaneesh等人，2023；Romera-Castillo等人，2018）。更重要的是，微塑料可充当"特洛伊木马"，吸附并转运持久性有机污染物、重金属和病原体，增强其迁移性和生物可利用性，产生协同生态效应（Chen等人，2024；Koelmans等人，2022；Zhong等人，2023）。近期一项研究表明，微塑料可抑制海洋和淡水生态系统中藻类的光合效率，影响初级生产力（Zhu等人，2025）。

近几十年来，淡水生态系统中的微塑料污染引起了全球越来越多的关注。作为淡水生态系统的独特组成部分，水库被认为是微塑料的长期汇（Patra和Baitharu，2024；Shi等人，2024）。据Chen等人（2025c）报道，仅中国水库表层水中的微塑料负荷就达到了约10,000吨。水库中微塑料因老化和生物污损而增强的吸附能力促进了污染物的吸附和结合（Chen等人，2025b），从而增加了污染物的扩散和生物可利用性。此外，由于水库通常作为饮用水源并支持水产养殖，来自这些系统的微塑料最终可能通过饮用水或食物网进入人体，带来潜在的健康风险。尽管如此，水库微塑料研究仍然稀缺，仅占水生微塑料研究的2%（Niu等人，2022）。

水动力条件是影响淡水中微塑料输运和分布的关键因素（Haberstroh等人，2021；Range等人，2023；Chen等人，2025a）。水库大坝的建设改变了河流的自然水动力条件，降低了流速并延长了微塑料在水中的停留时间。同时，大坝可直接拦截漂浮和悬浮的塑料颗粒。这些机制共同导致了水库对微塑料的截留效应（Zhang等人，2015）。这种截留效应可直接反映在水库水体中微塑料的纵向分布上。已有研究表明，由于大坝的拦截作用，微塑料倾向于在大坝上游的近坝区域积累（Haque等人，2024；Liu等人，2022；Shen等人，2025）。Chen等人（2025b）的全球综合分析揭示，微塑料丰度随着距大坝上游距离的缩短而增加，且大坝上游的微塑料丰度和多样性均高于下游。尽管水库对微塑料纵向输运效应的研究取得了进展，但以往研究主要关注微塑料的数量，而对其特征的影响仍缺乏充分探索。此外，水库特征与微塑料截留能力之间的关系尚未得到研究。

在梯级水库系统中，协调的大坝运行产生了与自然河流和单一水库不同的水动力条件。现有研究主要关注单个水库，而对梯级水库影响微塑料纵向输运和分布的流域尺度系统研究仍然有限。近期一项研究报告了黄柏河东支四个梯级水库大坝上游近坝区域的微塑料积累现象（Liu等人，2024a）。然而，该研究忽略了梯级水库除丰度之外对微塑料特征的影响。水动力条件的变化如何影响梯级水库中微塑料的纵向输运，仍需进一步探索。

本研究调查了中国西南大渡河干流梯级水库中微塑料的发生特征，这是一个典型的梯级系统。我们首先考察了这些水库中微塑料的发生情况和纵向分布。通过分析不同水动力区域中微塑料的特征，我们探索了水动力异质性对梯级系统中微塑料纵向输运和分布的影响。最后，评估了影响水库微塑料保留指数的因素。研究结果可推进我们对梯级水库系统中微塑料输运和归趋的理解。

章节摘要

研究区域与采样

大渡河位于中国西南，是长江上游的重要支流，水能资源极为丰富，在中国十三个大型水电基地中排名第五。目前，大渡河干流上共有14座水电站在运行（见图S1）。

为调查梯级系统中微塑料的发生情况，于2024年6月30日至7月7日进行了系统采样。大坝上下游各5 km范围内的区域被定义为

丰度与形态

在所有采样点均检测到微塑料，典型显微图像见图S5。微塑料丰度范围为1.16–6.01个/L（表S3），最大值出现在安顺水库的坝上库区（R01-1），最小值出现在大岗山坝下游（R10-H）。平均丰度和中位丰度分别为3.29个/L和2.96个/L。下游水库（R01–R07）的丰度显著高于上游水库（R08–R14）（p < 0.001），平均值为

微塑料的纵向变化

图4展示了从上游到下游微塑料丰度和多样性的变化情况，横坐标表示相对于第一个上游采样点（R14-4）的沿程距离。微塑料丰度和MDII均表现出显著的上升趋势，r值分别为0.64（p < 0.001）和0.25（p = 0.036）。下游水体中微塑料丰度和多样性的增加表明污染负荷和暴露风险更高

结论

本研究系统调查了中国西南大渡河干流典型梯级水库系统表层水中的微塑料发生情况。微塑料丰度和多样性从上游到下游呈显著增加趋势，且种群与丰度呈正相关。梯级水库系统中的水动力异质性对微塑料产生了基于密度的分选效应，该效应依然显著

CRediT作者贡献声明

Yu Chen：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据整理，概念化。Yuchuan Meng：写作 – 审阅与编辑，监督，调查，资金获取，正式分析，概念化。Guodong Liu：写作 – 审阅与编辑，监督，资源，概念化。Yichen Liu：写作 – 审阅与编辑，方法论，调查，概念化。Xiaohua Huang：写作 – 审阅

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争财务利益或可能影响本文所报告工作的个人关系。

致谢

本研究由国家自然科学基金资助（52379071）。

Yu Chen|Yuchuan Meng|Guodong Liu|Yichen Liu|Xiaohua Huang|Tishan Peng|Yingqian Hou