: 季节性沉积动力学调控中国三峡水库当代颗粒态营养盐埋藏效率

《International Soil and Water Conservation Research》：Seasonal sedimentation dynamics modulate contemporary particulate nutrient burial efficiencies in the Three Gorges Reservoir, China

　　

水库中的沉积作用及相关的营养盐埋藏对生态稳定性和长期运行可持续性构成重大威胁。中国的三峡水库（TGR）是一个大型河道型水库，自蓄水以来经历了大量沉积；然而，与此沉积作用相关的颗粒态营养盐埋藏效率仍未被量化。在本研究中，研究人员利用TGR上游（Cuntan和Beibei）和下游水文站（2003–2024年）的月度悬移质泥沙负荷记录来估算该水库的沉积负荷。研究人员采集了主河道的时间积分悬移质泥沙样本以及代表性断面的沉积物岩芯。随后，研究人员测定了它们的理化性质，包括粒径分布、总有机碳（TOC）、总氮（TN）和总磷（TP）浓度。结果表明，2003-2024年期间的平均年埋藏通量分别为1.61 Mt·yr^-1（TOC）、0.10 Mt·yr^-1（TN）和0.09 Mt·yr^-1（TP），对应的埋藏效率分别为50.88%、26.55%和50.51%。TGR的营养盐埋藏效率表现出显著的季节性变化，其中汛期的数值分别为85.93%（TOC）、46.37%（TN）和85.08%（TP），大幅超过了非汛期的数值38.92%、21.32%和38.79%。这些发现表明，汛期的高沉积速率驱动了TGR中颗粒态营养盐的大量埋藏。这突显了对沉积物营养盐动态进行持续监测的必要性，以及制定旨在调节泥沙截留以减轻潜在生态风险的管理策略的必要性。

大坝建设是对河流系统最显著的人为干扰之一，深刻改变了自然水文连通性和悬移质输运机制。全球已建数万座大型大坝，广泛导致河流破碎化，预计到2030年超过90%的全球河流将受此影响。水库蓄水引起的沉积作用对水库系统长期功能完整性和生态动力学构成重大威胁。沉积物相关的营养盐，包括碳（C）、氮（N）和磷（P），被埋藏在库床中，在改变的水动力或水质条件下如果释放，可能成为内源污染源。在山区河道型水库中，沉积作用及相关营养盐累积对生态可持续性的影响比防洪、发电和航运更为关键。埋藏效率，即最终永久封存在沉积物中的已沉积营养盐比例，是评估水库沉积长期环境风险和指导可持续水库管理的关键指标。

尽管营养盐埋藏已在多个时间与空间尺度上被研究，但以往研究多集中于长期记录，且主要侧重于C埋藏。自然水体（如海洋和湖泊）的沉积速率低且稳定，而山区人工水库沉积速率高且时间变异性大，常导致短期内形成厚沉积层。放射性同位素测年等技术无法直接应用于河道型水库，因为其沉积动力学违背了基本假设。因此，准确确定水库中现代营养盐埋藏通量和效率仍面临方法学挑战，特别是季节性尺度上的埋藏效率时间变异性尚不清楚。

中国的三峡水库是一个战略性大型河道型淡水水库，自蓄水以来已积累了超过20亿吨泥沙。尽管上游梯级水库拦截泥沙大幅减少了泥沙负荷，但来自沉积物的内源营养盐负荷仍威胁水质，如年度藻华表明水质依然受到沉积物内源负荷的威胁。虽然先前研究估算了TGR中埋藏的C、N、P总量，但这些营养盐的埋藏效率在很大程度上仍未知。山区水库的季节性水文决定了高度动态的泥沙供应机制，泥沙物源在受影响较小的地下沉积物和污染物负荷较高的地表衍生沉积物之间波动，可能导致营养盐埋藏的季节性异质性，但尚未得到定量表征。因此，本研究旨在揭示TGR沉积物中营养盐的埋藏效率，具体包括表征悬移质泥沙中营养盐含量的季节动态、从季节分辨的沉积物剖面重建历史营养盐记录以及确定营养盐埋藏效率。研究得出，汛期的高沉积速率驱动了TGR中颗粒态营养盐的大量埋藏，强调了持续监测沉积物营养盐动态及制定调节泥沙截留管理策略的必要性。该论文发表在《International Soil and Water Conservation Research》。

研究区域位于中国长江上游流域出口的三峡大坝TGR区域。样本队列来源包括主河道悬移质泥沙和代表断面的沉积物岩芯。岩芯采样点位于忠县，TGD上游约350km的永久回水区。使用活塞采泥器提取510cm长的沉积物岩芯，按5cm间隔分割出88个沉积物子样本。悬移质泥沙于2018年6月15日至2020年7月30日每半月采集，使用时间积分泥沙捕集器。技术方法上，使用激光衍射粒度仪测定粒径分布；利用高纯锗探测器伽马能谱法测定放射性核素（指具有放射性的核素，用于沉积物测年）活度，用于识别季节序列；使用元素分析仪测定总有机碳（TOC，指沉积物中有机碳的总量）和总氮（TN，指所有形态氮的总和）含量；使用电感耦合等离子体发射光谱仪测定总磷（TP，指所有形态磷的总和）含量；结合水文站泥沙负荷数据估算沉积负荷与营养盐埋藏效率。

3.1. 季节性沉积物性质差异
通过分析悬移质泥沙样本，发现其粒径分布表现出显著的季节性差异，沙含量和中值粒径（d₅₀，指粒度累积分布曲线中50%对应的粒径）在汛期显著高于非汛期。生物地球化学组成中，TOC、TN和TP均表现出显著季节性变化，非汛期均值显著高于汛期；化学计量比则无显著季节变化。通过对沉积物剖面进行 ²¹⁰Pb_ex 测年分辨季节序列，研究发现汛期沉积物表现出更粗的粒径特征，TP在汛期沉积物中显著升高，导致C:N和N:P比呈现显著季节差异。

3.2. 沉积负荷的季节性差异
利用2003-2024年上游和下游水文站的泥沙负荷数据，研究表明年均悬移质输入负荷为129.02 Mt，其中汛期贡献了绝大部分。负荷在2013年前后急剧下降，2013-2024年均输入负荷显著低于2003-2012年。沉积负荷同样表现出显著的季节性差异，汛期平均沉积负荷远超非汛期。

3.3. 颗粒态营养盐埋藏效率的季节性差异
基于输入悬移质负荷及营养盐浓度，研究计算出2003-2024年TOC、TN、TP的输入通量分别为3.16 Mt·yr^-1、0.38 Mt·yr^-1和0.18 Mt·yr^-1。同时段年均沉积负荷为95.81 Mt，埋藏通量分别为1.61 Mt·yr^-1（TOC）、0.10 Mt·yr^-1（TN）和0.09 Mt·yr^-1（TP），对应埋藏效率为50.88%、26.55%和50.51%。汛期埋藏效率分别为85.93%（TOC）、46.37%（TN）和85.08%（TP），大幅超过非汛期的38.92%、21.32%和38.79%。

讨论部分指出，2013年后TGR沉积负荷的年际下降主要归因于上游梯级水库的蓄水拦截。泥沙输入的减少直接影响了营养盐埋藏动态，但沉积物中营养盐含量的年际稳定性表明，季节间营养盐埋藏量的变化主要由沉积负荷变化驱动。TGR独特的运行策略通过控制悬移质截留率（指水库截留悬移质泥沙的比例）影响季节性沉积模式，汛期与非汛期截留率无显著差异。沉积物粒径和营养盐浓度的季节性变化主要归因于沉积物源的季节性转移和水动力分选。汛期以重力侵蚀为主，输入较粗且营养盐含量较低的地下沉积物；非汛期以表层侵蚀为主，输入较细且富含营养盐的表层沉积物。研究发现，泥沙截留率与营养盐埋藏效率在概念上是不同的。埋藏效率不仅取决于截留的泥沙量，还取决于泥沙的营养盐含量。因此，即使截留率无显著季节差异，埋藏效率仍表现出显著的季节性对比。高埋藏效率表明TGR是重要的营养盐汇，但高碳埋藏可能伴随温室气体排放，高磷埋藏则积累了潜在的“P储量”，在未来环境条件改变时可能引发内源释放。建议持续监测TGR营养盐平衡，控制流域营养盐输入，并优化水库运行以减少汛期泥沙截留。

研究结论部分翻译如下：营养盐埋藏效率是评估水库生态状况和指导可持续管理策略的重要指标。尽管TGR是具有强烈沉积作用的典型河道型水库，但对其中营养盐埋藏效率的准确认识仍然缺乏，阻碍了有效管理策略的制定。在本研究中，研究人员利用其入口（Cuntan、Wulong）和出口水文站（2003-2024年）的泥沙负荷数据以及沉积物样本（悬移质和沉积物）分析，初步估算了TGR中颗粒态营养盐（TOC、TN、TP）的埋藏效率。2003-2024年的平均年埋藏效率计算为TOC 50.88%、TN 26.55%和TP 50.51%。TGR的营养盐埋藏效率表现出显著的季节性变化，汛期值（TOC：85.93%；TN：46.37%；TP：85.08%）大幅超过非汛期（TOC：38.92%；TN：21.32%；TP：38.79%）。这些变化主要归因于自然水文与水库运行相互作用所控制的泥沙负荷和物源的季节性变化。尽管在水文数据收集和沉积物采样方面存在局限性，本研究提供了对当前净埋藏效率的经验估计，这对水库系统的管理具有实际意义。具体而言，有效的管理应优先控制流域营养盐输入，并调整水库运行以影响泥沙截留，从而增强长期的生态韧性。同时，应实施监测以准确量化水库中的沉积动力学及相关营养盐埋藏。