南水北调东线工程库区湖泊微塑料的时空分布特征与风险研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Spatiotemporal Distribution Characteristics and Risk of Microplastics in Impoundment Lakes: Insights from the eastern route of China's South-to-North Water Diversion Project

　　

摘要

大规模调水系统（包括水力管理和季节性变化）对微塑料（MPs）时空分布模式的影响仍知之甚少。本研究系统评估了南水北调工程东线沿途两个蓄滞洪湖（在南水北调完整调水周期内）中微塑料的分布特征及其潜在风险。输水后水体中微塑料丰度有所下降，但在暴雨径流后显著增加，而沉积物中的微塑料保持稳定。小型颗粒（< 1 mm）、纤维和碎片形态，以及聚乙烯、聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯材质为主要类别。重要的是，调水重新组织了两个湖泊之间水相微塑料的分布。此外，累积分布函数（CDF）模型表明，调水和暴雨径流可能促进了微塑料的碎化。此外，水体中的微塑料与水质指标（尤其是化学需氧量COD）呈强相关，而沉积物中的微塑料则与粉砂组分密切相关。水体中多微塑料的风险等级从低风险到极高风险不等，在暴雨事件后显著升高，而沉积物中的微塑料则相对稳定，风险等级为中等至极高风险。总之，本研究为了解调水系统中水文条件变化下微塑料的动力学特征提供了重要见解，加深了对其长期行为的理解，并为制定有针对性的策略以保障水安全提供了依据。

引言

尽管塑料无疑使我们的日常生活更加便捷，但它同时也加剧了环境和健康危机。根据联合国环境规划署2023年发布的一份报告，全球塑料年产量已超过4.3亿吨。然而，仅有9%的塑料垃圾进行了回收，70%被焚烧或在垃圾填埋场处置，剩余21%则留在环境中（OECD, 2022）。随着时间的推移，这些塑料垃圾通过物理、化学和生物过程被碎化为更小的碎片（Akdogan and Guven, 2024）。尺寸小于或等于5毫米的塑料颗粒被定义为微塑料（MPs）。由于其比表面积大且具有疏水性，微塑料能够在水环境中吸附和携带多种污染物，包括持久性有机污染物和重金属（Borrelle et al., 2020）。一个令人担忧的问题是其能够通过食物链进行生物积累（Vethaak and Legler, 2021），并能作为重金属和有机污染物的载体（Zhao et al., 2024）。因此，微塑料及其共存的污染物可对单个生物体造成物理损伤，并对水生生态系统产生毒性效应（Thacharodi et al., 2024, Vethaak and Legler, 2021）。

随着越来越多的塑料垃圾进入水生生态系统，湖泊、海洋和河流中的微塑料污染受到了广泛关注（Gupta et al., 2024, Nava et al., 2023, Shamskhany et al., 2021, Wang et al., 2024a）。海洋被认为是微塑料的最终汇，约80%的海洋微塑料来源于陆地（Rochman, 2018）。淡水系统（如河流和湖泊）是微塑料从陆地输送至海洋的关键通道（Wang et al., 2021a）。水系可以将塑料颗粒输送到很远的距离，并扩大其不良影响的范围（Cowger et al., 2021a）。湖泊也会受到汇入河流和径流中微塑料污染的显著影响（Talbot and Chang, 2022）。然而，现有研究主要关注天然湖泊或直接受密集人类活动影响的城排水体（Grbi? et al., 2020, Niu et al., 2024, Shi et al., 2022, Yan et al., 2021），而对高度调控的跨流域调水系统中微塑料的时空足迹仍知之甚少（Jiang et al., 2024b, Qu et al., 2020, Sun et al., 2024）。此外，在这样的动态调控流域中，通过综合多维指数评估生态风险仍然严重不足，尤其考虑到微塑料形态固有的异质性。

南水北调工程东线（ER-SNWDP）是一项关键的基础设施工程，旨在通过将长江下游的水经一系列提水泵站调水，缓解中国北方的水资源短缺问题（Qu et al., 2020）。作为重要的转运枢纽，南四湖和东平湖在区域水安全保障中发挥着关键作用，其水质直接决定受水区饮用水安全。然而，近年来，这些蓄滞洪湖面临巨大挑战，这主要源于经济的快速发展和人口的增长（He et al., 2020, Zhang et al., 2022b）。关键在于，这些蓄滞洪湖承受着双重压力：干季期间的人工周期性调水和雨季的间歇性暴雨径流。尽管淡水系统中的微塑料污染已受到广泛关注，但这些复杂过程的动态交互作用如何影响此类高度调控水环境中微塑料的输送、归宿、时空分布和生态风险，仍然缺乏深入了解。

微塑料的归宿受多种因素控制，包括水动力过程、极端风暴事件和环境介质特征。暴雨径流被认为是向淡水系统输入微塑料的主要途径（Shafi et al., 2024, Wang et al., 2022）。研究表明，自然洪水和人为洪水均可显著加速河流中微塑料的输送（Hurley et al., 2018, Song et al., 2020）；然而，这些事件的程度对不同微塑料类型的悬浮和沉积作用不同（Xu et al., 2022）。尽管河流系统中的水动力过程已被广泛研究，但针对蓄滞洪湖的显著知识空白仍然存在，蓄滞洪湖以独特的地貌特征和密集的人工水力调控为特征。要准确评估这些环境中的微塑料输送和分布，需要一种同时考虑水相和沉积物相的综合视角。此外，环境介质特征（如沉积物组成和有机质含量）对淡水系统中微塑料的分布和迁移具有不可忽视的影响（Di et al., 2025, Luo et al., 2024）。除物理输送外，微塑料还会在紫外照射、温度变化和机械磨损等环境胁迫下持续碎化，形成更小的颗粒（Guo et al., 2020）。条件碎化模型已被提出用于量化这一过程，通过粒径分布来表征微塑料的稳定性和碎化状态，并为了解微塑料来源提供见解（Wang et al., 2021b）。

本研究旨在全面考察南四湖和东平湖表层水和沉积物中微塑料的时空动态，评估调水和暴雨事件对微塑料分布特征的影响。本研究的目的是：(i) 调查微塑料丰度、形态特征和聚合物组成的时空变化，评估相关污染风险；(ii) 确定调水和暴雨事件如何影响微塑料组成在时间和空间上的变化，并评估环境因素的影响；(iii) 量化微塑料的碎化和稳定性，并识别潜在来源。

章节摘要

研究区域

南四湖（116°33′ E–117°21′ E, 34°22′ N–35°22′ N）和东平湖（116°10′ E–116°34′ E, 35°43′ N–36°08′ N）是中国山东西南部南水北调东线沿线的重要蓄滞洪湖（图1）。南四湖（NSL）水域面积为1266平方公里，南北长125公里，东西宽6–25公里。位于南四湖中部的二河坝将其分为上湖（UNSL; 602平方公里）和下湖（LNSL; 664平方公里）。东平湖（DPL）水域面积为

微塑料丰度与分布

图2(c)和2(d)展示了表层水和沉积物中微塑料丰度的分布情况。南四湖表层水样中微塑料平均丰度为1824±792颗粒/m3，沉积物样品中为1826±561颗粒/千克干重（DM）。东平湖中，水样微塑料平均丰度为2260±1465颗粒/m3，沉积物样品中为1956±387颗粒/千克。与其他湖泊或水库相比，这两个研究湖泊的表层水微塑料丰度处于中等水平（表S14）。其水平

结论

本研究证明了水文周期变化（包括反向调水和季节性暴雨径流）对中国南水北调东线沿途两个蓄滞洪湖中微塑料分布模式的显著影响。水体中微塑料丰度和组成的时间变化具有统计学显著性（PERMANOVA, p < 0.01）。两个湖泊水体中微塑料的同步变化凸显了调水过程在促进水体交换方面的主导作用，

CRediT作者贡献声明

魏杰林： 撰写 – 审阅与编辑、软件、调查研究。裴海燕： 撰写 – 审阅与编辑、指导、方法学、经费获取。田晓萌： 撰写 – 原始草稿、可视化、调查研究、正式分析、概念构思。许杭州： 撰写 – 审阅与编辑、数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知可能影响本文所报告工作的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（52170005）的资助。我们感谢David I. Verrelli博士对论文英文的修订。

田晓萌|许杭州|魏杰林|裴海燕