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三峡水库运行以后,其生态环境变化受到国内外关注。磷是水生态系统初级生产力的限制性营养元素,是水体富营养化的重要原因。泥沙作为磷的有效载体,对磷具有较强的吸附性,其输移过程中耦合了物理、化学和生物等作用。磷在水沙间的迁移转化受到自然条件变化(泥沙理化性质、水动力条件等)和人类活动(水库调蓄等)的影响,从而使库区水沙中的磷呈现出明显的时空变化。另外,河流交汇口是研究磷在水沙间迁移转化的重要场所。河流交汇后,在水环境出现明显变化的情况下,磷在水沙间的平衡被打破,磷会在水沙间进行迁移,并伴随磷形态的转化。因此,研究磷在库区水沙间的迁移和形态变化,有利于深入理解库区磷的地球化学过程,为库区的生态环境保护和环境治理提供帮助。 为了探讨三峡水库蓄水后泥沙变化及其对磷迁移转化的影响,本研究选择整个三峡库区及其乌江口地区,分别在2014、2015和2016年采集表层水样、悬移质泥沙和沉积物样品,利用野外现场监测、室内水沙理化分析、泥沙磷形态提取、扫描电镜和X射线能谱分析等手段,对水沙理化性质、磷的赋存特征、磷在水沙间的迁移转化过程、影响因素及环境效应进行了研究,得到以下主要结果和结论: 1)三峡库区水体和泥沙的理化性质表现出明显的空间变化。从变动回水区到常年回水区,水体中的悬移质泥沙、Fe2+和Al3+浓度呈现下降趋势,同时沉积物中的泥沙粒径逐渐变小,这表明泥沙进入库区后发生明显的分选、凝絮和沉积过程。在垂向上,沉积物理化指标(尤其是泥沙粒径)表现出明显的周期变化,表明不同季节的泥沙来源具有明显差异。在乌江口地区,长江、乌江水体和泥沙的理化性质具有明显差异;两江交汇后,水沙理化性质出现明显变化,并在不同季节呈现出不同的变化特征。 2)库区沉积物中的磷呈现出明显的时空变化特征。时间上,三峡水库正式运行以来,库区沉积物中的总磷(TP)浓度出现明显升高:2014年以前,忠县至坝前消落带沉积物中的TP浓度升高幅度较大(平均升高415mg/kg);而在2014年以后,消落带沉积物中TP浓度的升高主要集中在重庆城区至万州段(升高幅度215mg/kg)。库区变动回水区沉积物中的生物有效磷(Bio-P)在年内不同季节会出现沉积分异,而常年回水区沉积物中Bio-P的沉积分异受季节的影响较小。空间上,沉积物中TP浓度在整个库区没有明显变化,而Bio-P浓度从库区变动回水区到常年回水区呈现出升高趋势。库区上游来沙中的Bio-P不容易沉积到变动回水区,而是进入到常年回水区中,并在常年回水区的沉积物中富集,从而使常年回水区中的Bio-P浓度偏高。在垂向上,表层30cm沉积物中的Bio-P浓度高于30cm以下沉积物中Bio-P的浓度。另外,计算了表层30cm沉积物中磷的蓄积量,发现库区水下沉积物中磷的蓄积量在忠县至秭归段较高,而消落带沉积物中磷的蓄积量在涪陵至奉节段偏高。 3)细颗粒的分布是影响泥沙中Bio-P空间变化的主要因素。对不同粒径泥沙中的元素分布和磷形态分析发现,库区泥沙中的细颗粒物聚集区是磷元素分布的主要区域。具体而言,库区常年回水区沉积物中Bio-P的浓度变化明显,沉积物中的Mnox、Alox和粉粒是Bio-P浓度变化的主要影响因素;而在变动回水区沉积物中,盐酸提取态磷(HCl-P)的浓度变化明显,沉积物中的Feox、Ca、pH和砂粒为HCl-P浓度变化的主要影响因素。在垂向上,沉积物中Bio-P的浓度变化主要受到细颗粒泥沙分布的影响。另外,库区水位调节会引起消落带沉积物的干湿变化,消落带的淹没、落干过程会引起沉积物中细颗粒物及其吸附的Bio-P的流失,从而使Bio-P在水下沉积物中出现富集。 4)在乌江口地区,TP在悬移质泥沙中的平均浓度(814mg/kg)低于其在沉积物中的平均浓度(944mg/kg),表明泥沙吸附了水体中的磷,并在乌江口下游出现沉积。长江和乌江交汇后,悬移质泥沙颗粒上的弱吸附态磷呈现出先迅速释放,然后快速吸附的过程。水中的溶解态磷倾向于向细颗粒泥沙(<8μm)上分配,尤其是当水中溶解态磷的浓度偏高时,细颗粒泥沙表面吸附的磷较多。乌江口水体处于氧化环境,吸附到泥沙表面的磷会进一步向金属氧化物结合态磷转化。同时,CaMg(CO3)2沉淀会促进泥沙中的弱吸附态磷向CaMg结合态磷转化。另外,乌江口泥沙中有机质δ13C和C/N值的变化表明,泥沙中的有机质组成发生明显改变,从而影响泥沙中有机磷的变化。 5)在室内模拟泥沙对磷吸附/释放实验的基础上,发现随着泥沙在乌江口地区的输移,泥沙对磷的吸附(P吸附)呈现出明显的波动性和周期性。泥沙对磷的吸附能力既受到水环境(SO42-、NO3-和pH值)变化的影响,同时也受到泥沙理化性质(Alox、Mn、Ca和Mg)的影响。研究期间(2015.11-2016.10),乌江口上游(长江和乌江)来沙量为0.559亿t,这些泥沙可以吸附水中4080t磷。粒径>16μm的泥沙易于滞留在库区中,这部分泥沙中Bio-P的释放应当引起关注。另外,随着库区上游来沙的进一步减少和泥沙中磷释放比例的增加,库区水体中磷浓度可能会呈现升高趋势。