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磷释放风险与沉积物吸附特性对水生生态系统的影响。研究汉江（19站）和嘉陵江（7站）沉积物磷释放风险，发现Jialing江PRI值（8.5%）高于Han江，干季沉积物磷吸附能力强（|δ|max0.43 mg/L），生物扰动通过改变界面微环境影响磷吸附-解吸平衡。采用PLS-PM模型揭示沉积物磷风险指数（PRI/DPS）通过调控磷形态（无机/有机）和吸附参数影响生物量，揭示环境因子-沉积物特性-生物响应的耦合机制，为通过流河内源磷控制提供科学依据。
王雪莹|张兰|吕正彦|常永生|刘瑞|黄伟|王坤
中国环境科学研究院湖泊污染控制与生态修复国家工程实验室，北京100012，中国
摘要
磷（P）是河流生态系统养分循环中的关键元素，其迁移和转化对水体富营养化有显著影响。在有效控制外部污染的情况下，沉积物中磷的释放可能成为延缓水生生态恢复的主要因素。本研究选择了长江的两条主要支流——汉江（19个采样点）和嘉陵江（7个采样点）及其流域作为研究区域，分析了沉积物中磷的来源或汇特性。结果表明，嘉陵江流域的沉积物磷释放风险显著较高，平均磷释放指数（PRI）比汉江流域高8.5%。沉积物在干旱期间表现出更强的磷保持能力，磷的来源或汇状态（|δ|max）值为0.43 mg/L。底栖生物量与沉积物的磷吸附能力呈负相关，这表明水生环境中的生物扰动可能会改变沉积物-水界面的微环境，从而影响磷的吸附-解吸平衡。通过偏最小二乘路径模型（PLS-PM）定量揭示了沉积物磷风险指数（PRI、DPS）通过调节磷的形态和吸附参数来影响生物量的途径，揭示了环境因素、沉积物特性和生物效应之间的耦合机制。本研究为通流河流系统中的内源性磷控制提供了科学支持。
引言
磷（P）是河流生物地球化学循环中的关键元素，通过其形态和环境行为在调节水生营养状态中起着关键作用（Xie等人，2025年）。河流中的磷既来源于外部输入，也来源于内部释放，当外部污染得到有效控制时，沉积物中的磷成为水质的关键调节因素（Smart等人，2022年）。
沉积物-水界面表现出复杂的磷交换动态，根据环境条件和沉积物的物理化学性质，沉积物既可以作为从水中吸附磷的“汇”，也可以作为向水中释放磷的“源”（Lv等人，2024年）。当前的研究采用吸附等温线模型（平衡磷浓度，EPC0）来描述这种平衡（Zhang等人，2022b年）。通过比较EPC0与可溶性活性磷（SRP）浓度，可以精确确定沉积物的源-汇转换行为，这显著增强了人们对界面磷交换机制的理解（Ding等人，2019年）。
长江是中国最长的河流，也是中华文明的发源地。其流域的水生生态系统和水质不仅对水生生物的生存和繁殖至关重要，也对人类福祉具有重要意义。特别是对于与长江相连的河流的生态调节研究具有重要意义（Chen等人，2023年）。汉中市是中国南水北调工程和汉江-渭河调水工程的战略性水资源保护区，这里有两条主要河流系统：自西向东流淌的汉江，它是长江最大的支流，发源于汉中并构成了该地区的水文骨架；以及自北向南流淌的嘉陵江，这条河流穿过汉中的西部（Ma等人，2020年）。随着生态保护措施的加强和外部污染的有效控制，沉积物中的内源磷负荷已成为水生生态恢复的潜在瓶颈（Ma等人，2023年）。
本研究使用改进的Freundlich模型系统地研究了两条河流中磷的时空分布和沉积物的吸附-解吸特性，旨在：1. 揭示干旱期和湿润期汉江和嘉陵江水体及沉积物的基本指标差异；2. 评估不同水文条件下的沉积物磷释放风险；3. 定量分析不同磷形态对释放潜力的贡献；4. 解析水生动物与磷循环之间的相互作用。基于以上研究，我们提出以下假设：在干旱季节，由于氧化环境的存在和界面稳定，沉积物具有更强的磷“汇”能力；而在湿润季节，由于水文扰动，磷释放的风险增加，“汇”功能减弱。不同磷形态对释放的贡献存在时间尺度差异。无机磷（IP）和钙结合磷（HCl-P）主导短期释放，而有机磷（OP）则通过微生物矿化成为长期释放的关键来源。底栖生物量与沉积物的磷吸附能力呈负相关。底栖动物和浮游动物的分布和丰度受到温度和溶解氧等环境因素以及沉积物中磷形态（如NaOH-P）的共同调节，形成了“环境因素 - 沉积物特性 - 生物响应”的复杂耦合关系。这些发现将为管理通流河流系统中的内源磷负荷提供科学支持，对保障大型跨流域调水项目的水质具有直接意义。
研究区域和样本采集
通过解读分辨率为30米的Landsat 8图像获取土地利用信息。Landsat图像数据来自美国地质调查局（USGS）。使用美国ITT Visual Information Solutions公司开发的ENVI（环境可视化图像处理软件）对汉中地区的数据进行了处理和解释。根据汉中市水资源开发的公告，进行了现场调查。
污染物的时空分布特征
在干旱期间，研究区域的水pH值介于7.1至8.3之间，属于弱碱性条件。水温在5.4-12.4°C之间变化，溶解氧（DO）浓度为9.3-11.6 mg/L，表明氧气水平充足。氧化还原电位（ORP）介于164.2至241.2 mV之间，表明水体处于氧化状态（Li等人，2023b年）。相比之下，在湿润季节，水温较高（22.14-35.8°C），而溶解氧浓度...
结论
本研究揭示了汉中地区长江相关河流中沉积物磷释放风险的显著时空差异及其对底栖动物和浮游植物的影响。沉积物表现出较强的磷吸附能力，这增强了界面磷的交换，同时也增加了内源性磷的释放风险。值得注意的是，嘉陵江流域的PRI和DPS高于汉江流域，这与较高的NAP和更陡峭的平衡磷浓度有关。
CRediT作者贡献声明
王雪莹：撰写——初稿，正式分析，数据管理。张兰：撰写——初稿，正式分析，数据管理。吕正彦：方法论，数据管理。常永生：验证，方法论。刘瑞：监督，调查，正式分析。黄伟：资源获取，调查，正式分析。王坤：撰写——审稿与编辑，资源获取，资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了上海市自然科学基金（23ZR1400700）和中国国家重点研发计划（2022YFC3204004，2022YFC3204000）的支持。
