农业区五大湖支流中软沉积物及沉积物中磷的来源与河道储存

东河农业流域中磷和悬浮沉积物的来源分析表明，河道侵蚀（包括岸坡侵蚀和沟壑）贡献了约7200公斤/年的磷沉积物，占系统总磷负荷的72%，而总悬浮沉积物年负荷达5400万吨。研究采用地化指纹技术结合河道网络预算分析，揭示了河道床细粒沉积物存储量达1400万吨，其中高阶河段存储比例超95%。发现不同地貌条件下河道侵蚀贡献度差异显著，沟壑发育区磷释放效率提高30%-50%。

　　

海蒂·M·布罗曼（Heidi M. Broerman）| 詹姆斯·D·布朗特（James D. Blount）| 费思·A·菲茨帕特里克（Faith A. Fitzpatrick）| 坦贾·N·威廉姆森（Tanja N. Williamson）| 丽贝卡·M·克雷林（Rebecca M. Kreiling）| 艾萨克·J·梅维斯（Isaac J. Mevis）| 马修·J·科米斯基（Matthew J. Komiskey）

美国地质调查局（U.S. Geological Survey），上中西部水科学中心（Upper Midwest Water Science Center），美国

摘要

东河（East River）是美国威斯康星州（Wisconsin）下福克斯河（Lower Fox River）和密歇根湖（Lake Michigan）的一条农业支流，其磷（P）和悬浮沉积物负荷过高，导致下游水体富营养化及栖息地受损。本研究分析了从一级临时性河道到下游监测站之间，软质细颗粒沉积物（淤泥和粘土）及其所含磷（sed-P）的来源和河道储存量的空间变化及连通性。分析方法包括现场调查、应用于扩展河道网络的河道沉积物和沉积物-磷预算，以及地球化学指纹分析。河道调查内容包括山谷两侧的质量流失、河岸侵蚀、常年性和临时性河道中的沟蚀现象，以及常年性河段的河道储存量；所有数据均转换为质量单位。侵蚀结果表明每年产生约7400毫克的细颗粒沉积物，这与年均悬浮沉积物负荷5400毫克相当。河道侵蚀每年贡献了7200毫克的沉积物-磷，低于年均颗粒磷负荷10,000毫克。软质沉积物的储存量为1400毫克，其中含有1500毫克的沉积物-磷。软质沉积物中河岸来源的比例具有空间差异：在高储存量的河段中占比≥95%，而在上游河段中这一比例低至20%，其余部分来自沟蚀、农作物和森林。两条邻近支流在软质沉积物中河岸来源的比例上相似，但地貌环境的不同影响了其空间分布。本研究强调了将河道侵蚀作为农业流域沉积物和沉积物-磷来源的重要性，这对制定保护措施具有指导意义。

引言

农业流域是全球水生生态系统沉积物和磷（P）浓度的主要来源（Sharpley等人，2013年；Stets等人，2020年），这些物质会导致富营养化、栖息地退化，并引发藻类大量繁殖，从而影响鱼类、水生生物和下游水质（Cadmus Group，2012年；Klump等人，2018年；Lin等人，2016年；Noe等人，2020年；Tellier等人，2022年）。此外，储存在流域中的磷可能需要数百年甚至数千年才能通过水文过程被输送出去（Goyette等人，2018年）。为减轻美国境内营养物质和沉积物负荷的影响，美国环境保护署（U.S. Environmental Protection Agency, EPA）根据《清洁水法》（Clean Water Act, CWA）第303(d)条制定了总最大日负荷（TMDL）标准，以控制流域污染物负荷（美国环境保护署，2022年）。污染物减排目标和TMDL指标通常基于与土地利用特征相关的土壤侵蚀模型来确定，而较少考虑河道侵蚀及物质输送和储存的变化（Lucas等人，2025年；Nsar等人，2007年）。

在五大湖地区，许多河流流域已制定了TMDL标准，以减少向湖泊的沉积物和磷负荷（密歇根州环境质量部，2015年；威斯康星州自然资源部，2021年）。作为密歇根湖格林湾（Green Bay）主要支流的下福克斯河流域被认定为沉积物和营养物质过高的受损河流（美国环境保护署，2024年），目标是在2040年前将总悬浮固体（TSS）和总磷（TP）负荷分别减少55%（Cadmus Group，2012年）。威斯康星州自然资源部2020年进行的负荷评估显示，自2015年基准条件以来，下福克斯河的TP负荷仅减少了18%，其中大部分减排来自点源和允许建设的市政独立雨水排放系统（MS4）。因此，TMDL目标日期从2040年推迟至2050年（威斯康星州自然资源部，2020年）。

与其他农业流域研究类似（例如Wilson等人，2012年），先前对下福克斯河支流的研究表明，河岸侵蚀和沟蚀是悬浮沉积物及软质河道沉积物的主要来源，虽然沉积物贡献量大，但磷的贡献相对较低（Blount等人，2022年；Fitzpatrick等人，2019年）。通常作为流域模型重点的高地土壤侵蚀，在河道与下游水质监测点之间的输送距离增加时，其影响会被河岸侵蚀所掩盖（Wilson等人，2014年）。这些河道来源对流域沉积物和磷负荷的贡献程度取决于当地土地利用管理、侵蚀和沉积地貌特征的存在、冻土范围以及高地与河道之间的连通性（Fitzpatrick等人，2019年；Good等人，2019年；Rustomji和Prosser，2001年；Williamson等人，2024年；Wilson等人，2014年）。

在陡峭的冰川后地貌中，尤其是切割高谷两侧的沟蚀和临时性河道，长期以来难以在河道预算中准确量化。然而，将这些因素与河岸侵蚀及常年性河流的侵蚀一起考虑，对管理具有重要意义（Azmera等人，2016年；Fitzpatrick等人，2015年；Gran等人，2009年）。通过地球化学“指纹”分析并确定悬浮沉积物的来源，有助于与河道预算相结合（Gellis等人，2016年；Gellis和Walling，2011年；Williamson等人，2023年）。然后可以根据侵蚀来源的空间或时间变化来调整这些因素的贡献比例（Blount等人，2023年；Blount等人，2022年；Fitzpatrick等人，2019年）。要实现TMDL目标，需要减少来自高地和河道的沉积物和磷负荷，这就提出了关于如何优先实施管理措施和决策的问题。

在低坡度常年性河道的河床上，洪水期间松散沉积的悬浮沉积物通常为细颗粒物质（主要是淤泥和粘土），含水量高且含有不同量的有机物质，因此容易在洪水期间重新悬浮并输送到下游地区。为简便起见，本文将这种沉积物称为“软质沉积物”。它是细颗粒沉积物和磷的潜在来源，如果含量丰富，可能会延缓高地管理措施对下游水质改善的效果（Lamba等人，2015年；Meals等人，2010年）。在美国威斯康星州东北部，美国地质调查局在附近的下福克斯河支流（如Plum Creek，Fitzpatrick等人，2019年；Apple Creek，Blount等人，2022年）进行的沉积物预算和指纹分析表明，软质沉积物的来源包括河岸侵蚀和沟蚀（Blount等人，2022年；Fitzpatrick等人，2019年；Lamba等人，2015年；Williamson等人，2024年）。不同流域的软质沉积物储存量因地质和地貌环境而异，这些支流中的沉积物储存量占年TSS负荷的25-30%，占年TP负荷的11-30%（Blount等人，2022年；Fitzpatrick等人，2019年）。

本研究的重点是下福克斯河的重要支流——东河上游段，该地区农业活动密集，包括农田和畜牧业（图1a）。由于东河与格林湾附近的下福克斯河交汇，东河的TMDL目标分别为减少TSS负荷63.5%和TP负荷70.1%（Cadmus Group，2012年；OCLCD和BCLWCD，2015年）。这些减排目标与Apple Creek（TP = 64.2%；TSS = 51.2%）和Plum Creek（TP = 77.2%；TSS = 63.5%）的目标相似（Cadmus Group，2012年）。然而，东河的河道网络结构与Apple Creek和Plum Creek不同，因为其流域中部有一条基岩陡崖（图1a-c）。这引发了一个问题：东河中沉积物和沉积物-磷的来源及其储存是否受到这些河道差异的影响，从而影响了TMDL相关的管理决策。

我们假设河岸侵蚀（包括河岸和沟蚀）是东河流域内软质沉积物的主要来源，同时考虑陡峭峡谷中的沟蚀和临时性河道的侵蚀有助于识别可通过管理措施改善的沉积物来源。最近的研究表明，在地理信息系统（GIS）中使用10米数字高程模型数据，量化沟蚀和临时性河道具有价值（Fitzpatrick等人，2023年）。在我们的研究中，除了常年性河道外，还纳入了临时性河道的侵蚀特征。为了验证这一假设，我们提出了四个研究问题：1）沉积物指纹分析能否验证河道侵蚀的沉积物预算估计，并揭示其他软质沉积物来源的差异？2）扩展河道网络的上游范围是否有助于更准确地量化小型陡峭上游河道的侵蚀情况？3）上游河道的划分能告诉我们什么关于河道与高地来源的连通性？4）沉积物-磷的储存分布与软质沉积物的储存有何关系？

通过更详细地绘制上游河道侵蚀热点与高地土地利用及下游储存之间的地图，可以更好地理解从高地到流域出口的沉积物输送过程。软质沉积物的分布也可能揭示为什么在具有相似地貌特征的缓坡河道中，储存量存在差异，而不仅仅是均匀分布。因此，我们结合沉积物来源分配、沉积物预算与储存量的比较以及地理空间映射，来确定河床上软质沉积物和沉积物-磷的来源和位置。此外，这些分析还有助于我们理解源区磷浓度如何影响沉积物-磷浓度，尤其是在沉积物从上游河道输送到下游河流和格林湾的过程中。本研究的结果结合了流域TMDL标准以及河流监测点的年均沉积物和磷负荷进行了评估；然后将东河的沉积物和沉积物-磷来源及储存量与附近的Plum Creek和Apple Creek进行了比较。

研究区域

东河上游流域（115.5平方公里）主要位于布朗县（Brown County）南部，并延伸至卡卢梅特县（Calumet County）北部（图1c）。尼亚加拉陡崖（Niagara Escarpment）的露头基岩主要由志留纪白云岩构成，覆盖在较老的奥陶纪马科凯塔页岩（Maquoketa Shale）之上（Luczaj，2011年；Luczaj，2013年；WGNHS，2011年），在研究区域内不连续分布（图1a，c）。这种陡崖影响了上游河道的排水模式和流速。

沉积物-磷浓度的变化

东河样本的颗粒大小分布和沉积物-磷浓度因来源不同而有所差异，与Apple Creek和Plum Creek样本相比，东河样本的沉积物-磷浓度和颗粒大小更高（图2a，b）。东河道路样本的颗粒最大（图2a）；然而，所有样本组的颗粒大小总体上都比Apple Creek和Plum Creek样本更大。四个东河样本中有三个的沉积物-磷浓度较高，且d₅₀值也较大。

地貌因素对河道侵蚀和储存的影响

东河的研究结果与其他农业区的研究一致，这些研究也指出河道和河岸侵蚀是细颗粒沉积物的主要来源，并强调需要进一步了解侵蚀的驱动因素（Shi等人，2021年）。通过将现场评估河段的侵蚀率和储存量（ESM表S2、表S3）应用于60米长的河段，而不是更长范围的河段……

结论

东河是下福克斯河乃至格林湾沉积物和沉积物-磷的重要来源。通过结合沉积物指纹分析和河道沉积物预算映射技术，我们确定了河道中的沉积物和沉积物-磷来源及其在河道网络中的空间分布。了解河道侵蚀热点和软质沉积物储存位置有助于与悬浮沉积物进行比较……

注释

文中使用的任何贸易名称、公司名称或产品名称仅用于描述目的，并不代表美国政府的认可。

作者贡献声明

海蒂·M·布罗曼（Heidi M. Broerman）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、调查、数据分析、数据整理。詹姆斯·D·布朗特（James D. Blount）：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法论设计、调查、资金获取、概念构思。费思·A·菲茨帕特里克（Faith A. Fitzpatrick）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、方法论设计、调查、资金获取、数据分析、概念构思。坦贾·N·威廉姆森（Tanja N. Williamson）：

数据可用性

数据可在美国地质调查局的国家水资源信息系统中获取，或在美国地质调查局的ScienceBase网站上发布。

利益冲突声明

作者声明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

本研究的资金由美国环境保护署的五大湖恢复计划提供。沉积物指纹分析和数据准备得到了美国地质调查局俄亥俄-肯塔基-印第安纳水科学中心（USGS Ohio-Kentucky-Indiana Water Science Center）的Shannon Pace的帮助。当地县的数据由布朗县（Brown County）、卡卢梅特县（Calumet County）和马尼托沃克县（Manitowoc County）提供。在发表时，用于确定评估位置的布朗县土地利用数据尚未公开。