地质学学科生态与环境地质学研究团队近期在三峡库区沉积物有机质季节变化和物源研究方面取得进展，相关成果发表于地球科学领域权威期刊《Science of The Total Environment》。
水库的建设，极大改变了河流水体的水生态环境。同时，水库的水文管理，也严重影响着库区生物及周边地区生态系统的有机质循环。三峡大坝作为世界上最大的水利工程，其对生态环境造成的影响一直备受关注。三峡库区曾多次出现水质富营养化以及水华现象，同时也存在农业面源污染引起的氮和磷富集。因此，了解三峡库区有机质的来源及变化，探讨人为影响下库区土壤与水库营养元素（C、N、P）循环之间如何相互作用，对于保护河流环境和相关生态系统的健康至关重要。目前，将C-N-P元素综合起来对三峡库区沉积物的研究较少。
本研究收集了三峡库区云阳至秭归段干支流夏季（低水位）和冬季（高水位）表层沉积物，并对其中的总有机碳（TOC）、总氮（TN）和有机磷（OP）浓度及C-N同位素组成（δ13Corg和δ15N）进行了分析，研究结果有助于为三峡库区生态环境状况和生物地球化学循环研究提供参考依据，并能在一定程度上指导库区农业活动以减轻污染。
图1 三峡库区沉积物有机质季节变化和物源示意图
一、三峡库区的有机质物源
本研究根据δ13Corg和C/N比值，综合分析了三峡库区沉积物中有机质的来源。首先根据端元散点图，有机质主要有四种来源：土壤有机质、水生维管束植物、污水有机质和浮游生物。在此基础上，利用MixSIAR贝叶斯混合模型量化了不同来源的相对贡献（图2）。根据计算结果，夏季有机质主要来自于土壤有机质（20.1%~42.4%）和河流浮游生物（16.7%~47.7%）。冬季主要来自于土壤有机质（22%~39.3%）和水生维管束植物（18.3%~39.6%）。两个季节有机质来源大致相同，但是，冬季河流浮游生物来源占比明显下降，而水生维管束植物占比提高。
图2 三峡库区夏季（a）和冬季（b）表层沉积物有机质来源贡献
二、有机C/P比值的指示
三峡库区内支流C/P值普遍偏高，根据计算结果，这些河流的污水有机质来源偏高，外源有机质的输入导致了更高的C/P值，解释了干流与支流的C/P比差异。三峡库区内的人为输入并不存在明显的季节变化（图2），而大部分采样点的C/P比夏季均高于冬季。下列几个因素可能导致夏季C/P比偏高：
（1）有机质的降解性，浮游生物来源的有机物通常比陆地来源的有机物更容易受到细菌降解过程的影响，而夏季浮游生物来源更高支持这个结论（图2）。
（2）有机质的降解过程，库区内夏季更高的水温导致水体中OP降解细菌活动加强，加速了沉积物中OP的降解过程。
（3）水动力条件，三峡库区冬季高水位所沉积的大量细粒沉积物是保护沉积物中有机质和OP不受微生物快速降解或再矿化的重要因素。
（4）土壤有机质的影响，在土壤有机质中的C/P更低，而冬季土壤有机质来源高于夏季（图2）。
三、有机质来源的季节性差异及原因
在双层次聚类分析热图中（图3），同样表现出有机质来源的差异性：在夏季，在包含有机质组分的子聚类中，粘土来源对TOC和OM之间表现出较高的负载，而OP与河流浮游生物来源表现出相当高的一致性。在冬季，关于生物来源的有机质负载降低，而人为或者是由于水动力原因对土壤侵蚀引起的有机质来源负载升高。除此之外，粘土组分与有机质之间的关系存在季节差异，进一步证实了三峡大坝水位调节对有机质来源的影响。
图3 三峡库区沉积物中各参数的聚类热图：夏季（a）；冬季（b），阴影表示经过归一化后的浓度
四、氮污染来源与对农业系统管理的启示
根据氮同位素对污染物质来源示踪原理，对污染物来源进行分析。结果表明，三峡库区沉积物中氮素总体上源自土壤有机质。但有近33%样品点河流受人工合成氮肥影响严重。前人根据硝酸盐同位素计算出三峡库区内硝酸盐源的污染主要来源于铵肥和污水。根据我们的研究结果，污水有机质来源不存在明显的季节变化，而冬季土壤氮来源略高于夏季（图2）。两个季节的氮来源过程可能并不一致：夏季氮污染主要受到强降雨对土壤淋失以及随之而来的坡面径流的影响，冬季则受库区水位的控制所造成的土壤侵蚀控制。过量施用氮肥可能是三峡库区氮素污染的重要原因。因此，库区需要适当对耕作方式进行调整并实行更加精细的氮肥管理以降低污染。
文献信息：
Xiao, H., Mao, C., Wang, S., Jia, Z., Rao, W., 2023. Seasonal variation and provenance of organic matter in the surface sediments of the three gorges reservoir: Stable isotope analysis and implications for agricultural management. Science of The Total Environment, 870, 161886.
Wang, S., Rao, W., Qian, J., Mao, C., Li, K., 2020. Phosphorus species in bottom sediments of the Three Gorges Reservoir during low and high water level periods. Environmental Science and Pollution Research, 27, 17923–17934.
