三峡水库消落带是库区水域与周边陆地环境的过渡地带，是由三峡水库“蓄清排浑”的人为运行调度形成的典型水陆交错带. 三峡库区自2003年蓄水开始形成，到2010年蓄水位175 m时，已经形成了垂直落差达30 m(高程145~175 m)面积约349 km²的特大型狭长消落带. 受水库运行调度影响，库区消落带具有秋季蓄水-冬季淹水-春季泄水落干-夏季出露-秋季再蓄水的反季节水位涨落特点. 近年来消落带涌浪侵蚀、 土地利用变化、 非点源污染等生态环境问题备受关注^{[1, 2, 3, 4, 5]}. 随着三峡工程后续工作规划的出台，消落带沉积泥沙对水、 陆生态环境、 对消落带污染物富集及侵蚀-沉积动态转化机制及其对消落带地貌演变的潜在影响问题，同时也是“后三峡”时期亟待认识并解决的新问题^{[6, 7]}. 目前对消落带的研究主要集中在消落带淹水导致的土壤理化性质的变化^[8,9]、 消落带泥沙沉积过程的定性评估以及水保措施^{[10, 11]}、 退耕还林等措施对水库沉积泥沙的潜在影响^[12].

春夏消落带出露期，当地农民利用这一宝贵的土地资源抢种抢收，大量施肥造成消落带土壤养分增多； 而在秋冬水库蓄水时，消落带大量富集的养分及其它元素又可能随水体的长时间浸泡再次释放到水体中^{[13, 14]}. 初步监测结果显示，尽管长江干流水质与蓄水前相比基本稳定，但次级河流(支流)或库湾受江水顶托，一些养分元素如磷出现富集现象^[15]. 蓄水后支流断面监测结果表明，80%以上的支流、 库湾达到中度-重度富营养状况^[16]，水华几乎年年春季暴发^{[17, 18]}. 因此，研究支流库湾消落带沉积泥沙特征，对于全面评价库区水环境质量，保护三峡水库“一泓清水”具有重要意义.

于2015年4月消落带出露初期，选择三峡库区的涪陵到云阳长江一级支流 (乌江、 珍溪河、 龙洞河、 龙河、 香水河、 黄金河、 汝溪河、 彭溪河、 磨刀溪)共9个典型支流消落带布设采样点(图 1)，分两个高程160~165 m(下部)、 165~175 m(上部)采集样品. 所选消落带断面均是出露后尚未受扰动的，采样点基本信息如表 1，采样工具为自制圆形采样环及采样铲(图 2)，采样环内径10 cm，高3 cm. 受上覆水动力条件影响，消落带同时发生侵蚀-沉积-再悬浮-再沉积的过程，本研究所指的沉积泥沙是经过沉积-侵蚀等过程之后最终沉积下来的净沉积泥沙.

图 1

Fig. 1

图 1 三峡库区范围及采样示意 Fig. 1 Scope and sampling sites in the Three Gorges Reservoir

图 2

Fig. 2

图 2 采样点照片和采样工具 Fig. 2 Sampling site and sample collection tools

表 1(Table 1)

表 1 采样点基本信息 Table 1 Summary of the characteristics of the selected sampling sites 编号 采样点 所属支流 位置 淹没前土地利用 距河口距离/km 1 重庆市涪陵区团堡村 乌江 29°40′26.7″N， 107°23′18.2″E 玉米和狗牙根 5.0 2 重庆市涪陵区石牛村 珍溪河 29°54′21.52″N， 107°27′29.44″E 下部为杂草，上部玉米 1.2 3 重庆市涪陵区兰花洞桥 龙洞河 29°54′21.74″N， 107°28′25.62″E 下部为苍耳和狗牙根 1.0 4 重庆市丰都县 龙河 29°52′34.02″N， 107°44′41.68″E 石坎坡耕地 0.8 5 重庆市忠县任家镇 香水河 30°11′37.19″N， 107°54′59.32″E 苍耳 2.2 6 重庆市忠县黄金镇 黄金河 30°19′36.46″N， 108°02′26.29″E 玉米 2.0 7 忠县坪山大桥 汝溪河 30°23′53.62″N， 108°06′47.65″E 苍耳和狗牙根 4.0 8 重庆市云阳县瓦屋咀 彭溪河 30°57′51.26″N， 108°42′38.63″E 狗牙根和牛鞭草 6.5 9 云阳宝坪镇红电村 磨刀溪 30°55′49.32″N， 108°56′24.24″E 狗牙根和苍耳 0.7

表 1 采样点基本信息 Table 1 Summary of the characteristics of the selected sampling sites

样品经自然风干，手工拣除枯枝落叶、 作物根系及粗砾石等，过 2 mm干筛备试. 颗粒组成测定分析采用英国马尔文公司研制生产的MasterSizer 2000 型激光粒度仪测定. 将过2 mm土样多次四分法取50 g全磨细过100目尼龙网筛，采用德国Elementar 公司生产的常量元素分析仪测定土壤全碳、 全氮、 K，测试质量 60～80 mg. 取0.2 g 过100目土样以硝酸-氢氟酸(HNO₃-HF)消解配制土壤溶液备试：土壤全磷测定采用紫外可见分光光度计；美国 Perkin Elmer 公司生产的 NexION300X 型电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)用以测量Cr、 Cu、 Ni、 Pb、 Zn等重金属元素.

消落带不同高程带160~165 m(下部)和165~175 m(上部)土壤理化、 养分含量、 重金属的差异分析采用非参数进行两两比较，所有统计分析和相关分析运用Excel 2013和SPSS 20.0进行处理.

重金属污染现状评价目前应用最普遍的一个方法是地累积指数法I_geo分析^[19]，近年来，国内将其用于评价土壤环境质量，并取得较好效果^[20,21]，该评价方法能同时考虑自然地质背景值和人为活动导致的重金属污染，因此，地累积指数可以用来判别人为活动对地理环境的影响，分析方法如下:

式中，I_geoⁿ为重金属n的地累积指数，C_n重金属n的含量； B_n 为该重金属的地球化学背景值，本研究所采用的重金属地球化学背景值借鉴唐将等^[22]对三峡库区重金属背景值的研究结果，根据I_geoⁿ数值的大小将沉积物重金属分为0~6级，共7级(表 2).

表 2(Table 2)

表 2 地累积指数分级表 Table 2 Classification of geo-accumulation index Igeo ≤0 0~1 1~2 2~3 3~4 4~5 ＞5 等级 0 1 2 3 4 5 6 污染程度 无 无-中 中 中-强 强 强-极强 极强

表 2 地累积指数分级表 Table 2 Classification of geo-accumulation index

本研究把泥沙粒径设定为<0.002、 0.002~0.05、 0.05~0.1、 0.1~0.25、 0.25~0.5、 0.5~1、 1~2 mm，根据美国农业部粒级制分为黏粒(<0.002 mm)、 粉粒(0.002~0.05)、 砂粒(0.05~2 mm). 变异系数(CV)即标准差与算数平均值的比值，不同高程带的不同粒径变异幅度可以用变异系数值来反映. 通常认为，CV<10%为弱变异，CV>100%为强变异，介于二者之间则为中等变异.

从横向库尾到库中看，沉积泥沙的中值粒径最小值出现在龙洞河消落带上部为5.8 μm，最大值出现在磨刀溪的消落带下部为25.7 μm，从涪陵乌江到云阳磨刀溪的中值粒径呈先变大后减小再增大的波动变化，这可能跟采样点地形，采样密度和累计沉积厚度不同有关. 从纵向不同高程带看，各采样点上部消落带沉积泥沙，砂粒、 粉粒、 黏粒体积分数分别为9.2%~34.7%、 58.8%~81.1%、 5.8%~15.8%(图 3)； 下部为12.4%~30.2%、 63.1%~73.9%、 6.7%~19.6%. 消落带上部沉积泥沙各粒径变异系数排序为砂粒、 黏粒、 粉粒，分别为59.6%、 30.4%、 13.4%，均为中等变异； 消落带下部各粒径变异系数排序为黏粒、 砂粒、 粉粒，分别为35.9%、 26.7%、 5.5%，黏粒和砂粒为中等变异，粉粒为弱变异. 不同高程带空间变异幅度排序为：砂粒42.7%、 黏粒32.3%、 粉粒9.8%.

图 3

Fig. 3

图 3 消落带沉积泥沙的不同高程带粒径分布特征 Fig. 3 Grain diameter distribution characteristics at different elevation of deposited sediment

三峡库区消落带泥沙中有机质含量主要受消落带的干湿交替，管理方式及污染物质的输入^[23]. 从表 3可以看到，从消落区乌江到磨刀溪，由于地形地貌的差异加之人类活动导致的土地利用方式不同以及采样时的天气等因素造成沿程的沉积泥沙中TOC等4种养分元素含量和Cr等5种重金属含量有所差异. TOC、 TN、 K、 TP等4种常量元素以及重金属的含量平均值在消落带上部和下部差别不大，且4种常量元素CV值介于10%~100%之间，均属于中等变异； 5种重金属元素的CV值除了Cr小于10%，属于弱变异之外，其他4种中金属均为中等变异.

表 3(Table 3)

表 3 沉积泥沙的养分元素和重金属元素含量特征值 Table 3 Feature values for concentrations of nutrient elements and heavy metals in the deposited sediment 特征值 高程带 容重 /g·cm-3 全碳 /g·kg-1 全氮 /g·kg-1 K /g·kg-1 全P /g·kg-1 Cr /mg·kg-1 Cu /mg·kg-1 Ni /mg·kg-1 Pb /mg·kg-1 Zn /mg·kg-1 最小值 上部 1.1 10.7 1.4 16.2 0.2 61.1 11.9 16.4 8.5 75.6 下部 1.2 8.2 1.1 22.5 0.3 59.6 15.9 17.0 14.4 66.8 最大值 上部 1.7 45.9 2.2 27.5 0.7 82.8 33.2 35.9 26.2 125.5 下部 1.5 42.8 2.2 29.715 0.8 79.0 33.9 30.2 45.0 146.6 平均值 上部 1.3 18.0 1.7 22.3 0.4 70.0 23.6 27.0 19.7 93.4 下部 1.4 17.6 1.7 25.3 0.5 70.7 22.9 25.3 22.3 102.6 标准差 上部 0.2 10.9 0.3 3.3 0.1 6.2 5.9 5.6 5.5 15.7 下部 0.1 10.5 0.4 2.7 0.2 5.5 5.9 4.5 9.5 26.7 变异系数 上部 0.1 0.6 0.2 0.2 0.4 0.1 0.2 0.2 0.3 0.2 下部 0.1 0.6 0.3 0.1 0.4 0.1 0.2 0.2 0.4 0.3

表 3 沉积泥沙的养分元素和重金属元素含量特征值 Table 3 Feature values for concentrations of nutrient elements and heavy metals in the deposited sediment

对不同高程带的沉积泥沙的容重、 养分元素和重金属含量做了独立样本t检验，从表 4可以看到，各指标差异性均不显著(P>0.05)，发现消落带上部和下部之间沉积泥沙理化特征差异不大，说明虽然三峡水库反季节蓄水形成高程达30 m的变幅消落带，这样的变幅并未导致沉积泥沙的TOC、 TN、 TP、 K等养分元素和Cr、 Cu、 Ni、 Pb、 Zn等5种重金属元素在不同海拔高程间的明显差异.

表 4(Table 4)

表 4 消落带沉积泥沙元素含量垂直差异性分析 Table 4 Vertical difference of elements concentrations in the deposited sediment of the riparian zone 特征值 容重 TOC TN TP Cr Cu Ni Pb Zn T 值 -0.16 0.07 0.31 -0.96 -0.24 0.25 0.72 -0.71 -0.89 P 值 0.13 0.94 0.76 0.35 0.82 0.81 0.48 0.49 0.38

表 4 消落带沉积泥沙元素含量垂直差异性分析 Table 4 Vertical difference of elements concentrations in the deposited sediment of the riparian zone

三峡库区沉积物中重金属元素的地累积指数分级计算结果见表 5. 地累积指数I_geo值来看，本研究所选择的9条支流库湾消落带沉积泥沙重金属均为无污染或者轻度污染，表现为Zn元素在珍溪河、 龙洞河和龙河的值在0~1之间，污染等级为1，属于无-中的污染程度，磨刀溪的Pb元素属于无-中的污染程度，其他元素的Igeo值均小于0，均为无污染，总体来说，中游的重金属含量高，这可能是因为中游的消落带受人类活动影响较大，加之上游河水中携带的重金属会通过交换、 扩散和沉淀等方式向中游消落区迁移.

表 5(Table 5)

表 5 支流库湾消落带沉积泥沙重金属评价等级 Table 5 Index of geo-accumulation and classification of heavy metals pollution of the sediments in the riparian zone of typical tributaries bay 采样点 Cr Cu Ni Pb Zn Igeo 含量 mg·kg-1 级数 Igeo 含量 mg·kg-1 级数 Igeo 含量 mg·kg-1 级数 Igeo 含量 mg·kg-1 级数 Igeo 含量 mg·kg-1 级数 乌江 -0.7 71.3 0 -1.4 14.0 0 -1.4 16.7 0 -1.56 12.2 0 -0.27 87.1 0 珍溪河 -0.7 72.4 0 -0.7 22.1 0 -1.0 21.9 0 -1.24 15.1 0 0.01 104.7 1 龙洞河 -0.5 80.9 0 -0.2 33.6 0 -0.4 32.7 0 -0.39 27.2 0 0.19 119.7 1 龙河 -0.7 72.6 0 -0.6 24.8 0 -0.5 30.6 0 -0.69 22.2 0 0.24 118.9 1 香水河 -0.8 69.0 0 -0.6 25.1 0 -0.8 25.2 0 -0.91 18.6 0 -0.13 96.1 0 黄金河 -0.7 71.1 0 -0.8 21.3 0 -0.8 25.3 0 -1.10 16.7 0 -0.25 87.9 0 汝溪河 -0.9 64.1 0 -0.6 27.8 0 -0.7 29.9 0 -0.80 20.5 0 0.43 108.6 0 彭溪河 -0.7 70.2 0 -0.7 23.4 0 -0.7 27.9 0 -0.80 20.5 0 -0.27 86.4 0 磨刀溪 -0.9 61.6 0 -0.9 19.3 0 -0.8 25.4 0 0.33 35.6 1 -0.55 72.9 0

表 5 支流库湾消落带沉积泥沙重金属评价等级 Table 5 Index of geo-accumulation and classification of heavy metals pollution of the sediments in the riparian zone of typical tributaries bay

三峡水库支流库湾这一典型的区位特征，回水区消落带沉积受到水动力作用的减弱及细颗粒物、 有机物等的吸附沉淀作用，同时受到长江干流倒灌和来自支流上游的重金属元素受河水流动在入口处逐渐沉积的影响，加之本次调查的支流分布范围广，污染来源复杂，流域泥沙流失和人为活动的干扰，使得指标之间的关系更为复杂. 对9条支流库湾指标做相关性分析，表 6表明除了Ni和Zn之间相关性不强之外，其他几种重金属元素之间都在0.01水平上彼此显著相关，说明这Cu、 Pb、 Zn、 Cr这4种重金属具有相似的来源，农业面源污染、 交通运输、 矿石风化等都可能是重金属元素的来源. 另外值得注意的是TN、 TOC、 K和Cu、 Zn、 Ni、 Cr之间也分别存在显著相关性，这是因为N、 K等是农业生产的主要标志性污染物，农药和化肥的使用携带部分重金属元素. 所以在今后流域重金属污染防治中要重点加强农业面源污染的防治.

表 6(Table 6)

表 6 各元素之间的相关性分析 1) Table 6 Correlation analysis of elements in sediments of the Three Gorges Reservoir Cu Pb Zn Ni Cr TN TP TOC K Cu 1 Pb 0.554** 1 Zn 0.453** 0.397** 1 Ni 0.804** 0.480** 0.257 1 Cr 0.453** 0.271** 0.392** 0.323* 1 TN 0.546** 0.167 0.407** 0.402** 0.480** 1 TP -0.002 -0.119 0.091 -0.201 0.382** 0.255 1 TOC -0.263 -0.314* 0.097 -0.421** 0.220 0.243 0.209 1 K 0.334* 0.100 0.047 0.284* 0.464** 0.293* 0.418** -0.079 1 1) **表示在0.01 水平上显著相关； *表示在 0.05 水平上显著相关

表 6 各元素之间的相关性分析 1) Table 6 Correlation analysis of elements in sediments of the Three Gorges Reservoir

消落带上部和下部TOC、 TN等养分元素含量的差异，从表 3中可以看到，上部消落带的有机质和全氮含量略比下部高，这可能与不同高程带的淹没时间有关，由于三峡水库的蓄水特殊性，造成上部消落带淹没时间大概90 d，而下部消落带长达180 d(图 4)，据现场调查采样时发现，由于上部消落带露出时间较早，受人为干扰，农民用来农业种植的可能性更大，所以养分元素要比下部略高.

图 4

Fig. 4

图 4 三峡水库年际水位示意 Fig. 4 Annual water levels of the Three Gorges Reservoir

与库区早期的研究结果对比见表 7，9条支流库湾消落带沉积泥沙中Cu、 Cr、 Zn的含量均高于全国背景值,与三峡库区背景值和三峡库区的其他相关研究相比，只有Zn含量高于三峡库区背景值. 消落带处于相对开放的系统，影响因素较复杂，水体及上游城市排放重金属元素的输移等因素的影响，淹没后的土壤对重金属的吸附解吸变化趋势并不明显. 叶琛等^[19]对三峡水库干流消落区的研究发现渝北到秭归12个采样点的Cu、 Pb、 Zn、 Cd、 As含量呈现上游和下游含量高及中游含量低的空间格局，本研究Cr含量中上游较下游高，Cu和Zn含量上游和下游含量低，中游含量相对较高，但是Cu的含量与相关研究相比总体偏低^[24,25]； Ni和Pb含量上游含量较低，中上游含量较高. Zn含量高于三峡库区背景值，说明有潜在的Zn污染风险，为了防止重金属污染，今后支流库湾附近应减少开矿厂、 机械制造等.

表 7(Table 7)

表 7 三峡库区消落带沉积泥沙重金属含量/mg·kg-1 Table 7 Concentrations of heavy metals in sediments and soil of the riparian zone in the Three Gorge Reservoir/mg·kg-1 项目 类型 Cr Cu Ni Pb Zn 全国[26] 背景值 61.00 22.60 26.90 26.00 74.20 三峡库区[22] 背景值 78.03 25.00 29.47 23.88 69.88 2006年[27] 土壤 — 29.42 — 21.66 82.46 2007年[28] 沉积物 78.8 59.15 — 63.21 126.76 2011年[23] 沉积物 — 34.57 35.82 24.29 98.44 本研究 消落带泥沙 70.335 23.26 26.14 20.96 98.025

表 7 三峡库区消落带沉积泥沙重金属含量/mg·kg-1 Table 7 Concentrations of heavy metals in sediments and soil of the riparian zone in the Three Gorge Reservoir/mg·kg-1

(1)9条支流库湾消落带沉积泥沙表现为支流消落带下部(160~165 m)沉积泥沙相比上部(165~175 m)偏粗，砂粒和黏粒体积百分比为中等变异，粉粒为弱变异. 从涪陵乌江到云阳磨刀溪中值粒径呈波动变化，沉积泥沙的中值粒径最小值出现在龙洞河消落带上部为5.8 μm，最大值出现在磨刀溪的消落带下部为25.74 μm.

(2)不同高程带的沉积泥沙的容重、 养分元素和重金属含量独立样本t检验表明，各指标差异性均不显著(P>0.05)，说明消落带上部和下部之间沉积泥沙特征差异不显著.

(3)支流库湾消落带沉积泥沙重金属评价均表现为无污染或轻度污染，中游的支流库湾消落带重金属含量较上游高. 只有Zn元素在珍溪河、 龙洞河和龙河属于无-中的污染程度，磨刀溪的Pb元素属于无-中的污染程度.