摘要
磷是生命体的基本组成元素之一，但环境中的磷并不是越多越好。过多的磷输入到流域中，会引发水体富营养化，破坏水生态环境。长江流域作为我国经济发展的脊梁，强烈的人为活动导致大量的人为磷输入到了流域中，并累积在流域内成为遗留磷。自2016年以来，长江流域总磷(TP)已经成为首要的污染指标。然而，有关长江流域遗留磷对水质影响的持续时间仍然是一个未知数，各子流域内主要人为磷来源的定量解析工作也有所缺乏。因此，定量解析长江主要外源磷的贡献率和评估长江流域所面临的遗留磷污染负荷对长江水质的改善有着重要意义。 针对以上科学问题，本研究通过对长江干流以及各主要支流进行了样品采集，包括水、土壤、磷矿、肥料等，对样品同形态磷的含量和磷酸盐氧同位素（δ18O（PO4））组成进行了分析测试，结合文献中磷通量、磷含量和δ18O(PO4)数据的整理分析，来探讨长江干流磷的时空动力学特征及其成因，计算了长江流域的磷缓冲容量阈值并评估流域内的遗留磷污染负荷，定量解析了长江干流不同河段磷的来源。本研究所取得的研究成果如下: (1)长江干流TP含量，丰水期显著高于枯水期，主要是因为丰水期雨量丰富，颗粒态磷在雨水的冲刷作用下，随着地表径流进入到了水体中，增加了长江干流颗粒态磷含量。沿河流流向，大坝的拦截作用致使越来越多的颗粒态磷被滞留在了库区内，造成了丰水期TP含量自上而下整体下降的趋势。可溶态总磷(DTP)含量自干流上游到下游逐渐升高，主要是因为长江中下游人口密集、农业活动强烈，大量的人为磷进入到了水体当中。通过分析国控断面磷含量变化的实时监测数据，可以看出长江干流中游的磷污染情况较为严重，其次是下游，干流上游磷污染负荷较轻，说明中下游地区人为磷的输入量要高于干流上游。 (2)通过流域尺度上的磷通量数据分析，可以发现TP输出通量与DTP输出通量有着相反的变化规律，这是因为大坝对颗粒态磷的拦截效果要明显优于DTP，导致了TP输出通量出现了下降。通过分段线性回归模型得出长江流域的磷缓冲容量阈值为29.02±2.82tP/km2，长江流域磷储量已经超过了其缓冲阈值，没有足够的能力再去积累更多的磷。此外，DTP输出通量随着人为磷的输入始终保持着显著增长的趋势，说明长江干流磷负荷控制仍然需要长期的努力，尤其是DTP负荷，在未来的长江流域磷污染治理上，应该重点关注DTP的减排减量。根据指数衰减模型的计算结果，发现近50年来累积到长江流域的遗留磷需要大约一千年的时间跨度才能够恢复到基线水平，恢复到安全水平以下需要约278年。较短的累积时间却需要非常长的时间来恢复，足以说明长江流域目前面临着严峻的遗留磷负荷压力。促进土壤中残留遗留磷更多的被地上植物所吸收，降低磷的水土流失是解决长江流域目前磷超标问题的有效措施。 (3)长江干流所有采样点的δ18O(PO4)值与其平衡值(δ18OE)有着较大的差异，因此，应用磷酸盐氧同位素技术来示踪磷是完全可行的。结合δ18O(PO4)值在干流上的空间变化与端元样品的δ18O(PO4)值，可以定性的解析长江干流磷的主要来源。基于端元混合模型和贝叶斯模型系统分析了长江干流不同河段外源磷的贡献率。在沱沱河流域，磷的主要人为来源是畜禽养殖;在金沙江和乌江流域，畜禽养殖和农业施肥是主要的磷贡献源;在长江干流的上中下游、沱江、洞庭湖、汉江和太湖流域，城镇建设和农业施肥是磷污染负荷的主要贡献者，其中长江干流下游，太湖和洞庭湖流域因为城镇密集，城镇建设排放磷的贡献率超过了农业施肥。在整个长江干流上，化肥磷输入的贡献率最大，三磷企业废弃物、生活污水和畜禽养殖排泄物对干流水体磷的贡献也有着重要的比重。针对这些主要的磷排放源，化肥磷的减施增效、磷石膏等废弃物的资源化利用、城镇污水处理能力的改善和排泄物的堆肥还田将会是降低长江流域外源磷输入负荷的有效措施。
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