何曉光，李喜梅，高鵬程，張文浩

(1. 陜西太白山國家級自然保護(hù)區(qū)管理局，陜西 寶雞 722300；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

前 言

湖泊是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]，是淡水資源的重要儲存器[2]。我國湖泊眾多，分布廣泛，然而，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，湖泊資源受到不同程度的破壞，對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。湖泊水體更新速率較慢，自凈能力較差，一旦遭受污染很難恢復(fù)，治理難度大[3-4]。

太白山地處秦嶺山脈的中段，是我國青藏高原以東大陸東部的最高峰，也是我國的旅游名山之一[5]。太白山海拔3000 m以上的石質(zhì)高山區(qū)，分布著大爺海、二爺海、三爺海、玉皇池等一系列高山湖泊。不同于一般湖泊，太白山山頂湖泊遠(yuǎn)離人類生活區(qū)，降水是湖泊的唯一補(bǔ)充水源，又屬于國家自然保護(hù)區(qū)，一般認(rèn)為，太白山山頂湖泊為清潔無污染水體。然而，由于太白山接壤關(guān)中地區(qū)，而該地區(qū)是我國大氣污染最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，大氣污染物會通過降水進(jìn)入湖水；另一方面，太白山接納越來越多的游客，無疑給山頂湖泊帶來越來越嚴(yán)重的環(huán)境負(fù)荷。但截止目前，鮮有關(guān)于太白山山頂湖泊水質(zhì)的研究報道，公開的資料僅來自杜俊平等[6]研究，但該資料忽略了總氮、總磷等一些反映湖泊水質(zhì)的關(guān)鍵性指標(biāo)，此外，報道的是10多年前(2006年)狀況，無法代表保護(hù)區(qū)湖泊水質(zhì)現(xiàn)狀。

盡管體量較小，太白山山頂湖泊為保護(hù)區(qū)河流源頭，是周邊市區(qū)包括西安、咸陽、寶雞及漢中人民生活與生產(chǎn)重要的水源地，其水質(zhì)狀況與人民身體健康密切相關(guān)。由于山頂氣溫較低，湖泊每年約一半時間處于冰封狀態(tài)，為此，本文分別在冰凍期與解凍期兩個階段對太白山自然保護(hù)區(qū)4個湖泊17項常規(guī)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，全面了解太白山山頂湖泊水質(zhì)現(xiàn)狀，為太白山自然保護(hù)區(qū)水體生態(tài)安全的保持提供相應(yīng)的理論支持。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本研究分別對太白山大爺海、二爺海、三爺海和玉皇池等4個湖泊進(jìn)行取樣測定，不同湖泊基本信息如表1所示，每個湖泊設(shè)置了3個采樣點(圖1)。在湖面以下0.3 m位置進(jìn)行采集，用潔凈的塑料瓶盛放樣品，4℃保溫箱冷藏，帶回實驗室分析。

圖1 太白山自然保護(hù)區(qū)山頂湖泊示意圖Fig.1 Sketch map for the lakes at the top of Taibaishan nature reserve

保護(hù)區(qū)山頂湖泊每年約一半時間為冰封，冰凍期為10月中旬至來年4年底，其他時間為解凍期，故分別在冰凍期與解凍期采集湖泊水樣，采樣時間分別為2018年10月24日與2019年6月7日，每個采樣點采集3個平行樣品，其均值為該樣點最終結(jié)果。

表1為太白山自然保護(hù)區(qū)湖泊基本情況表。由表可知，4個湖泊海拔均在3300 m以上，湖體面積較小，周邊植被為典型高山草甸及灌木。

表1 太白山自然保護(hù)區(qū)湖泊基本情況表[3]Tab.1 Basic information of the lakes in the Taibaishan nature reserve

1.2 樣品分析

分別對湖泊水體水溫、pH值、CODMn、CODCr、BOD5、氨氮、總氮、總磷、氟、硒、銅、鋅、鉛、鎘、砷、汞、六價鉻等17項指標(biāo)進(jìn)行檢測。水溫采用Oxi3210測定儀現(xiàn)場測定；pH采用梅特勒S210 pH計法；CODCr采用重鉻酸鉀法；CODMn采用高錳酸鉀法；BOD5采用5日培養(yǎng)法；氟采用離子色譜法(賽默飛DIONEX Aquion)；六價鉻采用二苯碳酰二肼分光光度法(島津UV-1900)；銅、鋅、鎘、鉛、砷、硒與Hg等采用ICP-MS法(賽默飛iCAP-RQ)。

1.3 水質(zhì)評價方法

水質(zhì)評價方法采用單因子污染指數(shù)與綜合污染指數(shù)法。評價標(biāo)準(zhǔn)選取《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(針對國家級自然保護(hù)區(qū)水質(zhì)，以下簡稱Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn))。

1.3.1 單因子污染指數(shù)法 單因子污染指數(shù)法是目前應(yīng)用較多的一種水質(zhì)評價方法，取某評價因子的監(jiān)測結(jié)果與該因子的標(biāo)準(zhǔn)值相比較。其計算方法為：

Pi=Ci/Csi

(1)

式(1)中，Pi為指標(biāo)i的污染指數(shù)，Ci為指標(biāo)i的實測濃度，Csi為指標(biāo)i的評價標(biāo)準(zhǔn)值(本文為Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值)。pH比較特殊，其指數(shù)計算方法為：

PpH=(7.0-pH)/(7.0-pHsd) (pH≤7.0)

(2)

ppH=(pH-7.0)/(pHsu-7.0) (pH>7.0)

(3)

式(2)與式(3)中，PpH為pH污染指數(shù)，pH為實測值，pHsd為評價標(biāo)準(zhǔn)中pH區(qū)間下限，pHsu為評價標(biāo)準(zhǔn)中pH區(qū)間上限。

若Pi≤1，說明該指標(biāo)符合相應(yīng)水質(zhì)功能要求，反之則不然；某指標(biāo)Pi越大，說明樣品中該指標(biāo)污染程度越高。

1.3.2 綜合污染指數(shù)法 綜合污染指數(shù)法是對所有指標(biāo)單因子污染指數(shù)取均值，由于綜合污染指數(shù)包含了所有指標(biāo)的信息，可以反映水質(zhì)總體水平。參照綜合指數(shù)評級標(biāo)準(zhǔn)(表2)確定水質(zhì)級別。其計算方法為：

表2 單因子污染指數(shù)及綜合污染指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)[7]Tab.2 Standards for single factor pollution index and comprehensive pollution index evaluation

(4)

式(4)中，S為水質(zhì)綜合污染指數(shù)，Pi指標(biāo)i的污染指數(shù)，Ki為指標(biāo)i的污染分擔(dān)率。

2 結(jié)果與討論

2.1 太白山自然保護(hù)區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀

將冰凍期與解凍期兩次監(jiān)測結(jié)果取平均值，結(jié)果見表3。由表可知，太白山自然保護(hù)區(qū)(以下簡稱保護(hù)區(qū))湖泊水溫較低，水體中六價鉻低于儀器檢測限，盡管監(jiān)測到氟、硒、銅、鋅、鉛、鎘與砷等物質(zhì)的存在，但其含量均低于Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，一方面與保護(hù)區(qū)湖泊海拔高，距離工業(yè)源較遠(yuǎn)，未遭受工業(yè)生產(chǎn)污染有關(guān)，另一方面也與當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)環(huán)境中這類物質(zhì)含量較低有關(guān)[8]。CODCr、CODMn及BOD5主要與水體中有機(jī)物含量水平有關(guān)，4個湖泊CODCr、CODMn及BOD5也均低于Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，說明湖泊水體中有機(jī)物含量較少，而BOD5/CODCr為0.44>0.3，表明CODCr的可生化性較強(qiáng)，屬于生物易降解型有機(jī)物，主要來源于水體中微生物代謝或湖邊草甸土土壤有機(jī)質(zhì)徑流。

表3顯示，湖泊氨氮、總磷與總氮均超出Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，單因子污染指數(shù)Pi均值分別為1.040、2.000與3.585。對照表2，發(fā)現(xiàn)總磷為輕度污染水平，而總氮達(dá)到較重污染水平。一般來說，在遠(yuǎn)離人類生活區(qū)的自然保護(hù)區(qū)，氨氮、總磷與總氮可能來源于野生動物活動、周邊土壤有機(jī)物降解、大氣沉降或旅游人群的污染物排放。太白山自然保護(hù)區(qū)湖泊位于山頂，氣溫較低，植被覆蓋率及土壤有機(jī)物含量較低，野生動物活動也較少，因此，來自旅游人群活動影響可能性較大。另一方面，保護(hù)區(qū)降水中含有較高濃度的銨態(tài)氮與硝態(tài)氮，王少安等[8](2015)與盧愛剛等[9](2017)研究發(fā)現(xiàn)太白山降水中氨氮濃度高達(dá)0.234～7.054 mg/L，無機(jī)氮濃度高達(dá)0.256～12.046 mg/L，而本研究在距湖泊不遠(yuǎn)的蒿坪保護(hù)站收集到的降水中氨氮與無機(jī)氮濃度分別為0.422～0.525 mg/L與0.596～0.738 mg/L，作為湖泊水體的唯一補(bǔ)充水源，降水提高了湖泊水體氨氮與總氮背景值，成為水質(zhì)超標(biāo)的重要原因之一。相比之下，保護(hù)區(qū)降水中總磷含量極低，低于0.001 mg/L。說明湖泊總磷超標(biāo)主要受旅游人群活動影響，而來氨氮與總氮則是由旅游人群活動與降雨共同影響的結(jié)果。對比杜俊平等研究結(jié)果[6]，除鎘略有上升外，其他指標(biāo)包括鋅、銅、砷、汞、pH與CODCr等單因子指數(shù)均有所降低，其中是PCOD下降幅度最為明顯，由0.92～1.30降至0.274～0.345，下降幅度可達(dá)71.3%。對于太白山自然保護(hù)區(qū)湖泊來說，降水及人類活動是CODCr的主要來源，湖泊CODCr含量的下降與近年來周邊地區(qū)大氣環(huán)境改善及保護(hù)區(qū)管理局加強(qiáng)游客行為規(guī)范有關(guān)。

表3 太白山自然保護(hù)區(qū)湖泊水質(zhì)現(xiàn)狀Tab.3 Status of water quality in the lake of Taibaishan nature reserve

表3也顯示湖泊水體汞超標(biāo)，P汞為1.170。一方面可能與地質(zhì)因素有關(guān)[10]，另一方面也是周邊地區(qū)嚴(yán)重的大氣污染影響的結(jié)果。不同于其他重金屬元素，汞易揮發(fā)進(jìn)入大氣，而燃煤、垃圾焚燒、氯堿生產(chǎn)、金屬冶煉等生產(chǎn)活動會將大量的汞帶入大氣中[11-12]，而含汞的污染大氣隨氣流運動到達(dá)保護(hù)區(qū)，通過降水進(jìn)入湖泊。在蒿坪保護(hù)站雨水樣品中監(jiān)測到汞的濃度為0.033～0.039 μg/L，接近于Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，說明降雨是湖泊水體汞的重要來源之一。相比2006年，P汞下降了35%，可能是由于近年來大氣環(huán)境改善的結(jié)果。

總體而言，保護(hù)區(qū)湖泊氨氮、總氮、總磷與汞超出我國地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，該4項指標(biāo)污染分擔(dān)率均接近或大于10%，累計達(dá)73.3%，是湖泊的主要污染風(fēng)險指標(biāo)，其中總氮最高，達(dá)33.7%。但圖2顯示，4個湖泊綜合污染指數(shù)均小于1.0，均值為0.659，仍屬于清潔水體。

圖2 保護(hù)區(qū)湖泊綜合污染指數(shù)Fig.2 Comprehensive pollution index of the lakes in Taibaishan nature reserve

2.2 太白山自然保護(hù)區(qū)不同湖泊水質(zhì)差異

比較4個湖泊單項指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，氟、硒、銅、鋅、鉛、鎘與砷含量存在一定差異，但均未超出Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)；水溫為玉皇池>二爺海>三爺海>大爺海；pH為大爺海>玉皇池>二爺海>三爺海；CODCr含量為三爺海>玉皇池>大爺海>二爺海，但差異均未達(dá)到顯著水平；所有湖泊pH、CODCr、CODMn與BOD5均未超出Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)。氨氮含量為二爺海>大爺海>玉皇池>三爺海，但差異未達(dá)顯著水平，其中前兩者超標(biāo)，但P氨氮均小于2.0，尚屬清潔水體；總氮含量為二爺海>大爺海>三爺海>玉皇池，差異也均未達(dá)顯著水平，但4個湖泊P總氮均大于2.0，均達(dá)到輕度污染水平，除玉皇池外，其他3個湖泊總氮P總氮>3.0，達(dá)到重度污染水平；總磷含量為大爺海>三爺海>二爺海>玉皇池，除玉皇池外，其他均超標(biāo)，其中大爺海P總磷為4.5，屬于重度污染。由于大爺海P總磷與P總氮高，使得大爺海綜合污染指數(shù)S遠(yuǎn)高于其他3個湖泊，可能與大爺海景色較其他3個湖泊優(yōu)美，游客逗留時間較長，對水質(zhì)影響較大有關(guān)，但其綜合污染指數(shù)S小于1，仍屬于清潔水體。

2.3 太白山自然保護(hù)區(qū)湖泊不同時期水質(zhì)差異

由表4可知，不同時期太白山自然保護(hù)區(qū)湖泊水體各單因子指數(shù)存在差異。冰凍期與解凍期硒、銅、鋅、鉛、鎘與砷污染指數(shù)均小于1，氟污染指數(shù)也均小于1，但冰凍期含量遠(yuǎn)高于解凍期；兩次結(jié)果CODCr、CODMn與BOD5污染指數(shù)差異不大，均小于1；冰凍期氨氮污染指數(shù)較小，除二爺海外，其他均小于1，而解凍期氨氮較高，4個湖泊均大于1，P氨氮均值為冰凍期P氨氮的1.73倍；所有湖泊兩個時期總氮污染指數(shù)均大于1，但與氨氮相似，冰凍期總氮也較解凍期低，解凍期平均P總氮為冰凍期P總氮的2.34倍；與氨氮與總氮不同，總磷在冰凍期含量較高，冰凍期P總磷均值為解凍期的1.79倍，可能是由于大爺海監(jiān)測值異常高，P總磷高達(dá)8.0，而其他三個湖泊均未超標(biāo)所致。冰凍期湖面冰封，湖水流動弱，使得污染物不易擴(kuò)散，其中1個采樣點剛好為磷污染區(qū)域，直接引起了總磷檢測值的升高(冰凍期大爺?？偭讬z測值變異系數(shù)高達(dá)153%)，其他3個湖解凍期總磷均高于冰凍期。由此可知，在排除異常監(jiān)測點的情況下，太白山自然保護(hù)區(qū)解凍期氨氮、總氮與總磷污染較冰凍期為嚴(yán)重，氨氮、總氮與總磷污染與人類活動有關(guān)，保護(hù)區(qū)解凍期游客遠(yuǎn)較冰凍期多，是差異形成的主要原因。

表4 太白山自然保護(hù)區(qū)湖泊不同時期單因子指數(shù)Tab.4 Status of water quality in the lake of Taibaishan nature reserve during freezing period

此外，值得關(guān)注的是兩次監(jiān)測pH存在較大差異，解凍期4個湖泊pH均大于7.7，除二爺海外，其他3個湖泊pH均大于8.0；而冰凍期4個湖泊pH均小于7.3，除大爺海，其他3個湖泊pH均小于7.0，這主要是由于溫度不同所致。在解凍期，湖泊水溫相對較高，大氣中二氧化碳溶解度較低(所有氣體在水體中的溶解度與溫度呈負(fù)相關(guān))，另一方面，水體中的藻類微生物通過光合作用吸收水體中的二氧化碳，使得水體中的二氧化碳濃度進(jìn)一步下降；而在冰凍期，湖水溫度較低，二氧化碳溶解度較高，另一方面，由于湖面冰封，湖水接收太陽光線弱，水體中的藻類微生物光合作用較弱，呼吸作用反而較強(qiáng)，使得水體中的二氧化碳濃度進(jìn)一步升高。二氧化碳溶解在水體中會形成碳酸，使得水體pH下降。監(jiān)測結(jié)果顯示，保護(hù)區(qū)湖泊解凍期與冰凍期游離二氧化碳含量分別為0.91±1.58 mg/kg與5.28±5.67mg/kg，冰凍期含量為解凍期的5.8倍。

圖3顯示，4個湖泊冰凍期水溫均明顯低于解凍期，冰凍期與解凍期均值分別為2.9℃與6.6℃。不同時期水溫的高低以及湖面浮冰的存在會對水質(zhì)產(chǎn)生影響，由圖4可知，4個湖泊冰凍期平均綜合污染指數(shù)為0.579，低于解凍期的0.753，說明冰凍期湖泊水質(zhì)優(yōu)于解凍期。二爺海、三爺海與玉皇池冰凍期綜合污染指數(shù)均低于解凍期，而大爺海則由于冰凍期1個樣點出現(xiàn)磷污染，使其冰凍期磷污染指數(shù)為解凍期的8倍，由于磷污染指數(shù)在綜合污染指數(shù)占比較高，導(dǎo)致其冰凍期綜合污染指數(shù)高于解凍期。

圖3 不同時期保護(hù)區(qū)湖泊水溫Fig.3 The water temperature of the lakes in Taibaishan nature reserve at different periods

圖4 不同時期保護(hù)區(qū)湖泊綜合污染指數(shù)Fig.4 Comprehensive pollution index of the lakes in Taibaishan nature reserve during different periods

3 結(jié) 論

對太白山自然保護(hù)區(qū)4個山頂湖泊水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明，六價鉻、氰化物、硫化物、揮發(fā)酚、石油類與陽離子表面活性劑均未檢出；氟、硒、銅、鋅、鉛、鎘與砷等元素均被檢出，但含量均低于我國地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)；CODCr、CODMn及BOD5也均低于Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)；氨氮、總磷、總氮與汞含量存在超標(biāo)問題，該4項指標(biāo)污染分擔(dān)率均接近或大于10%，累計達(dá)73.3%，其中總氮最高，達(dá)33.7%。

保護(hù)區(qū)4個湖泊綜合污染指數(shù)排序為大爺海(0.833)>二爺海(0.641)>三爺海(0.611)>玉皇池(0.549)。冰凍期湖泊水質(zhì)優(yōu)于解凍期，除大爺海外，其他3個湖泊冰凍期綜合污染指數(shù)均低于解凍期，4個湖泊冰凍期平均綜合污染指數(shù)為0.579，低于解凍期0.753。相比2006年，CODCr有了明顯下降，湖泊水質(zhì)有所改善，但依然存在污染風(fēng)險，需要繼續(xù)加強(qiáng)管理。