五大連池火山堰塞湖水體中重金屬的分布特征

張 超，曾 穎，方振興，吳 婧，王希英，謝振華

(黑龍江省科學院自然與生態(tài)研究所，哈爾濱 150040)

0 引 言

重金屬是指密度在4.0以上的約60種元素或密度在5.0以上的約45種元素，其在自然界中廣泛存在。重金屬元素可以形成難溶的氧化物和硫化物，并在一定條件下與有機和無機顆粒結合成穩(wěn)定的絡合物[1-2]。 重金屬通常是以天然濃度在自然界中廣泛分布。環(huán)境介質中的重金屬會通過地表徑流、雨水沖刷、大氣沉降等途徑進入到自然界中，對生態(tài)系統(tǒng)和人類生活造成嚴重危害[3-5]，天然水體是受重金屬污染的主要生態(tài)系統(tǒng)之一。水環(huán)境中的重金屬按形態(tài)一般可以分為溶解態(tài)、顆粒態(tài)及沉積態(tài)3種類型，幾乎所有的海洋、河流、湖泊都遭受了不同程度的污染[6]。鑒于重金屬具有污染范圍廣、產(chǎn)生毒性效應濃度范圍低、毒性潛伏期長和不易被生物降解等特點，世界各國均把重金屬列為水質監(jiān)測和評價的重要指標[7]。

1 研究區(qū)概況

五大連池風景名勝區(qū)位于黑龍江省北部，作為中國最典型和最完整的近代火山噴發(fā)遺跡已先后獲得“世界地質公園”“世界生物圈保護區(qū)”“中國礦泉城”等稱號。五大連池天然冷礦泉水享有“神泉”“圣水”的美譽，與法國維希、俄羅斯北高加索礦泉水齊名，對人類的康復療養(yǎng)具有神奇的功效。

五大連池區(qū)內(nèi)河流發(fā)育不良，無大河流，水量較小，主要河流有石龍河、張通世溝、藥泉河。區(qū)內(nèi)由火山熔巖流堵塞河道形成了8個較大的堰塞湖，分別為頭池、二池、三池、四池、五池、藥泉湖、南北月牙泡。五大連池由5個相連的火山堰塞湖組成，頭池到五池自南向北池池相連，總長5 250 m，總蓄水量約1.57億m3。藥泉湖位于藥泉山東北1.3 km處，南北長900 m，東西寬300 m，水面面積0.12 km2，平均水深5 m，是新期火山噴發(fā)形成的火山堰塞湖。湖底有多處碳酸氣泉眼并有暗河流動，再加上二龍眼礦泉水的注入，形成了世界罕見的礦泉湖，其不僅是藥泉山景區(qū)至關重要的生態(tài)景點，還地處藥泉山礦泉水帶的中心位置，是它重要的補給水源，水質狀況會對藥泉山礦泉水帶水質造成巨大的影響[8]。

2 材料與方法

采用GPS全球定位系統(tǒng)定點取樣，在五大連池6個火山堰塞湖(一池子、二池子、三池子、四池子、五池子和藥泉湖)采集29個水樣，用聚乙烯瓶于水面0.5 m處采集，標記為A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、C1、C2、C3、C4、C5、D1、D2、D3、D4、E1、E2、E3、E4、E5、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8。水樣采樣點信息如表1及圖1～2所示。

表1 五大連池火山堰塞湖水樣采樣信息表Tab.1 Water sample information sheet of volcanic Barrier Lake in Wudalianchi

圖1 一池子、二池子、三池子、四池子和五池子水樣采集位置圖Fig.1 Water sampling locations of Yichizi, Eerchizi, Sanchizi, Sichizi and Wuchizi

圖2 藥泉湖水樣采集位置圖Fig.2 Water sampling location of Yaoquan Lake

水樣帶回實驗室，按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》中的方法進行保存和前處理。采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜PerkinElmer 5300DV測定Cu、As、Zn、Ni、Pb、Cr、Hg、Cd的含量，數(shù)據(jù)處理及表格繪制采用Excel完成，采樣點圖采用Google Earth 軟件處理完成。

3 結果與討論

五大連池火山堰塞湖(一池子、二池子、三池子、四池子、五池子和藥泉湖)水體中重金屬含量統(tǒng)計如表2所示?；鹕窖呷鞑蓸狱c水體中8種重金屬元素的變異系數(shù)(CV)在33%～152%，反映了重金屬元素在五大連池火山堰塞湖水體的空間分布呈現(xiàn)不同程度的差異性。8種重金屬元素的變異系數(shù)由高到低的排列順序為：Cd>Zn>As> Hg>Cu>Cr>Pb>Ni。其中Cd的變異系數(shù)最大，表明在五大連池火山堰塞湖水體中，Cd的空間分布最不均勻，相對于其他重金屬元素離散程度較大。

表2 五大連池火山堰塞湖水體中重金屬含量 μg/LTab.2 Heavy metal contents in volcanic Barrier Lake in Wudalianchi μg/L

五大連池火山堰塞湖各池子(平均值)中重金屬的總含量分布如圖3所示，呈現(xiàn)藥泉湖>三池子>五池子>二池子>一池子>四池子的分布規(guī)律，藥泉湖在地理位置上具有獨立性，位于五大連池風景區(qū)的旅游人口及公配設施最集中的地區(qū)，導致其中重金屬的總含量最高。其他五個相連接的堰塞湖水體中重金屬的總含量與湖面積呈正比，即湖面積越大，水體中重金屬的總含量也越大。

6個堰塞湖各采樣點水體中，Cu含量均低于地表水環(huán)境質量Ⅰ類中Cu的含量。Cu在各堰塞湖(平均值)水體中的分布順序為：藥泉湖>三池子>二池子>五池子>一池子>四池子。由于藥泉湖和三池子周邊的娛樂設施、旅游人口、單位、工廠、飯店等比較集中，也體現(xiàn)出人為活動與湖水中Cu的含量有著比較大的聯(lián)系。Cu含量與水流走向沒有顯著關系。Cu含量最少的一池子和四池子的水域面積也是最小的，可能是因為這兩個池子周邊攜帶Cu的污染物進入湖中的渠道最少。

6個堰塞湖各采樣點水體中，As含量均低于地表水環(huán)境質量Ⅰ類，其中Y3采樣點超出潔凈河流中As標準的1.03倍，其余各采樣點均低于潔凈河流中As的標準。As在各堰塞湖(平均值)水體中的分布順序為：藥泉湖>五池子>四池子>三池子>二池子>一池子。各堰塞湖采樣點水體中As的含量分布有一定的起伏，但同一個池子不同采樣點中As的含量比較平均。藥泉湖中As的含量比較高，可能與其周邊是人口最集中的旅游區(qū)，與生產(chǎn)生活產(chǎn)生的廢水、機動車廢氣和生活垃圾有關。其他五個池子中，As的含量與湖泊中水流的走向呈負相關，即沿著石龍河的發(fā)源地由北向南經(jīng)五池、四池、三池、二池、頭池As的含量依次遞減。

6個堰塞湖各采樣點水體中，Zn含量均低于地表水環(huán)境質量Ⅰ類中Zn的含量。Zn在各堰塞湖(平均值)水體中的分布順序為：三池子>藥泉湖>五池子>二池子>一池子>四池子。Zn在各堰塞湖水體中的分布起伏非常大。含量最高的三池子、藥泉湖和五池子均為湖面積較大且旅游人口較為集中的地區(qū)，周邊的農(nóng)田面積較大，旅游船只較多，因此通過農(nóng)田、旅游及生產(chǎn)生活進入湖泊的帶有Zn的污染途徑較多。

6個堰塞湖各采樣點水體中，Ni含量均低于地表水環(huán)境質量Ⅰ類中Ni的含量。Ni在各堰塞湖(平均值)水體中的分布順序為：三池子>五池子>四池子>藥泉湖>二池子>一池子。Ni在各堰塞湖水體中的分布起伏較小，同一個池子不同采樣點中Ni的含量比較平均，只有三池子有較大區(qū)別。三池子含量最高的兩個采樣點C1和C5均位于三池子右側的東溝子。

6個堰塞湖各采樣點水體中，Pb含量均低于地表水環(huán)境質量Ⅰ類及潔凈河流中Pb的含量。Pb在各堰塞湖(平均值)水體中的分布順序為：藥泉湖>三池子>五池子>一池子>二池子>四池子。Pb在各堰塞湖水體中的分布起伏較大。Pb含量較高的藥泉湖、三池子和五池子都是旅游人口最多的地方，周邊企業(yè)供熱、生產(chǎn)燒煤及燃燒含鉛汽油產(chǎn)生的含Pb尾氣沉降及生產(chǎn)和生活污水的排放也是導致其中Pb含量較高的原因。

6個堰塞湖各采樣點水體中，Cr含量均低于地表水環(huán)境質量Ⅰ類及潔凈河流中Cr的含量。Cr在各堰塞湖(平均值)水體中的分布順序為：藥泉湖>三池子>五池子>四池子>一池子>二池子。Cr在各堰塞湖水體中的分布起伏不大，同一個池子不同采樣點中Cr的含量比較平均，只有三池子兩個采樣點有較大區(qū)別，要謹防該處含Cr點源污染的排放。

6個堰塞湖一池子、二池子、三池子和四池子的各采樣點水體中，Hg的含量均超過地表水環(huán)境質量Ⅰ類中Hg的含量標準。五池子和藥泉湖的各采樣點水體中，Hg含量均低于地表水環(huán)境質量Ⅰ類中Hg的含量標準。Hg在各堰塞湖(平均值)水體中的分布順序為：一池子>二池子>三池子>四池子>五池子>藥泉湖。Hg在各堰塞湖水體中的分布有些起伏，同一個池子不同采樣點水體中Hg的含量比較平均，只有一池子和二池子有較大區(qū)別。除了藥泉湖外，其他的五個池子水體中，Hg的含量與湖泊中水流的走向呈正相關，即沿著石龍河的發(fā)源地由北向南經(jīng)五池、四池、三池、二池、頭池As的含量依次遞增，含量最高的A1位于一池子的最下游，體現(xiàn)出隨著湖水的流動上游湖水中的Hg含量對下游的影響。

6個堰塞湖各采樣點水體中，Cd含量均低于地表水環(huán)境質量Ⅰ類及潔凈河流中Cd的含量。Cd在各堰塞湖(平均值)水體中的分布順序為：藥泉湖>一池子>三池子>四池子=五池子=二池子。Cd在各堰塞湖水體中的分布有些起伏，其中藥泉湖中Cd的含量均較高，超過其他堰塞湖的數(shù)倍。由于Cd的毒性更大，必須警惕藥泉湖附近相關行業(yè)及生活垃圾所攜帶的Cd匯入藥泉湖。

與國內(nèi)外其他河流湖泊中重金屬含量對比[9]，除了As的含量處于中等偏上水平，其他重金屬元素含量均處于中等偏低水平，說明五大連池火山堰塞湖水體中重金屬含量整體處于較低水平，一方面是因為五大連池火山堰塞湖水體受工業(yè)和其他經(jīng)濟活動的干擾較弱，另一方面是因為部分重金屬隨著湖水走向匯入石龍河，部分則沉降到沉積物中。

4 結論

重金屬在五大連池火山堰塞湖各池子水體空間上的分布呈現(xiàn)不同程度的差異性，其中Cd的空間分布最不均勻。

五大連池火山堰塞湖各池子水體中重金屬的總含量呈現(xiàn)藥泉湖>三池子>五池子>二池子>一池子>四池子的分布規(guī)律，與旅游人口、公配設施分布及湖面積大小正相關。

各元素的平均含量在各池子的分布也存在一定的差異性。其中，藥泉湖的一個采樣點超出潔凈河流中As的標準的1.03倍，一池子、二池子、三池子和四池子中各采樣點均超過地表水環(huán)境質量Ⅰ類中Hg的含量標準，這兩種重金屬元素有待進一步治理。其余采樣點所有重金屬元素均小于潔凈河流中溶解態(tài)重金屬的含量及地表水環(huán)境質量Ⅰ類標準。

與國內(nèi)外其他河流湖泊中重金屬含量相比，除了As的含量處于中等偏上水平，其他重金屬元素含量均處于中等偏低水平，說明五大連池火山堰塞湖水體中重金屬含量整體處于較低水平。