何晓光，李喜梅，高鹏程，张文浩

(1. 陕西太白山国家级自然保护区管理局，陕西 宝鸡 722300；2. 西北农林科技大学资源环境学院, 陕西 杨凌 712100)

前 言

湖泊是陆地生态系统的重要组成部分[1]，是淡水资源的重要储存器[2]。我国湖泊众多，分布广泛，然而，随着经济的高速发展，湖泊资源受到不同程度的破坏，对生态系统的稳定性产生了严重影响。湖泊水体更新速率较慢，自净能力较差，一旦遭受污染很难恢复，治理难度大[3-4]。

太白山地处秦岭山脉的中段，是我国青藏高原以东大陆东部的最高峰，也是我国的旅游名山之一[5]。太白山海拔3000 m以上的石质高山区，分布着大爷海、二爷海、三爷海、玉皇池等一系列高山湖泊。不同于一般湖泊，太白山山顶湖泊远离人类生活区，降水是湖泊的唯一补充水源，又属于国家自然保护区，一般认为，太白山山顶湖泊为清洁无污染水体。然而，由于太白山接壤关中地区，而该地区是我国大气污染最为严重的地区之一，大气污染物会通过降水进入湖水；另一方面，太白山接纳越来越多的游客，无疑给山顶湖泊带来越来越严重的环境负荷。但截止目前，鲜有关于太白山山顶湖泊水质的研究报道，公开的资料仅来自杜俊平等[6]研究，但该资料忽略了总氮、总磷等一些反映湖泊水质的关键性指标，此外，报道的是10多年前(2006年)状况，无法代表保护区湖泊水质现状。

尽管体量较小，太白山山顶湖泊为保护区河流源头，是周边市区包括西安、咸阳、宝鸡及汉中人民生活与生产重要的水源地，其水质状况与人民身体健康密切相关。由于山顶气温较低，湖泊每年约一半时间处于冰封状态，为此，本文分别在冰冻期与解冻期两个阶段对太白山自然保护区4个湖泊17项常规指标进行监测，全面了解太白山山顶湖泊水质现状，为太白山自然保护区水体生态安全的保持提供相应的理论支持。

1 材料与方法

1.1 样品采集

本研究分别对太白山大爷海、二爷海、三爷海和玉皇池等4个湖泊进行取样测定，不同湖泊基本信息如表1所示，每个湖泊设置了3个采样点(图1)。在湖面以下0.3 m位置进行采集，用洁净的塑料瓶盛放样品，4℃保温箱冷藏，带回实验室分析。

图1 太白山自然保护区山顶湖泊示意图Fig.1 Sketch map for the lakes at the top of Taibaishan nature reserve

保护区山顶湖泊每年约一半时间为冰封，冰冻期为10月中旬至来年4年底，其他时间为解冻期，故分别在冰冻期与解冻期采集湖泊水样，采样时间分别为2018年10月24日与2019年6月7日，每个采样点采集3个平行样品，其均值为该样点最终结果。

表1为太白山自然保护区湖泊基本情况表。由表可知，4个湖泊海拔均在3300 m以上，湖体面积较小，周边植被为典型高山草甸及灌木。

表1 太白山自然保护区湖泊基本情况表[3]Tab.1 Basic information of the lakes in the Taibaishan nature reserve

1.2 样品分析

分别对湖泊水体水温、pH值、CODMn、CODCr、BOD5、氨氮、总氮、总磷、氟、硒、铜、锌、铅、镉、砷、汞、六价铬等17项指标进行检测。水温采用Oxi3210测定仪现场测定；pH采用梅特勒S210 pH计法；CODCr采用重铬酸钾法；CODMn采用高锰酸钾法；BOD5采用5日培养法；氟采用离子色谱法(赛默飞DIONEX Aquion)；六价铬采用二苯碳酰二肼分光光度法(岛津UV-1900)；铜、锌、镉、铅、砷、硒与Hg等采用ICP-MS法(赛默飞iCAP-RQ)。

1.3 水质评价方法

水质评价方法采用单因子污染指数与综合污染指数法。评价标准选取《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅰ类水质标准(针对国家级自然保护区水质，以下简称Ⅰ类标准)。

1.3.1 单因子污染指数法 单因子污染指数法是目前应用较多的一种水质评价方法，取某评价因子的监测结果与该因子的标准值相比较。其计算方法为：

Pi=Ci/Csi

(1)

式(1)中，Pi为指标i的污染指数，Ci为指标i的实测浓度，Csi为指标i的评价标准值(本文为Ⅰ类水质标准值)。pH比较特殊，其指数计算方法为：

PpH=(7.0-pH)/(7.0-pHsd) (pH≤7.0)

(2)

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

(3)

式(2)与式(3)中，PpH为pH污染指数，pH为实测值，pHsd为评价标准中pH区间下限，pHsu为评价标准中pH区间上限。

若Pi≤1，说明该指标符合相应水质功能要求，反之则不然；某指标Pi越大，说明样品中该指标污染程度越高。

1.3.2 综合污染指数法 综合污染指数法是对所有指标单因子污染指数取均值，由于综合污染指数包含了所有指标的信息，可以反映水质总体水平。参照综合指数评级标准(表2)确定水质级别。其计算方法为：

表2 单因子污染指数及综合污染指数评价标准[7]Tab.2 Standards for single factor pollution index and comprehensive pollution index evaluation

(4)

式(4)中，S为水质综合污染指数，Pi指标i的污染指数，Ki为指标i的污染分担率。

2 结果与讨论

2.1 太白山自然保护区水质现状

将冰冻期与解冻期两次监测结果取平均值，结果见表3。由表可知，太白山自然保护区(以下简称保护区)湖泊水温较低，水体中六价铬低于仪器检测限，尽管监测到氟、硒、铜、锌、铅、镉与砷等物质的存在，但其含量均低于Ⅰ类标准，一方面与保护区湖泊海拔高，距离工业源较远，未遭受工业生产污染有关，另一方面也与当地地质环境中这类物质含量较低有关[8]。CODCr、CODMn及BOD5主要与水体中有机物含量水平有关，4个湖泊CODCr、CODMn及BOD5也均低于Ⅰ类标准，说明湖泊水体中有机物含量较少，而BOD5/CODCr为0.44>0.3，表明CODCr的可生化性较强，属于生物易降解型有机物，主要来源于水体中微生物代谢或湖边草甸土土壤有机质径流。

表3显示，湖泊氨氮、总磷与总氮均超出Ⅰ类标准，单因子污染指数Pi均值分别为1.040、2.000与3.585。对照表2，发现总磷为轻度污染水平，而总氮达到较重污染水平。一般来说，在远离人类生活区的自然保护区，氨氮、总磷与总氮可能来源于野生动物活动、周边土壤有机物降解、大气沉降或旅游人群的污染物排放。太白山自然保护区湖泊位于山顶，气温较低，植被覆盖率及土壤有机物含量较低，野生动物活动也较少，因此，来自旅游人群活动影响可能性较大。另一方面，保护区降水中含有较高浓度的铵态氮与硝态氮，王少安等[8](2015)与卢爱刚等[9](2017)研究发现太白山降水中氨氮浓度高达0.234～7.054 mg/L，无机氮浓度高达0.256～12.046 mg/L，而本研究在距湖泊不远的蒿坪保护站收集到的降水中氨氮与无机氮浓度分别为0.422～0.525 mg/L与0.596～0.738 mg/L，作为湖泊水体的唯一补充水源，降水提高了湖泊水体氨氮与总氮背景值，成为水质超标的重要原因之一。相比之下，保护区降水中总磷含量极低，低于0.001 mg/L。说明湖泊总磷超标主要受旅游人群活动影响，而来氨氮与总氮则是由旅游人群活动与降雨共同影响的结果。对比杜俊平等研究结果[6]，除镉略有上升外，其他指标包括锌、铜、砷、汞、pH与CODCr等单因子指数均有所降低，其中是PCOD下降幅度最为明显，由0.92～1.30降至0.274～0.345，下降幅度可达71.3%。对于太白山自然保护区湖泊来说，降水及人类活动是CODCr的主要来源，湖泊CODCr含量的下降与近年来周边地区大气环境改善及保护区管理局加强游客行为规范有关。

表3 太白山自然保护区湖泊水质现状Tab.3 Status of water quality in the lake of Taibaishan nature reserve

表3也显示湖泊水体汞超标，P汞为1.170。一方面可能与地质因素有关[10]，另一方面也是周边地区严重的大气污染影响的结果。不同于其他重金属元素，汞易挥发进入大气，而燃煤、垃圾焚烧、氯碱生产、金属冶炼等生产活动会将大量的汞带入大气中[11-12]，而含汞的污染大气随气流运动到达保护区，通过降水进入湖泊。在蒿坪保护站雨水样品中监测到汞的浓度为0.033～0.039 μg/L，接近于Ⅰ类标准，说明降雨是湖泊水体汞的重要来源之一。相比2006年，P汞下降了35%，可能是由于近年来大气环境改善的结果。

总体而言，保护区湖泊氨氮、总氮、总磷与汞超出我国地表水环境质量Ⅰ类标准，该4项指标污染分担率均接近或大于10%，累计达73.3%，是湖泊的主要污染风险指标，其中总氮最高，达33.7%。但图2显示，4个湖泊综合污染指数均小于1.0，均值为0.659，仍属于清洁水体。

图2 保护区湖泊综合污染指数Fig.2 Comprehensive pollution index of the lakes in Taibaishan nature reserve

2.2 太白山自然保护区不同湖泊水质差异

比较4个湖泊单项指标发现，氟、硒、铜、锌、铅、镉与砷含量存在一定差异，但均未超出Ⅰ类标准；水温为玉皇池>二爷海>三爷海>大爷海；pH为大爷海>玉皇池>二爷海>三爷海；CODCr含量为三爷海>玉皇池>大爷海>二爷海，但差异均未达到显著水平；所有湖泊pH、CODCr、CODMn与BOD5均未超出Ⅰ类标准。氨氮含量为二爷海>大爷海>玉皇池>三爷海，但差异未达显著水平，其中前两者超标，但P氨氮均小于2.0，尚属清洁水体；总氮含量为二爷海>大爷海>三爷海>玉皇池，差异也均未达显著水平，但4个湖泊P总氮均大于2.0，均达到轻度污染水平，除玉皇池外，其他3个湖泊总氮P总氮>3.0，达到重度污染水平；总磷含量为大爷海>三爷海>二爷海>玉皇池，除玉皇池外，其他均超标，其中大爷海P总磷为4.5，属于重度污染。由于大爷海P总磷与P总氮高，使得大爷海综合污染指数S远高于其他3个湖泊，可能与大爷海景色较其他3个湖泊优美，游客逗留时间较长，对水质影响较大有关，但其综合污染指数S小于1，仍属于清洁水体。

2.3 太白山自然保护区湖泊不同时期水质差异

由表4可知，不同时期太白山自然保护区湖泊水体各单因子指数存在差异。冰冻期与解冻期硒、铜、锌、铅、镉与砷污染指数均小于1，氟污染指数也均小于1，但冰冻期含量远高于解冻期；两次结果CODCr、CODMn与BOD5污染指数差异不大，均小于1；冰冻期氨氮污染指数较小，除二爷海外，其他均小于1，而解冻期氨氮较高，4个湖泊均大于1，P氨氮均值为冰冻期P氨氮的1.73倍；所有湖泊两个时期总氮污染指数均大于1，但与氨氮相似，冰冻期总氮也较解冻期低，解冻期平均P总氮为冰冻期P总氮的2.34倍；与氨氮与总氮不同，总磷在冰冻期含量较高，冰冻期P总磷均值为解冻期的1.79倍，可能是由于大爷海监测值异常高，P总磷高达8.0，而其他三个湖泊均未超标所致。冰冻期湖面冰封，湖水流动弱，使得污染物不易扩散，其中1个采样点刚好为磷污染区域，直接引起了总磷检测值的升高(冰冻期大爷海总磷检测值变异系数高达153%)，其他3个湖解冻期总磷均高于冰冻期。由此可知，在排除异常监测点的情况下，太白山自然保护区解冻期氨氮、总氮与总磷污染较冰冻期为严重，氨氮、总氮与总磷污染与人类活动有关，保护区解冻期游客远较冰冻期多，是差异形成的主要原因。

表4 太白山自然保护区湖泊不同时期单因子指数Tab.4 Status of water quality in the lake of Taibaishan nature reserve during freezing period

此外，值得关注的是两次监测pH存在较大差异，解冻期4个湖泊pH均大于7.7，除二爷海外，其他3个湖泊pH均大于8.0；而冰冻期4个湖泊pH均小于7.3，除大爷海，其他3个湖泊pH均小于7.0，这主要是由于温度不同所致。在解冻期，湖泊水温相对较高，大气中二氧化碳溶解度较低(所有气体在水体中的溶解度与温度呈负相关)，另一方面，水体中的藻类微生物通过光合作用吸收水体中的二氧化碳，使得水体中的二氧化碳浓度进一步下降；而在冰冻期，湖水温度较低，二氧化碳溶解度较高，另一方面，由于湖面冰封，湖水接收太阳光线弱，水体中的藻类微生物光合作用较弱，呼吸作用反而较强，使得水体中的二氧化碳浓度进一步升高。二氧化碳溶解在水体中会形成碳酸，使得水体pH下降。监测结果显示，保护区湖泊解冻期与冰冻期游离二氧化碳含量分别为0.91±1.58 mg/kg与5.28±5.67mg/kg，冰冻期含量为解冻期的5.8倍。

图3显示，4个湖泊冰冻期水温均明显低于解冻期，冰冻期与解冻期均值分别为2.9℃与6.6℃。不同时期水温的高低以及湖面浮冰的存在会对水质产生影响，由图4可知，4个湖泊冰冻期平均综合污染指数为0.579，低于解冻期的0.753，说明冰冻期湖泊水质优于解冻期。二爷海、三爷海与玉皇池冰冻期综合污染指数均低于解冻期，而大爷海则由于冰冻期1个样点出现磷污染，使其冰冻期磷污染指数为解冻期的8倍，由于磷污染指数在综合污染指数占比较高，导致其冰冻期综合污染指数高于解冻期。

图3 不同时期保护区湖泊水温Fig.3 The water temperature of the lakes in Taibaishan nature reserve at different periods

图4 不同时期保护区湖泊综合污染指数Fig.4 Comprehensive pollution index of the lakes in Taibaishan nature reserve during different periods

3 结 论

对太白山自然保护区4个山顶湖泊水质监测结果表明，六价铬、氰化物、硫化物、挥发酚、石油类与阳离子表面活性剂均未检出；氟、硒、铜、锌、铅、镉与砷等元素均被检出，但含量均低于我国地表水环境质量Ⅰ类标准；CODCr、CODMn及BOD5也均低于Ⅰ类标准；氨氮、总磷、总氮与汞含量存在超标问题，该4项指标污染分担率均接近或大于10%，累计达73.3%，其中总氮最高，达33.7%。

保护区4个湖泊综合污染指数排序为大爷海(0.833)>二爷海(0.641)>三爷海(0.611)>玉皇池(0.549)。冰冻期湖泊水质优于解冻期，除大爷海外，其他3个湖泊冰冻期综合污染指数均低于解冻期，4个湖泊冰冻期平均综合污染指数为0.579，低于解冻期0.753。相比2006年，CODCr有了明显下降，湖泊水质有所改善，但依然存在污染风险，需要继续加强管理。