五大连池火山堰塞湖水体中重金属的分布特征

张 超，曾 颖，方振兴，吴 婧，王希英，谢振华

(黑龙江省科学院自然与生态研究所，哈尔滨 150040)

0 引 言

重金属是指密度在4.0以上的约60种元素或密度在5.0以上的约45种元素，其在自然界中广泛存在。重金属元素可以形成难溶的氧化物和硫化物，并在一定条件下与有机和无机颗粒结合成稳定的络合物[1-2]。 重金属通常是以天然浓度在自然界中广泛分布。环境介质中的重金属会通过地表径流、雨水冲刷、大气沉降等途径进入到自然界中，对生态系统和人类生活造成严重危害[3-5]，天然水体是受重金属污染的主要生态系统之一。水环境中的重金属按形态一般可以分为溶解态、颗粒态及沉积态3种类型，几乎所有的海洋、河流、湖泊都遭受了不同程度的污染[6]。鉴于重金属具有污染范围广、产生毒性效应浓度范围低、毒性潜伏期长和不易被生物降解等特点，世界各国均把重金属列为水质监测和评价的重要指标[7]。

1 研究区概况

五大连池风景名胜区位于黑龙江省北部，作为中国最典型和最完整的近代火山喷发遗迹已先后获得“世界地质公园”“世界生物圈保护区”“中国矿泉城”等称号。五大连池天然冷矿泉水享有“神泉”“圣水”的美誉，与法国维希、俄罗斯北高加索矿泉水齐名，对人类的康复疗养具有神奇的功效。

五大连池区内河流发育不良，无大河流，水量较小，主要河流有石龙河、张通世沟、药泉河。区内由火山熔岩流堵塞河道形成了8个较大的堰塞湖，分别为头池、二池、三池、四池、五池、药泉湖、南北月牙泡。五大连池由5个相连的火山堰塞湖组成，头池到五池自南向北池池相连，总长5 250 m，总蓄水量约1.57亿m3。药泉湖位于药泉山东北1.3 km处，南北长900 m，东西宽300 m，水面面积0.12 km2，平均水深5 m，是新期火山喷发形成的火山堰塞湖。湖底有多处碳酸气泉眼并有暗河流动，再加上二龙眼矿泉水的注入，形成了世界罕见的矿泉湖，其不仅是药泉山景区至关重要的生态景点，还地处药泉山矿泉水带的中心位置，是它重要的补给水源，水质状况会对药泉山矿泉水带水质造成巨大的影响[8]。

2 材料与方法

采用GPS全球定位系统定点取样，在五大连池6个火山堰塞湖(一池子、二池子、三池子、四池子、五池子和药泉湖)采集29个水样，用聚乙烯瓶于水面0.5 m处采集，标记为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。水样采样点信息如表1及图1～2所示。

表1 五大连池火山堰塞湖水样采样信息表Tab.1 Water sample information sheet of volcanic Barrier Lake in Wudalianchi

图1 一池子、二池子、三池子、四池子和五池子水样采集位置图Fig.1 Water sampling locations of Yichizi, Eerchizi, Sanchizi, Sichizi and Wuchizi

图2 药泉湖水样采集位置图Fig.2 Water sampling location of Yaoquan Lake

水样带回实验室，按照《水和废水监测分析方法》中的方法进行保存和前处理。采用电感耦合等离子体发射光谱PerkinElmer 5300DV测定Cu、As、Zn、Ni、Pb、Cr、Hg、Cd的含量，数据处理及表格绘制采用Excel完成，采样点图采用Google Earth 软件处理完成。

3 结果与讨论

五大连池火山堰塞湖(一池子、二池子、三池子、四池子、五池子和药泉湖)水体中重金属含量统计如表2所示。火山堰塞湖各采样点水体中8种重金属元素的变异系数(CV)在33%～152%，反映了重金属元素在五大连池火山堰塞湖水体的空间分布呈现不同程度的差异性。8种重金属元素的变异系数由高到低的排列顺序为：Cd>Zn>As> Hg>Cu>Cr>Pb>Ni。其中Cd的变异系数最大，表明在五大连池火山堰塞湖水体中，Cd的空间分布最不均匀，相对于其他重金属元素离散程度较大。

表2 五大连池火山堰塞湖水体中重金属含量 μg/LTab.2 Heavy metal contents in volcanic Barrier Lake in Wudalianchi μg/L

五大连池火山堰塞湖各池子(平均值)中重金属的总含量分布如图3所示，呈现药泉湖>三池子>五池子>二池子>一池子>四池子的分布规律，药泉湖在地理位置上具有独立性，位于五大连池风景区的旅游人口及公配设施最集中的地区，导致其中重金属的总含量最高。其他五个相连接的堰塞湖水体中重金属的总含量与湖面积呈正比，即湖面积越大，水体中重金属的总含量也越大。

6个堰塞湖各采样点水体中，Cu含量均低于地表水环境质量Ⅰ类中Cu的含量。Cu在各堰塞湖(平均值)水体中的分布顺序为：药泉湖>三池子>二池子>五池子>一池子>四池子。由于药泉湖和三池子周边的娱乐设施、旅游人口、单位、工厂、饭店等比较集中，也体现出人为活动与湖水中Cu的含量有着比较大的联系。Cu含量与水流走向没有显著关系。Cu含量最少的一池子和四池子的水域面积也是最小的，可能是因为这两个池子周边携带Cu的污染物进入湖中的渠道最少。

6个堰塞湖各采样点水体中，As含量均低于地表水环境质量Ⅰ类，其中Y3采样点超出洁净河流中As标准的1.03倍，其余各采样点均低于洁净河流中As的标准。As在各堰塞湖(平均值)水体中的分布顺序为：药泉湖>五池子>四池子>三池子>二池子>一池子。各堰塞湖采样点水体中As的含量分布有一定的起伏，但同一个池子不同采样点中As的含量比较平均。药泉湖中As的含量比较高，可能与其周边是人口最集中的旅游区，与生产生活产生的废水、机动车废气和生活垃圾有关。其他五个池子中，As的含量与湖泊中水流的走向呈负相关，即沿着石龙河的发源地由北向南经五池、四池、三池、二池、头池As的含量依次递减。

6个堰塞湖各采样点水体中，Zn含量均低于地表水环境质量Ⅰ类中Zn的含量。Zn在各堰塞湖(平均值)水体中的分布顺序为：三池子>药泉湖>五池子>二池子>一池子>四池子。Zn在各堰塞湖水体中的分布起伏非常大。含量最高的三池子、药泉湖和五池子均为湖面积较大且旅游人口较为集中的地区，周边的农田面积较大，旅游船只较多，因此通过农田、旅游及生产生活进入湖泊的带有Zn的污染途径较多。

6个堰塞湖各采样点水体中，Ni含量均低于地表水环境质量Ⅰ类中Ni的含量。Ni在各堰塞湖(平均值)水体中的分布顺序为：三池子>五池子>四池子>药泉湖>二池子>一池子。Ni在各堰塞湖水体中的分布起伏较小，同一个池子不同采样点中Ni的含量比较平均，只有三池子有较大区别。三池子含量最高的两个采样点C1和C5均位于三池子右侧的东沟子。

6个堰塞湖各采样点水体中，Pb含量均低于地表水环境质量Ⅰ类及洁净河流中Pb的含量。Pb在各堰塞湖(平均值)水体中的分布顺序为：药泉湖>三池子>五池子>一池子>二池子>四池子。Pb在各堰塞湖水体中的分布起伏较大。Pb含量较高的药泉湖、三池子和五池子都是旅游人口最多的地方，周边企业供热、生产烧煤及燃烧含铅汽油产生的含Pb尾气沉降及生产和生活污水的排放也是导致其中Pb含量较高的原因。

6个堰塞湖各采样点水体中，Cr含量均低于地表水环境质量Ⅰ类及洁净河流中Cr的含量。Cr在各堰塞湖(平均值)水体中的分布顺序为：药泉湖>三池子>五池子>四池子>一池子>二池子。Cr在各堰塞湖水体中的分布起伏不大，同一个池子不同采样点中Cr的含量比较平均，只有三池子两个采样点有较大区别，要谨防该处含Cr点源污染的排放。

6个堰塞湖一池子、二池子、三池子和四池子的各采样点水体中，Hg的含量均超过地表水环境质量Ⅰ类中Hg的含量标准。五池子和药泉湖的各采样点水体中，Hg含量均低于地表水环境质量Ⅰ类中Hg的含量标准。Hg在各堰塞湖(平均值)水体中的分布顺序为：一池子>二池子>三池子>四池子>五池子>药泉湖。Hg在各堰塞湖水体中的分布有些起伏，同一个池子不同采样点水体中Hg的含量比较平均，只有一池子和二池子有较大区别。除了药泉湖外，其他的五个池子水体中，Hg的含量与湖泊中水流的走向呈正相关，即沿着石龙河的发源地由北向南经五池、四池、三池、二池、头池As的含量依次递增，含量最高的A1位于一池子的最下游，体现出随着湖水的流动上游湖水中的Hg含量对下游的影响。

6个堰塞湖各采样点水体中，Cd含量均低于地表水环境质量Ⅰ类及洁净河流中Cd的含量。Cd在各堰塞湖(平均值)水体中的分布顺序为：药泉湖>一池子>三池子>四池子=五池子=二池子。Cd在各堰塞湖水体中的分布有些起伏，其中药泉湖中Cd的含量均较高，超过其他堰塞湖的数倍。由于Cd的毒性更大，必须警惕药泉湖附近相关行业及生活垃圾所携带的Cd汇入药泉湖。

与国内外其他河流湖泊中重金属含量对比[9]，除了As的含量处于中等偏上水平，其他重金属元素含量均处于中等偏低水平，说明五大连池火山堰塞湖水体中重金属含量整体处于较低水平，一方面是因为五大连池火山堰塞湖水体受工业和其他经济活动的干扰较弱，另一方面是因为部分重金属随着湖水走向汇入石龙河，部分则沉降到沉积物中。

4 结论

重金属在五大连池火山堰塞湖各池子水体空间上的分布呈现不同程度的差异性，其中Cd的空间分布最不均匀。

五大连池火山堰塞湖各池子水体中重金属的总含量呈现药泉湖>三池子>五池子>二池子>一池子>四池子的分布规律，与旅游人口、公配设施分布及湖面积大小正相关。

各元素的平均含量在各池子的分布也存在一定的差异性。其中，药泉湖的一个采样点超出洁净河流中As的标准的1.03倍，一池子、二池子、三池子和四池子中各采样点均超过地表水环境质量Ⅰ类中Hg的含量标准，这两种重金属元素有待进一步治理。其余采样点所有重金属元素均小于洁净河流中溶解态重金属的含量及地表水环境质量Ⅰ类标准。

与国内外其他河流湖泊中重金属含量相比，除了As的含量处于中等偏上水平，其他重金属元素含量均处于中等偏低水平，说明五大连池火山堰塞湖水体中重金属含量整体处于较低水平。