2016, Vol. 37
2. 中国科学院大学, 北京 100049
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
山地不仅是生态和环境安全的重要屏障，还为人类提供多种赖以生存的自然资源.作为全球的“天然水塔”，山地是主要河流的发源地[1, 2]，为全球50%以上的人口提供淡水资源[3].贡嘎山地区是横断山脉的典型区域，位于青藏高原与四川盆地的过渡地带，该区水资源极为丰富，是大渡河和雅砻江等河流的重要补给区，其水环境质量不仅是当地生态系统健康发展的保障，对下游水安全也具有直接影响.因此，全面认识贡嘎山地区地表水环境质量的现状和影响因素，是科学合理利用该区水资源和保护当地生态安全的现实需要.
山地地表水中的离子组成、重金属和营养元素质量浓度是评价水质的重要指标，但目前三者在贡嘎山地区的研究主要集中在东部地区(东南坡、东坡和东北坡)，且以小流域为主，对西坡和北坡的研究较少，针对贡嘎山整个区域的地表水环境质量的系统研究更少，不利于准确认识和评估贡嘎山地区的地表水环境质量.不仅如此，高山地区水体中离子的自然来源主要为岩石风化[4]，岩石风化受岩性、温度、降水、植被和地形等诸多因素影响[5, 6]，而贡嘎山东部地区、西坡及北坡的各因素差异对岩石风化、水体离子组成和水质的影响，目前仍不清楚.同时，重金属与营养元素对贡嘎山地区地表水质量的影响已不容忽视.一方面，贡嘎山高山环境有利于重金属等污染物聚集，山地土壤已成为重金属等污染的“汇”[7~9].另一方面，贡嘎山东部亚高山地区因坡度大、土层薄、土壤pH较低(4~6)[10]，降水极为丰富[11]等原因，土壤磷流失速率快[12]、且流失的形态以可交换态为主[13]，因此该区可能成为该地区水体污染的源.
本研究通过对贡嘎山东南坡、东坡、东北坡、北坡和西坡这5个区域的地表水中主要离子、营养元素和重金属元素的质量浓度分析，了解研究区地表径流的主要离子特征，并利用Gibbs模型等方法探讨控制水体主要离子组成的关键因素；阐明该区地表水中重金属元素和营养元素的空间分布特征；采用单因子评价法评估该地区的地表水环境质量，以期为贡嘎山地区的水资源保护和合理利用提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况贡嘎山是横断山系最高峰，海拔7 556 m，区域面积约2×104 km2(图 1)；位于青藏高原与四川盆地的过渡地带，同时也位于青藏高原高寒气候区与亚热带季风气候区的过渡带上，因此，贡嘎山东部地区(东南坡、东坡和东北坡)、西坡和北坡的地貌、气候、土壤和植被等差异巨大.
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图 1 贡嘎山地理位置与采样点分布示意 Fig. 1 Location of Gongga Mountain and sampling sites |
贡嘎山东部地区主要受东南季风和四川盆地暖湿气流影响，基带年均温15~17℃，西坡主要受西南季风影响，基带年均温≥8℃，全区域年均温度表现为东高西低和北低南高的水平规律，但西坡河谷地带较为特殊，同海拔上西部气温较东部高1~3℃.整个地区温暖湿润，降水量较大，从河谷到高山带年降水量达1 000~3 000 mm，以东南坡的田河湾一带最多，东坡次之，西坡和北坡较少，仅有600~1 000 mm.植被和土壤具有明显的坡向分化和垂直分带现象[14].受冰川作用和高山峡谷地貌的影响，贡嘎山成土母质多为冰川堆积物和坡积物.东部地区主要岩类为花岗岩，含大量云母；西坡多为砂板岩、灰质砂页岩及第三纪红色岩层的风化物，北坡以第四系松散堆积岩组为主[15].
1.2 样品采集与分析为进一步分析，将东部地区划分为东南坡(大渡河、湾东河及其支流)、东坡(海螺沟、燕子沟及其支流)和东北坡(雅家梗、雅家河及其支流).按照坡向和海拔特点于2013年9月采集了贡嘎山地表水共70个样品，其中东南坡7个、东坡22个、东北坡18个、北坡5个、西坡18个.水样经0.45 μm醋酸纤维滤膜过滤前测定N、P质量浓度.过滤后将样品分为两部分，一部分用于测定阴离子，另一部分加入超纯HCl用于测定阳离子.样品在室内测定前保存于4℃冰箱中.
采用美国戴安公司离子色谱仪(ICS-90)测定水体中的CO32-、HCO3-、Cl-和SO42-质量浓度，检出限均为0.05 mg ·L-1.同时采用美国Teledyne Leeman LABS公司电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)检测K、Na、Ca和Mg的质量浓度，检出限分别为0.1、0.03、0.01和0.01 mg ·L-1.此外，采用美国珀金埃尔默PE NexION 300X电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)检测Cu、Cd、Pb、Zn和P的质量浓度，检出限分别为0.01、0.005、0.01、0.1和5 μg ·L-1.采用中国托普公司全自动凯氏定氮仪(ZDDN-Ⅱ)测定N质量浓度.实验过程中，每批样品均设置3个空白、标准样品，同时测定平行样.测定工作在中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所理化分析实验室完成，测试精度为±5%.
1.3 统计分析采用IBM SPSS软件(版本号： V19.0)进行描述性统计和Bonferroni-Test显著性分析.描述性统计主要包括：整个研究区和各坡向的主离子、重金属元素和营养元素质量浓度均值和标准差；显著性分析则用于判断在0.05置信水平上各坡向水化学数据之间是否存在显著性差异.
基于《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)，采用单因子评价法评估贡嘎山地区地表水环境质量.
采用OriginLab® Origin软件(版本号： V8.0)绘制所有图件.
2 结果与讨论 2.1 水化学主离子特征及水化学类型贡嘎山东南坡、东坡、东北坡、北坡和西坡这5个区域(图 1和表 1)TDS质量浓度变化范围为43.37~169.29 mg ·L-1，自东南坡-东坡-东北坡逐渐降低，沿东北坡-北坡-西坡方向逐渐升高；东南坡和西坡间无显著性差异，但两者与东坡、东北坡和北坡均存在显著性差异(P < 0.05).这可能是由于沿东南坡-东坡-东北坡方向，海拔逐渐升高，温度降低，造成岩石风化减弱，则TDS质量浓度逐渐降低；而东北坡、北坡和西坡的样点，海拔变化不大，因同海拔上西部气温较东部高，则西坡岩石风化较同海拔北坡、东北坡强，不仅如此，受东南季风影响，沿东北坡-北坡-西坡方向降雨量逐渐减小，主离子流失降低，则TDS质量浓度逐渐升高.从全流域来看(表 2)，TDS质量浓度均值为103.22 mg ·L-1，略高于全球河流TDS平均值99.00 mg ·L-1，但低于雅砻江、岷江、长江和亚洲河流TDS质量浓度.这与贡嘎山地层岩性有关，贡嘎山主要岩类为花岗岩，碳酸盐岩矿物质量分数较低，而由表 2可知，造成贡嘎山地表水TDS质量浓度较低的主要贡献离子正是HCO3-.
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表 1 贡嘎山地表水主要离子质量浓度1)/mg ·L-1 Table 1 Mass concentrations of major ions in surface water of Gongga Mountain/mg ·L-1 |
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表 2 不同河流的主要离子质量浓度1)/mg ·L-1 Table 2 Mass concentrations of major ions in water of different rivers/mg ·L-1 |
水体阳离子各组分质量浓度在东南坡依次为： Ca2+>Na+ > Mg2+ > K+，东坡为Ca2+>K+ > Na+ > Mg2+，东北坡为Ca2+>Mg2+ > K+ > Na+，北坡和西坡为Ca2+>Mg2+ > Na+ > K+.全流域水体阳离子各组分质量浓度排序与北坡、西坡相同，Ca2+始终是最主要的阳离子组分，阴离子质量浓度在各坡向和全流域的比例都比较一致，绝大多数样点均为HCO3- > SO42- > Cl- > CO32-.因此，贡嘎山地表水化学类型可归结为HCO3-Ca型，与青藏高原东部长江水系的水化学特征和类型基本一致[19].
2.2 水体主离子来源及控制因素Gibbs根据全球100多条河流的统计结果，将控制天然河水主要离子来源的因素分为3个类型：大气降水控制型、岩石风化控制型和蒸发-结晶控制型，该理论是定性判断区域大气降水、岩石风化和蒸发-结晶过程对河流水化学影响的重要手段[20].如图 2所示，贡嘎山水体化学离子组成绝大部分都落在Gibbs分布模型内，且研究区大部分水样处于岩石风化控制区域，说明贡嘎山地区水化学主离子主要来自于岩石风化，与整个长江上游水系水体离子的主要来源一致[21].但值得注意的是，位于Gibbs图最下部边界上的采样点具有靠近大气降水控制端的趋势，这些采样点位于东部地区，而贡嘎山东部地区受东南季风影响强烈，说明贡嘎山东部地区水体离子来源受大气降水的影响较强.
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图 2 贡嘎山水化学Gibbs分布 Fig. 2 Gibbs figure of hydrochemistry in Gongga Mountain |
利用阴、阳离子三角图，可以在已知为岩石风化控制贡嘎山水体离子组分的基础上，进一步确定是哪类岩石的风化控制其组成.由图 3可知，在阳离子三角图中，组分点主要靠近Ca2+端元，阴离子三角图则显示阴离子分布在HCO3--Cl-线上，且靠近HCO3-一端，这说明贡嘎山全区域水体化学成分主要受碳酸盐岩风化的控制.贡嘎山东坡主要岩类为花岗岩，西坡多为砂板岩、灰质砂页岩，但地表水体却表现出受碳酸盐岩风化控制的特征.这可能是由于该地区温度较低，湿度较大，尽管地层中碳酸盐岩矿物质量分数较低，但更易风化，造成贡嘎山流域水体主离子组成表现出受碳酸盐岩风化控制的特征.但值得注意的是，由图 3可知有两个点K++Na+毫克当量百分数高于50%，分别为东坡海拔2 512 m和西坡海拔3 622 m的采样点.这可能是由于这两个采样点岩层中盐岩矿物质量分数较高，且易风化，造成Na+、Cl-毫克当量百分数偏高，两个采样点Na+毫克当量百分数依次为48.16%和73.03%.
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图 3 贡嘎山阳离子和阴离子三角图 Fig. 3 Triangular diagrams of anions and cations in water of Gongga Mountain |
从不同坡向来看(图 4)，东坡地表水中Cu、Cd、Pb和Zn的质量浓度高于其它坡向，均值分别为0.57、0.02、0.32和13.17 μg ·L-1.东坡Cu、Cd和Zn质量浓度与东北坡、西坡存在显著性差异(P < 0.05)，与东南坡、北坡无显著性差异；东坡Pb的质量浓度与东南坡、东北坡、西坡存在显著性差异(P < 0.05)，与北坡无显著性差异.虽然已测积雪融水中各重金属元素质量浓度极低(Cu和Zn的均值±标准差分别为0.10 μg ·L-1±0.15 μg ·L-1和1.75 μg ·L-1±0.80 μg ·L-1，Cd和Pb均未超出检出限)，但东坡降雨中Cd较高[22]，且雅砻江、岷江和大渡河水体中重金属元素质量浓度均比研究区高，因此，影响贡嘎山东、西部地表水中重金属质量浓度差异的因素可能是大气降水.
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图 4 贡嘎山地区地表水重金属元素的空间分布特征 Fig. 4 Spatial distribution of heavy metals in surface water of Gongga Mountain |
从全流域来看，贡嘎山地表水各重金属元素中Zn质量浓度最高，为4.50 μg ·L-1，Cd质量浓度最低，为0.01 μg ·L-1，且各重金属元素质量浓度均低于长江和全球河流背景值(表 3).这些结果表明，尽管东坡表层土壤中Cd质量浓度较高，但地表水中Cd的质量浓度较低(图 4)，说明大气输入沉降到土壤中的Cd大部分还存在于土壤圈中，尚未对地表水水质造成明显影响.
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表 3 不同河流的重金属质量浓度/μg ·L-1 Table 3 Mass concentrations of heavy metals in water of different rivers/μg ·L-1 |
2.4 水体中营养元素空间分布特征
从空间分布来看(图 5)，贡嘎山东南坡地表水中N、P质量浓度显著高于东北坡、北坡和西坡(P < 0.05)，分别为0.59 mg ·L-1和0.03 mg ·L-1；东坡P质量浓度显著高于东北坡、北坡和西坡(P < 0.05)，为0.02 mg ·L-1.东北坡和西坡水体中N质量浓度最低，均为0.15 mg ·L-1；东北坡地表水中P质量浓度最低，所有样品均低于检出限.总体来看，贡嘎山地区地表水的N、P质量浓度较低，其质量浓度与雅砻江水体中基本一致，但低于大渡河、岷江和长江水体中N、P质量浓度(表 4)，且沿贡嘎山-雅砻江-大渡河-岷江方向N、P质量浓度逐渐升高.
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图 5 贡嘎山地区地表水营养元素的空间分布特征 Fig. 5 Spatial distribution of nutrient elements in water of Gongga Mountain |
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表 4 其他河流营养元素质量浓度均值[28]/mg ·L-1 Table 4 Average mass concentrations of nutrient elements in water of different rivers/mg ·L-1 |
由于已测积雪中N、P质量浓度极低(P低于检出限，N均值为0.02 mg ·L-1)，说明降水对贡嘎山地表水中营养元素质量浓度的影响较小.随着旅游业的迅速发展，东南坡和东坡成为贡嘎山地区人类活动强度最大的区域[27]，而这两个区域也正是营养元素质量浓度最高的地区，且N、P质量浓度最高的采样点位于东南坡低海拔处，分别为海拔1 284 m和1 082 m，因此，贡嘎山地区地表水主要营养元素的空间分布主要受人类活动影响.
2.5 地表水环境质量评价根据单因子评价法，将每个样品的Cu、Cd、Pb、Zn和N、P质量浓度与《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中的各项目标准限值进行比较，以水质最差的单项指标所属水质类别确定水体综合水质类别.结果表明(图 6)，贡嘎山地表水总体水质优良，未受到较大影响，且全区地表水中重金属元素的质量浓度均在Ⅰ类水范围内.空间分布呈西部优质，东部良好的特征.除东南坡外，各坡水质均在Ⅱ类水以上.东南坡属于Ⅲ类和Ⅴ类水的样品，主要是由于N质量浓度介于Ⅲ类和Ⅴ类水的范围.此外，沿东南坡-东坡-东北坡-北坡、西坡方向，地表水质明显呈现出渐优趋势.
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图 6 贡嘎山地区地表水环境质量分类 Fig. 6 Quality classification of surface water in Gongga Mountain |
由于贡嘎山地区地表水水质总体较好，因此，目前该区域水质仍主要受岩石风化等自然因素的影响；而从Ⅲ类和Ⅴ类水样点的分布情况来看，这些样点都位于人类活动较强的低海拔地区(东南坡)，而Ⅰ类和Ⅱ类水样点离人类活动区域较远，说明东南坡的部分水体受到了人类活动的影响.因此，为科学合理利用该区水资源和保护当地生态环境，应加强对贡嘎山东南坡水环境的重视程度.
3 结论(1) 尽管贡嘎山东部地区、西坡和北坡的气候、植被和土壤差异显著，但该地区的水化学主离子来源主要受碳酸盐矿物风化作用的控制.其中在东部地区，由于受东南季风影响强烈，大气降水输入对该区河流化学离子来源具有较大影响.
(2) 从全流域来看，地表水中重金属元素和营养元素质量浓度均较低，自然因素是控制该区域水化学的主要因素.从不同坡向来看，水体中重金属元素在东坡质量浓度最高，大气沉降对其产生一定影响；营养元素在东南坡低海拔处最高，该分布特征受到人类活动影响.
(3) 结合重金属元素和营养元素空间分布特征对贡嘎山地表水环境质量进行评价，贡嘎山地区除东南坡外，各坡水质均在Ⅱ类水以上，未受到污染.空间分布呈西部优质，东部良好特征，目前该区域水质仍主要受自然因素影响，但东南坡部分水体已受到一定人类活动的干扰.
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