热带高山湖泊示踪大气传输痕量元素污染：墨西哥中部El Sol与La Luna湖沉积记录研究

本研究针对墨西哥内瓦多·托卢卡火山口内仅有的两座高山湖泊（El Sol和La Luna），通过分析210Pb定年沉积岩芯，评估了11种痕量元素（Ag、As、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、V、Zn）近一个世纪以来的浓度、通量变化及污染程度。研究发现除Pb和Hg存在中度富集外，多数元素污染轻微；元素富集主要源于周边城市（如托卢卡市）大气传输而非火山斜坡土壤侵蚀。该研究为高山湖泊作为全球变化指示器提供了重要证据，强调了大气污染物对偏远生态系统的跨境影响及环境管理的紧迫性。

　　

在广袤的自然界中，高山湖泊犹如镶嵌在群山之间的明珠，不仅拥有壮丽的景观，更因其偏远的位置和脆弱的环境敏感性，被视为全球环境变化的“哨兵”。这些湖泊通常位于人迹罕至的高海拔寒冷地区，能够敏锐地记录下气候变迁、降水模式改变以及人类活动带来的污染痕迹。位于墨西哥中部的内瓦多·托卢卡火山（Nevado de Toluca Volcano, NTV） crater（火山口）内的El Sol和La Luna湖泊，是墨西哥境内仅有的两座常年存在的高山湖泊（High-mountain lakes, HMLs），具有极高的科研价值。然而，这片本应纯净的区域并非与世隔绝。自20世纪以来，随着周边托卢卡市（Toluca City）和墨西哥城（Mexico City）等大都市的快速工业化与城市化，大气污染物可能通过远程传输影响这些高山生态系统。同时，火山斜坡上因农业开发、森林砍伐等人类活动导致的土壤侵蚀问题也日益严重。一个关键的科学问题随之产生：近年来（1900年后）湖泊沉积物中痕量元素输入的上升，究竟是源于火山斜坡土壤侵蚀，还是来自远方城市的大气污染？为了回答这一问题，由Ana Carolina Ruiz-Fernández领衔的研究团队开展了一项深入的研究，其成果发表在环境科学领域知名期刊《Science of The Total Environment》上。

研究人员综合运用了沉积学、地球化学和统计学方法。核心工作基于2013年从El Sol湖和La Luna湖采集的沉积岩芯（SOL 13-IIG 和 LUNA 13-IIG）。通过²¹⁰Pb定年技术（Constant Flux模型）建立了精确的年代框架，从而能够追溯过去一个多世纪的环境变化。对沉积物样品进行了粒度分析、有机碳（C_org）和无机碳（C_inorg）含量测定。利用X射线荧光光谱（XRF）分析了包括Ag、As、Cd、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、V、Zn在内的多种痕量元素以及Al、Si、Ti、Mn、Sr、Zr、Rb、K、Fe、Ca等参考元素。汞（Hg）的浓度则通过冷蒸气原子吸收光谱法（AAS）测定。此外，还采集并分析了火山口及周边斜坡的土壤样品，以对比沉积物与潜在源区的元素组成。数据分析包括计算背景值（1900年前）、富集因子（Enrichment Factor, EF，使用Al进行归一化）、痕量元素通量及通量比，并运用方差分析（ANOVA）和因子分析（Factor Analysis, FA）来识别元素来源和变量间的关联。

4.1. 沉积物和土壤特征

两湖的沉积物均以粉砂为主。两湖近期沉积物的平均C_inorg（约3%）和C_org（约6%）浓度相似，而土壤样品的C_inorg较低。土壤的平均磁化率（MS）值显著高于湖泊沉积物，且在两个湖泊的沉积岩芯中，MS值从1900年前期至今呈现上升趋势，暗示了沉积物来源随时间发生变化。

4.2. 参考元素和痕量元素浓度

大多数参考元素和痕量元素的背景浓度（1900年前）在两湖沉积岩芯之间以及与其周围土壤的浓度相似，表明湖泊沉积物的本底值主要受当地地质背景控制。然而，近期（1900年后）沉积物中，El Sol湖的Ag和Cd浓度较高，而La Luna湖的As、Cr和Cu浓度较高。特别值得注意的是，Hg、Pb和Zn在两种湖泊岩芯中均显示出向表层（即近期）浓度增加的趋势，且这种变化趋势约从20世纪30年代中期开始同步增强。

4.3. 风险评估

将沉积物中的痕量元素浓度与沉积物质量指南（如阈值效应水平TEL和可能效应水平PEL）进行比较发现，两湖沉积物中Cr、Cu、Ni、Pb的背景浓度以及近期Hg和Zn的浓度均超过TEL，处于可能产生不良生物效应的范围内。更值得关注的是，两湖沉积物中Cd的背景浓度以及El Sol湖近期Cd的浓度和两湖近期Pb的浓度均超过了PEL，表明沉积物存在毒性，可能对底栖生物产生不利影响，并存在通过食物链传递的潜在风险。

4.4. 富集因子

富集因子计算结果表明，两湖大多数痕量元素的EF值小于或等于2，属于轻微或无污染。例外的是Pb在两湖均表现出中度富集（EF ~3-5），Hg在La Luna湖也表现出中度富集（EF 2-3）。Pb和Hg浓度之间的显著正相关性暗示它们可能有共同的来源。

4.5. 痕量元素通量和通量比

20世纪以来，所有痕量元素的通量（单位面积年沉积质量）总体呈增加趋势。El Sol湖的通量比（现代通量与1900年前基线通量之比）普遍高于La Luna湖，其中Hg和Pb的通量比增加最为显著，在El Sol湖可分别高达30倍和46倍。这主要与El Sol湖历史沉积速率较低有关。

4.6. 痕量元素来源

因子分析清晰地将湖泊沉积物样品（主要分布在因子平面I、II象限）与土壤样品（主要分布在III、IV象限）区分开来。特别是1900年后的沉积物，其元素组成（如较低的Ca、Sr、Mn和较高的As、Cu、Hg）与NTV土壤明显不同。这表明近期沉积物中增加的痕量元素（包括Hg和Pb）并非主要来源于火山斜坡的土壤侵蚀。La Luna湖沉积物中更多的痕量元素与陆源指标元素（Al, Ti）显著相关，且其集水区面积与湖泊面积之比更高，使其更易受流域内物质输入和大气沉降的影响。

综合以上结果，研究得出结论：El Sol和La Luna湖沉积物中较高的痕量元素背景值主要受火山地质背景控制。尽管人类活动导致的NTV山坡土壤侵蚀确实存在，但因子分析表明，土壤侵蚀可以解释最古老（1900年前）湖泊沉积物的化学特征，却无法解释近期沉积物中痕量元素的增加。鉴于湖泊地处偏远，受人类活动直接影响小，Pb的普遍中度富集以及La Luna湖Hg的中度富集，最合理的解释是大气传输（风成传输）。污染物主要来源于周边城市化区域（如托卢卡市、墨西哥城）的工业、交通排放，以及农村地区仍普遍存在的燃煤（木材）取暖和烹饪活动。痕量元素通量在20世纪，特别是30年代中期以后的显著增加，与NTV被划为国家公园、通往火山口的道路修建以及托卢卡市人口快速增长的时间点吻合，进一步支持了人为活动通过大气途径影响湖泊的推论。

这项研究的重要意义在于，它证实了即使是遥远的高山湖泊，也难以逃脱区域性人类活动产生的空气污染的影响。研究强调了高山湖泊作为全球环境变化，特别是大气污染传输的敏感指示器的价值。所发现的Cd和Pb沉积物毒性风险提示需要进行后续的生物监测，评估其通过食物链（如湖中养殖的虹鳟鱼）影响生态系统健康和人类安全的可能性。该研究为保护这类独特而脆弱的高山生态系统提供了科学依据，呼吁加强环境管理和污染控制措施，不仅针对大型工业城市，也需关注周边农村地区的能源使用方式，以保障这些“全球变化哨兵”的健康与存续。