青藏高原大尺度流域河水中微量元素与常量元素分布的比较研究

《Environmental Research》：Comparison of the Trace and Major Elements Distribution in River Waters from Large-Scale Watersheds of the Tibetan Plateau

青藏高原冰川融水区表面河流水样中主要（Sr、Al、Fe）和痕量（Li、Be、As、Ni、Pb、Mo、Ti）元素分布特征及人类活动影响评估，揭示元素浓度空间分异规律及迁移机制，为极地地区气候变化与水文地球化学循环研究提供数据支撑。

　　

王彤|董志文|张丽华|李芳洲|焦晓宇|刘晓莉

中国地质大学地理与信息工程学院，武汉430074，中国

摘要

微量元素的富集是一种重要的全球水污染物，影响着生物地球化学循环和人类健康。青藏高原冰冻圈流域的水生环境对全球变暖非常敏感，冰川融化释放的金属元素可能在流域中发挥重要的生态作用。本研究调查了2021年5月和2023年6月从青藏高原20个代表性流域采集的地表河水中主要元素（Sr、Al、Fe）和微量元素（Li、Be、As、Ni、Pb、Mo、Ti）的含量。通过多种地球化学指标评估了区域水质的变化。结果表明，元素浓度存在显著的空间差异，下游地区的浓度通常较高，而上游冰川地区的浓度较低。与南部流域相比，北部和西部流域的河流元素浓度普遍较高，其中Li和Mo的表现更为复杂。主要元素的富集程度较低，表明人为影响有限。相比之下，某些微量元素（如Li和Mo）表现出明显的富集现象，这表明可能存在人为输入到高原流域的情况。大多数主要元素（如Al、Fe）主要来源于自然过程，而微量元素（Li、As、Mo）的富集模式表明受到了人类活动的干扰。总体而言，高原的水生环境仍然相对原始，但正在经历可测量的人类影响。本研究提供了关于青藏高原流域水生地球化学的关键环境数据，并提出了一个元素迁移的概念模型，为评估气候变化对偏远冰冻圈地区水文地球化学循环的影响提供了重要见解。

引言

青藏高原是湖泊、冰川、多年积雪和永久冻土积累的关键区域（Zhang等人，2012；Jiao等人，2017；Li等人，2023）。来自青藏高原流域的大量河流径流是干旱和半干旱地区的重要水源（Qu等人，2019）。它维持了水生环境系统，确保了下游社区的水资源安全（Yao等人，2012；Zhang和Nie，2024）。目前，污染物已成为全球水环境问题中最突出的污染类型之一（Zuzolo等人，2017；Gafur等人，2018；Patel等人，2018；Yang等人，2018）。自工业革命以来，全球各地的地区和国家都受到了重金属污染的影响，这对人类生存和发展构成了严重威胁（Martin，2019；Wu等人，2023）。重金属污染引发了一系列社会生态问题，包括河水、湖水、大气和农田土壤的污染（Yan等人，2018；Yang和Palida，2019；Chen等人，2020）。

青藏高原流域河流系统中主要元素和微量元素的迁移和转化具有重要意义（Wang等人，2025；Zaborska等人，2020）。在全球变暖和积雪及冰川加速融化的背景下，青藏高原地区的冰川流域向河流系统释放了大量的重金属和其他微量元素。这些物质可以迅速溶解到河水中并影响下游生态系统，对区域水质和生态环境产生重大影响（Wei等人，2024；Wu等人，2023）。研究青藏高原广阔水系中的主要元素和微量元素对于理解和评估河流水质具有重要意义（Liu等人，2026；Wang等人，2006）。

自然水体中主要元素和微量元素的浓度和组成分布可以反映水生环境的状况和动态（Guo等人，2024）。主要元素和微量元素的来源、迁移机制、来源分配和物理化学特性可以为评估区域环境污染提供关键参考指标（Hao等人，2010）。河流系统中的元素类型和浓度主要受自然和人为因素的影响（Erasmus等人，2022；Guo等人，2024）。自然因素包括风蚀、沉积物-水相互作用、热液输入以及岩石风化等地质过程。人为输入主要包括工业和农业活动的废水排放（Jones等人，2017），包括工业排放、采矿活动以及化肥和农药的使用。特别是在青藏高原地区，有大量的煤矿和各种采矿活动，这无疑会增加重金属和各种元素进入高原水体的量（Dai等人，2015；Huang等人，2008）。

在目前受人类活动影响较小的地区，如极地地区（Landy等人，1980）、高海拔山区（Li和Yao，2002）和沙漠地区（Cong等人，2010），关于河流中元素污染的研究仍然相对有限。青藏高原拥有南极洲和格陵兰冰盖以外最广阔的中低纬度冰川（Li等人，2010），这些冰川不仅是西部山区河流的重要水源，也是许多主要河流系统的源头（Baisheng等人，1999；RJ等人，2002）。随着全球变暖，青藏高原的冰川普遍退缩，永久冻土以加速的速度退化（Lee等人，2021；Meng等人，2023），导致高山流域的水循环加剧（Li等人，2010）。深入研究青藏高原流域内的化学过程及其影响因素具有重要的实际意义（Guo等人，2024）。关于全球沉积物和水体中元素的大量研究已经取得了重要发现（Chen等人，2009）。然而，对于像青藏高原这样生态独特系统的流域中大量河水样本中的主要元素和微量元素的研究尚未开展（Soromotin等人，2022）。目前的研究主要集中在个别微量元素的分布上（Liu等人，2024；Li等人，2009），但对青藏高原主要/微量元素浓度、富集程度、迁移机制和空间分布的比较分析仍然很少。

本研究调查了青藏高原典型高海拔地区广阔冰冻圈流域内的代表性地表河水。考虑到空间分布和气候特征，我们系统地评估了人类活动对广泛冰川流域中大量河水中的主要元素和微量元素浓度的影响，以及它们对水生环境的影响程度。本研究提供了关于青藏高原流域水生地球化学的关键环境数据，并提出了一个元素迁移的概念模型，这可能为评估气候变化对偏远冰冻圈地区水文地球化学循环的影响提供重要见解。

本文的结构如下：第2节详细介绍了野外采样方法和实验室元素分析数据；第3节展示了青藏高原流域中主要元素和微量元素的分布情况；第4节评估了流域中的主要元素和微量元素污染；第5节讨论了元素来源。主要内容包括：（i）青藏高原流域中主要元素和微量元素浓度的比较；（ii）青藏高原流域中主要元素和微量元素的空间组成分布；（iii）元素污染评估和来源确定。第6节总结了研究结果，并对未来高原流域元素变化的研究提供了展望。

数据收集与测量

青藏高原（北纬26°–46°，东经73°–103°）（图1）位于亚洲中部，南北跨度约300–1500公里，东西跨度约2800公里。平均海拔超过4000米，被誉为“世界之屋”和“亚洲水塔”（Viviroli等人，2007）。该地区在全球气候调节和生物多样性维护中发挥着关键作用（Kraaijenbrink等人，2021）。起源于高原的河流系统为干旱和半干旱地区提供了重要的水源（Qu等人，2019）。

青藏高原流域中主要元素和微量元素的浓度比较

本研究分析了从青藏高原广阔流域采集的大量河水样本中八种典型主要元素和微量元素（Sr、Al、Fe、As、Li、Be、Ti、Pb、Ni、Mo）的浓度。系统地考察了这些元素在不同地区的浓度特征、空间分布及其在不同流域间的变化。采样点之间的元素浓度存在显著差异。

富集因子（EF）分布

富集因子（EF）是根据主要元素和微量元素的浓度计算得出的，用于评估它们相对于青藏高原地表土壤背景值的富集程度（以Sc作为参考元素）。如图4b所示，这些元素的平均EF值高于中位数且接近上四分位数（Q3）。这种分布表明，富集程度较低的采样点分布广泛，导致中位数较低。

元素来源的讨论

大气气溶胶是水体中溶解态、悬浮颗粒态和沉积态元素的重要来源。它们的化学组成对于理解污染物的长距离传输至关重要。像As和Hg这样的挥发性元素可以以气态或富集颗粒的形式长距离传输。另一方面，像Ni和As这样的元素是来自化石燃料燃烧的污染物（Préndez和Carrasco，无日期）。金属可以

结论

本研究对青藏高原的大范围地表水样进行了系统分析，揭示了河流水中主要元素和微量元素的分布特征及其环境影响。结果显示，主要元素（Sr、Al、Fe）占河水总元素含量的75-93%，在冰川地区的比例更高（平均比例超过90%），而下游地区则较低。

作者贡献声明

焦晓宇：撰写 – 审稿与编辑。刘晓莉：撰写 – 审稿与编辑。张丽华：撰写 – 审稿与编辑。李芳洲：撰写 – 审稿与编辑。王彤：撰写 – 初稿。董志文：撰写 – 审稿与编辑

未引用的参考文献

Jones和Rowe，2017；Liu等人，2025；Préndez和Carrasco，无日期。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（42371139，42201152）、中国地质大学（武汉）的“CUG学者”科研基金（项目编号2023092）以及甘肃省自然科学基金重点项目（23JRRA858）的支持。作者还要感谢CAS的同事们（Wang博士、Bao女士、Zhang女士和Wu博士）在实验室分析工作中的帮助。