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湖相沉积物重建了西南地区1600-1950年铅、锑等重金属污染历史，揭示了明清时期冶金活动与近代工业排放的双重影响，指出使用前工业背景值作为基准会低估现代污染程度。
史万平|姜世伟|罗勇|陈一彦|季明|赵宏飞|刘宣桥|徐立强|李向中|张卓雅|周鑫
中国科学技术大学地球与空间科学学院，合肥，230026，中国
摘要
湖泊沉积物是重建区域痕量金属污染历史和评估人类活动环境影响的重要档案。尽管对中国西南部湖泊沉积物的研究提高了我们对现代污染趋势的理解，但在历史时期（特别是明清时期）痕量金属积累及其环境影响仍知之甚少。这种局限性可能导致使用前工业背景值作为基准时低估了人为输入的影响，并可能掩盖早期采矿和冶炼活动的长期环境遗产。在这里，我们利用大龙潭火山口湖中一个年代明确的沉积物岩芯，重建了过去一千年来铅（Pb）、锡（Sn）、锑（Sb）、铋（Bi）、铜（Cu）和银（Ag）的高分辨率记录，以区分自然和人为来源。结果表明，1250–1640年间污染水平相对较低，表明人为影响有限。从1640年到1950年，出现了明显的采矿-冶炼污染特征，表现为铅、锡、锑和铋的同时富集，这与历史上区域冶金活动的加剧密切相关。自1950年以来，铅和锡的含量下降，而锑的含量呈指数级增长，这与从以冶金为主导的输入向与燃烧相关的大气排放的转变一致。这些发现表明，仅使用前工业背景值作为基准可能会大大低估现代污染的程度，并掩盖历史冶金活动的长期影响。我们的结果为更准确地评估人类-环境相互作用提供了依据，并为制定基于证据的污染缓解策略提供了信息。
引言
痕量金属污染是一个全球性的环境问题，因为它们具有持久性、生态毒性和生物累积性，威胁着水生生态系统的完整性和人类健康（He等人，2013；Hou等人，2020；Mandri等人，2025；Pandit等人，2024；Xiao等人，2021）。重建历史排放轨迹、识别污染来源和评估长期环境影响对于建立可靠的区域基准、明确污染动态以及制定预防和控制策略至关重要（Ceccopieri等人，2025；Nishitha等人，2025；Tian等人，2015；Wang等人，2019）。在环境档案中，湖泊沉积物被广泛用于高分辨率的环境变化和污染历史重建，因为它们具有沉积连续性、受干扰少且能保留高时间分辨率（Cooke等人，2022；Hillman等人，2015；Jiang等人，2023；Jiang等人，2021；Luo等人，2025b；Sun等人，2023；Wagner等人，2025；Zhou等人，2016）。
近几十年来，对云南省的湖泊沉积物进行了大量的痕量金属研究，如洱海（Li等人，2017；Lin等人，2016）、阳宗海（Zhang等人，2012）、抚仙湖（Liu等人，2013；Zeng和Wu，2009）、杞麓湖（Yang等人，2020）和星云湖（Gao等人，2018），主要记录了过去100年的痕量金属污染轨迹及其与人类活动的联系（Li等人，2025；Lin等人，2018；Wang等人，2019；Yang等人，2021；Zhang等人，2014；Zhang等人，2023）。这些研究表明，自20世纪50年代以来，区域工业化和能源消耗的增加导致了湖泊沉积物中铅（Pb）、锌（Zn）、镉（Cd）和汞（Hg）的富集，且富集速率在20世纪80年代后加快（Li等人，2025；Lin等人，2018；Wang等人，2019；Zhang等人，2012）。
云南省拥有丰富的有色金属资源，并拥有超过两千年的采矿和冶炼历史（Hillman等人，2015；Li等人，2017；Zeng和Wu，2009）。在明清时期，银（Ag）、铅（Pb）和锡（Sn）的采矿和冶炼活动显著扩大，该地区在规模和技术能力上成为全国中心。历史记录显示，这一时期的云南省铜（Cu）和锡（Sn）产量超过了其他省份；例如，在乾隆统治时期（1736-1796年），铜的产量达到了约1400万斤（约7000吨），锡的产量占全国总量的80%以上（腾冲县地名志编纂委员会，1995；Zhang，2000）。除了文献证据外，中国西南部还保存有古代炉址、矿渣沉积物和冶炼遗迹，为该地区的广泛历史冶金系统提供了考古支持（Yang，2021）。
然而，大多数现有研究强调的是现代污染，而早期时期（尤其是明清时期）痕量金属积累的规模及其环境影响仍知之甚少。尽管一些湖泊（如洱海）提供了长期背景参考（Hillman等人，2014；Hillman等人，2015），但作为核心采矿-冶炼区的中国西南部仍缺乏能够量化传统冶金排放及其长期环境遗产的高分辨率记录。这一差距阻碍了对长期痕量金属污染的理解，并可能影响区域基准的建立，从而影响现代污染的评估。因此，明确前工业时期的采矿和冶炼的环境影响对于区分自然和人为输入、重建长期人类-环境相互作用以及准确评估现代污染的贡献至关重要。
位于腾冲市的大龙潭火山口湖靠近中国西南部的几个历史采矿和冶炼区，丰富的冶金遗迹和文献记录使其成为研究过去冶金活动及其环境影响的理想档案。此外，其封闭的盆地、小的集水区和有限的地表径流有利于形成对区域大气沉降和相关污染输入高度敏感的沉积记录。因此，我们利用大龙潭火山口湖的沉积物，通过建立稳健的年代学和整合多元素地球化学分析，重建了过去一千年来痕量金属污染的高分辨率记录。我们量化了明清时期的冶金影响，并区分了自然和人为贡献。我们进一步整合了历史文献和考古证据，以限制冶金污染的长期演变及其相关的环境响应。
研究区域
大龙潭湖（25°16′54″N，98°28′38″E，海拔1778米）是中国西南部腾冲市的一个小型、水文封闭的火山口湖。该盆地呈亚圆形，面积约为0.0074平方公里，最大水深约为10米（腾冲县地名志编纂委员会，1995）。湖泊主要通过降水、地表径流和地下水补给，没有地表出水口。该地区具有亚热带湿润季风气候：来自印度洋的温暖湿润气流……
年代学
短岩芯（GDDH-T）前13个样本中的210Pb (210Pbex) 和 137Cs 特异性活动如图2a所示。具体来说，210Pbex 随深度呈指数下降。在岩芯的上部，137Cs 活性较高，在20厘米深度处达到最大值17.4 Bq·kg-1。在北半球，137Cs 的沉降峰值通常被定为1963年，对应于大气核武器试验的高峰期（Appleby，2001；Bird等人，2014）。
人类活动引起的金属富集
地球化学指标的定量分析表明，大龙潭湖流域在1640–1950年间经历了严重的痕量金属污染（图4和5）。元素富集因子（EFs）和来源分配结果支持高人为输入，在此阶段人为对沉积物中铅（Pb）和锡（Sn）的贡献达到了约80%（图4和5）。相关性和聚类分析进一步显示了与矿石相关的元素（铅（Pb）、锡（Sn）、铋（Bi）和锑（Sb）之间的强相关性
结论
本研究利用中国西南部大龙潭湖的沉积物记录，重建了过去一千年来痕量金属污染的高分辨率记录，并识别出三个不同的阶段。结果表明，1250–1640年间是一个污染较低的时期，浓度、沉积通量和富集因子都较低，与人类影响最小一致。1640–1950年间是一个冶金污染高峰期，其特征是……
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影响本文所述的工作。
作者贡献声明
张卓雅：研究。李向中：研究。史万平：撰写——初稿、可视化、方法学、研究、正式分析、数据管理。周鑫：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。罗勇：方法学、数据管理。姜世伟：撰写——审阅与编辑、监督、方法学。季明：研究。陈一彦：撰写——审阅与编辑。赵宏飞：研究。
未引用的参考文献
Liu, 1967.
数据可用性声明
支持本研究发现的原始数据可在补充材料中找到。
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影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42494873，42301175）、中央高校基本科研业务费（WK2080000219）、云南省基础研究计划（编号202301AT070048）以及云南省振兴人才支持“青年人才”项目（编号XDYC-QNRC-2022-0630）的共同支持。
