烏梁素海湖泊沉積物粒度特征及其環(huán)境指示意義①

馬 龍 吳敬祿 溫軍會 劉 文，4 吉力力.阿不都外力

(1.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室 烏魯木齊 830011;2.中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室 南京 210008;3.陜西省地礦局區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)研究院 陜西咸陽 712000;4.中國科學院大學 北京 100049)

湖泊沉積物是陸地環(huán)境變化的天然檔案庫，保存了豐富的環(huán)境演化以及人類活動等信息，成為研究過去環(huán)境變化的良好載體［1，2］。沉積物粒度作為重建古環(huán)境的重要指標，廣泛應用于古環(huán)境研究之中［3～5］。目前主要通過對粒度組分Weibull分布的函數(shù)擬合法［6］、端元模型法［7］、粒徑標準偏差法［8，9］和因子分析法［10］等對沉積物的物質(zhì)來源進行分析。河套平原地區(qū)開發(fā)歷史悠久，早在秦漢時期就開始開渠引水，發(fā)展農(nóng)業(yè)，人類活動已經(jīng)深刻影響到區(qū)域環(huán)境的變化［11］。前期已對烏梁素海湖泊沉積物元素含量進行了分析，研究了沉積物中元素的變化規(guī)律，探討了沉積物中元素變化的影響因素［12］，本文基于對黃河上游河套平原的烏梁素海湖泊沉積物粒度特征分析，通過粒徑－標準偏差對粒度組分的物質(zhì)來源進行分析，并結(jié)合歷史文獻研究資料，探討河套地區(qū)烏梁素海在自然和人類活動共同作用下的演變過程，以期為合理利用湖泊資源，協(xié)調(diào)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供基礎資料。

1 研究區(qū)概況

烏梁素海 (N40°47'～41°03'，E108°43'～108°57')地處巴彥淖爾市烏拉特前旗東北約9 km(圖1)，位于河套盆地后套平原最東端，是地球上同一緯度最大的自然濕地，同時是亞洲濕地公約組織名錄中的大型濕地生物多樣性保護區(qū)，烏梁素海濕地生態(tài)系統(tǒng)對維護周邊地區(qū)生態(tài)平衡具有重要的作用［13，14］。2008年測定 pH 值平均 9.04，礦化度平均2.48 g/L，湖泊面積 370 km2左右［12］。該區(qū)屬溫帶大陸性氣候，年均氣溫6.7℃，年降水量為224 mm，全年蒸發(fā)量為2 456 mm［15］。烏梁素海作為河套灌區(qū)水利工程的重要組成部分，直接納入后套黃河灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉退水［11］。根據(jù)文獻記載，公元1850年左右，今烏拉河至烏加河一段長約15 km的河道因泥沙淤塞而斷流，在烏拉山西部，留有兩處積水洼地，即為現(xiàn)今烏梁素海湖區(qū)中較深的“大巴爾洞”和“海壕”，形成總面積只有 2 km2的河跡湖［11］。

圖1 烏梁素海區(qū)域位置及古河跡湖、古河道位置圖Fig.1 The location map of Wuliangsu Lake，former fluvial lake and ancient Yellow River course

2 樣品分析與結(jié)果

2008年8月在烏梁素海北部用活塞采樣器平行采集WLS01(深42 cm)和 WLS02(深56 cm)等2個湖泊沉積物巖芯，同時采集W1、W2、W3和W4等4個不同類型流域沉積物樣品進行粒徑－頻率曲線對比，采樣站位見圖1和表1。WLS01和 WLS02等沉積巖芯均在野外現(xiàn)場以1 cm間隔分層，并裝入塑料袋中密封保存，分別用于同位素測年和粒度分析。210Pb的放射性比活度采用γ分析方法，分析儀器為美國ORTEC公司生產(chǎn)的由高純鍺井型探測器(Ortec HPGe GWL)與Ortec 919型譜控制器和計算機構(gòu)成的16K多道分析器所組成的γ譜分析系統(tǒng)。通過恒定補給速率(CRS)模式計算得到研究剖面的年代序列，見文獻［12］。取沉積物樣品0.3 g左右，經(jīng)過氧化氫以及鹽酸處理后，加入六偏磷酸鈉超聲振蕩，將振蕩后的樣品用英國Malvern Mastersizer 2000型激光粒度儀上進行粒度測試［12］。

表1 烏梁素海采樣點信息Table 1 The information of sediment samples in Wuliangsu lake watershed

粒度能夠反映搬運介質(zhì)能量的高低和沉積環(huán)境的變化［16，17］，本文根據(jù)傳統(tǒng)沉積學巖性分類方法將粒度分黏土(4 μm)、細粉砂(4～16 μm)、中粉砂(16～32 μm)、粗粉砂(32～64 μm)和砂(＞64 μm)等五類［18］。平均粒徑表示粒度分布的集中趨勢，按?？撕臀值碌亩x表達式計算平均粒徑φ值。φ16、φ50和φ84分別代表累積曲線上百分含量為5%、50%以及84%三處的粒徑φ值［18］，φ值轉(zhuǎn)換為μm單位表示，粒度分析結(jié)果見圖2。湖泊沉積物中黏土(＜4 μm)的平均含量為28.7%，在6～15 cm黏土含量最大，平均含量達37.8%;細粉砂(4～16 μm)的平均含量為34.4%，在5～15 cm為一較低階段，平均為29.3%;中粉砂(16～32 μm)的平均含量為 17.3%，粗粉砂(32～64 μm)的平均含量為14.1%;砂(＞ 64 μm)組分含量整體較低，平均5.5%，在35～40 cm以及20 cm之上存在兩個含量較大的階段，含量平均分別為7.4%和6.9%。從變化趨勢圖看，烏梁素海湖泊沉積物中不同粒級含量較為復雜。20 cm之下，黏土質(zhì)(＜4 μm)含量變幅很小，與細粉砂含量一致，且與平均粒徑呈反向變化;20 cm之上，黏土含量急劇增加，且與細粉砂以及粉砂等組分含量相反(圖2)。

3 討論

圖2 烏梁素海沉積物粒度垂向分布特征Fig.2 The vertical distribution of different grain size in Wuliangsu Lake

本文采用粒級標準偏差算法提取沉積物中的環(huán)境敏感粒度組分對粒度分析結(jié)果進行討論［19，20］。其原理是通過研究激光粒度儀給出的每一粒級所對應含量的標準差變化而獲得粒度組分的個數(shù)和分布范圍。粒級—標準偏差變化曲線主要反映了不同樣品的粒度含量在各粒徑范圍內(nèi)的差異性，高的標準偏差值反映了不同樣品的粒度含量在某一粒徑范圍內(nèi)差異較大，低的標準偏差則反映了粒度含量在某一粒徑范圍內(nèi)差異較小。圖中較高標準偏差值所對應的粒級即對沉積環(huán)境敏感的粒度眾數(shù)，據(jù)此可以反映出一系列樣品中粒度變化存在顯著差異的粒度組分的個數(shù)和分布范圍［8］。但通過相關(guān)分析，在1～20 cm，＜4 μm的粒徑組分和其它粒級含量反相關(guān)(表2);而在20 cm之下，＜4 μm和4～16 μm具有一致的變化趨勢(表3)，上下兩段粒徑組分之間的關(guān)系差異，反映了不同粒徑組分受地質(zhì)作用在20 cm左右發(fā)生了重要變化。與此對應，沉積物元素含量也發(fā)生了明顯的變化［12］。因此本文將巖芯分為0～20 cm和20～56 cm兩段分別進行粒級－標準偏差的計算分析。

表2 0～20 cm層位相關(guān)性分析Table 2 The correlation analysis of different size group in the layers 0～20 cm

表3 20～56 cm層位相關(guān)性分析Table 3 The correlation analysis of different size group in the layers 20～56 cm

根據(jù)對20～56 cm層段(1965年之前)沉積物的粒度的分析，粒徑—標準偏差分布曲線中較高標準偏差峰值分別出現(xiàn)在8.71 μm 和45.71 μm(圖3A)，可將粒度組分劃分為組分1(F1)(＜19.95 μm)和組分2(F2)(19.95～181.97 μm)。F1和 F2的含量及其平均粒徑變化如圖4A和圖4B，F(xiàn)1和F2的含量呈反向變化，且F1的平均粒徑變化不顯著(圖4A)，F(xiàn)2的平均粒徑(圖4B)與烏梁素海湖泊沉積物的平均粒徑變化(圖2)趨勢一致，反映F2控制了粒度的變化，是湖泊沉積物的敏感組分。通過F2的粒級范圍與黃河泥沙粒徑頻率曲線(圖3B)的對比，兩者具有相似的粒級范圍，反映了F2主要來源于黃河攜帶的泥沙。對比分析表明，烏梁素海流域退水渠底沉積物(圖3C)與F1的粒級范圍較為一致，F(xiàn)1主要來源與河套地區(qū)灌溉退水攜帶的流域近源物質(zhì)。從F2的含量和平均粒徑來看(圖4B)，從巖芯底部到約 1910年(35 cm)，粗顆粒泥沙增多，沉積物粒度逐漸變粗，這與黃河水動力條件逐漸增強有關(guān)［21，22］，徑流偏多的年份，水動力較強，黃河所攜帶的泥沙增多。1910～1965(35～20 cm)這段時間，F(xiàn)2組分的粒徑變化不明顯，同時根據(jù)元素分析顯示該階段各種元素含量穩(wěn)定［12］，該時期是沉積環(huán)境相對穩(wěn)定的時期。

圖3 不同層位粒徑標準偏差曲線及典型沉積物粒徑頻率分布曲線Fig.3 Standard deviation values vs.grain size of sediment cores and grain-size distribution curves of typical sediments

20 cm以上層段(1965年以來)沉積物的粒徑—標準偏差分布曲線中，較高標準偏差峰值分別出現(xiàn)在2.19 μm和22.91 μm(圖3D)，反映了組分1(F1)(＜5.71 μm)和組分2(F2)(5.71～60.56 μm)兩個粒徑組分受不同來源物質(zhì)影響。就F1和F2的含量和平均粒徑來看(圖4C，D)，F(xiàn)1的平均粒徑和粒度總體平均粒徑一致，說明F1為環(huán)境敏感組分，而粗顆粒組分F2應主要反映了黃河攜帶泥沙的特征，與1965年以來的黃河粒徑的減少與黃河徑流的持續(xù)減小一致［23，24］。細顆粒組分 F1主要由于烏梁素海位于河套平原的最低點，接受了大量灌溉退水攜帶的流域近源物質(zhì)。1965年以來湖岸圍堤及紅圪卜閘的建成，流域侵蝕物質(zhì)不能直接入湖。由于退水中的物質(zhì)組成經(jīng)過了退水渠的再沉積，沉積物粒度組成以細顆粒物質(zhì)為主。由于從1977年以來入湖水量迅速增大，湖泊水位升高，沉積物中細顆粒組分F1含量和入湖水量成正相關(guān)(圖5)，1977～1998年細顆粒組分F1含量明顯增多，與入湖水量的變化趨勢一致，入湖水量的增加伴隨著細顆粒組分含量的顯著增加。而1998年以來總排干入湖水量在減少，細粒徑組分顯著減少，同時2004年以來引黃濟烏的實施，導致黃河泥沙直接進入烏梁素海，烏梁素海湖泊沉積物中粗顆粒組分含量增加。

圖4 不同深度不同來源組分含量及平均粒徑Fig.4 The content of separated grain-size populations and the average particle size of two grain-size populations.

圖5 1965年以來細顆粒組分含量與總排干入湖水量對比圖［25］Fig.5 The contents of fine grain-size populations and the runoff of the main drainage canal in Hetao Plain

4 結(jié)論

烏梁素海湖泊沉積物黏土(＜4 μm)平均含量28.7%，在6～15 cm黏土含量最大，平均含量在37.8%。細粉砂(4～16 μm)含量 34.4%，在 5～15 cm為一較低的階段，平均29.3%。粉砂(16～64 μm)組分平均含量31.5%，砂(＞64 μm)組分含量整體較低，平均5.5%，在35～40 cm，以及20 cm之上存在兩個含量較大的階段，含量平均分別為7.4%和6.9%。但通過相關(guān)分析，在1～20 cm，＜4 μm 粒徑組分和其他粒徑組分反相關(guān);而在20 cm之下，＜4 μm和4～16 μm具有一致的變化趨勢。

通過粒徑—標準偏差方法，結(jié)合流域沉積物粒徑頻率分布曲線的對比研究，發(fā)現(xiàn)1965年之前，湖泊沉積物粒徑的變化主要受控于黃河入湖泥沙的變化，在此階段，從巖芯底部到1910年黃河徑流呈逐漸增強的狀態(tài)，黃河攜帶的泥沙顆粒較粗，進入烏梁素海的粗顆粒泥沙增多，湖泊沉積物粒度逐漸變粗;而1910～1965年進入烏梁素海的各種物質(zhì)粒度特征相對比較穩(wěn)定，反映了較為穩(wěn)定的沉積環(huán)境。1965年以來，人類活動顯著影響了湖泊的沉積物特征，河套平原灌溉退水攜帶的大量流域物質(zhì)控制了沉積物的粒度組成，并且該組分的含量與總排干入湖水量的變化一致。在不同的時期，烏梁素海受人類活動和氣候變化的影響程度不盡一致，上世紀60年代以來，人類活動的影響已顯著影響了湖泊沉積物的組成。在短時間尺度下，分析沉積物的環(huán)境指示意義時，必須綜合分析各種因素對環(huán)境記錄的影響方式和程度，才能對粒度的環(huán)境指示意義得出可靠結(jié)論。

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