瀘沽湖近代沉積環(huán)境時空變化特征及原因分析

林 琪，劉恩峰，張恩樓，沈 吉，袁和忠，王 榮

(1:中國科學(xué)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)(2:中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)(3:南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210044)

瀘沽湖近代沉積環(huán)境時空變化特征及原因分析

林 琪1,2，劉恩峰1，張恩樓1，沈 吉1，袁和忠3，王 榮1

(1:中國科學(xué)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)(2:中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)(3:南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210044)

通過對瀘沽湖沉積巖芯粒度、磁化率(χlf)、化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)等沉積指標的分析，結(jié)合210Pb和137Cs定年結(jié)果以及區(qū)域降水和人類活動等資料，研究了近150年來瀘沽湖沉積環(huán)境的時空變化特征與主要影響因素. 瀘沽湖沉積物粒度組成以黏土與細粉砂為主(> 80%)，細顆粒組分(如黏土)含量與χlf、CIA之間具有顯著相關(guān)性. 各巖芯沉積指標垂向變化規(guī)律相似，1920s之前，沉積指標較為穩(wěn)定，為人類活動影響較弱的準自然沉積階段；1920s以來，χlf、CIA值與黏土含量逐漸升高，反映了風(fēng)化與成壤作用較強的細顆粒表土物質(zhì)侵蝕開始加強，可能與流域農(nóng)業(yè)發(fā)展及森林砍伐等人類活動影響有關(guān)；約1970年以來，χlf、CIA值與黏土含量進一步升高，指示了流域內(nèi)表土侵蝕與上述人類活動影響的進一步增強，與文獻記錄的1970s-1980s兩次大規(guī)模的森林砍伐吻合；約2002年以來，χlf、CIA值與黏土含量降低，反映了表土侵蝕減弱，與近年來流域植被逐漸恢復(fù)及降水減少有關(guān). 與器測資料對比研究表明，降水等氣候因素對近代瀘沽湖沉積環(huán)境演變的影響相對較弱. 空間上，各沉積指標表現(xiàn)出一定的異質(zhì)性. 黏土含量在南部和北部湖區(qū)兩側(cè)靠近洪積扇及沖積平原的湖區(qū)沉積物中較高；近50年以來，各沉積巖芯所反映的平均沉積通量為0.020～0.043 g/(cm2·a)，南部湖區(qū)高于北部湖區(qū)，主要受入湖水系分布及流域南部地區(qū)高強度人類活動導(dǎo)致的土壤侵蝕的影響.

瀘沽湖；沉積特征；時空變化；人類活動

近年來，隨著人類活動影響的不斷增強，全球湖泊環(huán)境問題日益突出，主要表現(xiàn)在湖泊淤積、富營養(yǎng)化和污染等方面[1-3]，由此導(dǎo)致湖泊生態(tài)服務(wù)功能顯著降低[4]. 湖泊生態(tài)環(huán)境變化除了受到氮磷、有機物與重金屬等污染物的影響之外，人類活動與氣候變化導(dǎo)致的土壤侵蝕以及入湖顆粒物來源與組成的改變，對水體透明度與沉積物質(zhì)地具有較大影響，進而影響到湖泊生物群落的演替和生態(tài)環(huán)境演化[4-5]. 開展湖泊沉積物來源與沉積環(huán)境演化重建研究，區(qū)分人與自然要素的影響，對科學(xué)認識湖泊環(huán)境演化的規(guī)律、有效開展環(huán)境保護具有重要意義.

目前，在湖泊沉積環(huán)境演化重建方面主要采用單一鉆孔或者少數(shù)鉆孔[6-8]. 然而，研究表明，受到湖底地形、湖流、徑流和流域人類活動強度等因素的影響，同一湖泊不同湖區(qū)沉積指標變化趨勢與數(shù)值可能存在差異，在沉積通量、碳埋藏量與污染物累積量等定量方面采用單一巖芯存在較大誤差. Rippey等[8]對Kassj?n湖的研究表明，湖心區(qū)沉積物中常量金屬元素、重金屬與磷、有機碳含量分別為全湖平均值的1.25、1.5和1.85 倍. Yang等[9]對英國Lochnagar湖的研究表明，沉積速率與金屬元素累積通量最大值并不在水深最深的湖心區(qū). 對西藏普莫雍錯與納木錯深水區(qū)不同位置巖芯以及表層沉積物的研究[6,10-12]也發(fā)現(xiàn)，沉積指標變化趨勢在整體上具有一定的可比性，但數(shù)值上仍具有明顯的差異，如總有機碳含量總體呈現(xiàn)出在深水區(qū)富集的特點，不同湖區(qū)沉積速率空間差異明顯. 多巖芯對比分析能夠提高對湖泊沉積環(huán)境時空演化規(guī)律的認識，但國內(nèi)外基于多巖芯湖泊環(huán)境時空變化與沉積異質(zhì)性的研究主要集中于淺水湖泊(水深幾米到十幾米)[8-9]，而對大型深水湖泊和湖盆較復(fù)雜的湖泊關(guān)注較少[11-12].

我國西南地區(qū)高原深水湖泊眾多，人類活動對湖泊與流域環(huán)境的影響可追溯到距今4000年前[13]. 近百年來，隨著人類活動影響的進一步增強，部分湖泊水體污染和生態(tài)環(huán)境問題日益突出，如富營養(yǎng)化、重金屬污染、水土流失與湖泊淤積等日益顯現(xiàn)[14-15]. 瀘沽湖作為西南地區(qū)典型的半封閉高原斷陷型深水湖泊，人為干擾相對較弱. 但隨著旅游業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展、流域內(nèi)人口的快速增加，瀘沽湖也面臨著多種生態(tài)環(huán)境問題[16]. 關(guān)于瀘沽湖近百年來環(huán)境演化的研究多側(cè)重于湖泊生態(tài)系統(tǒng)變化及其對區(qū)域氣候變化和人類活動的響應(yīng)，如Zhang等[5]、Guo等[17]研究了搖蚊種群的變化與環(huán)境因子的關(guān)系，Zhang等[18]研究了沉積物中長鏈正構(gòu)烯烴的變化與生態(tài)環(huán)境意義，Wang等[19]的研究揭示了表層沉積物硅藻種群組合與水深的關(guān)系. 然而，關(guān)于瀘沽湖近百年來沉積環(huán)境時空變化規(guī)律的研究尚無報道.

本文通過對瀘沽湖南部湖心區(qū)沉積巖芯粒度、磁化率(χlf)、化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)等指標的分析以及210Pb 和137Cs定年結(jié)果，結(jié)合不同湖區(qū)沉積巖芯磁化率與粒度變化的對比、區(qū)域降水?dāng)?shù)據(jù)和人類活動等資料，研究了近150年來瀘沽湖沉積環(huán)境演化特征；參考不同湖區(qū)沉積巖芯137Cs定年結(jié)果，定量估算近50年來瀘沽湖沉積通量，分析其空間變化規(guī)律，進而探討人類活動與氣候變化對瀘沽湖沉積環(huán)境時空變化的影響，以期為科學(xué)全面地認識瀘沽湖環(huán)境演化過程，有效實施湖泊及其流域生態(tài)環(huán)境保護提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

瀘沽湖(27°41′～27°45′N，100°45′～100°50′E)位于云南省和四川省之間橫斷山脈中段東緣尾部金沙江褶皺帶，行政區(qū)上隸屬于寧蒗縣和鹽源縣. 瀘沽湖湖面海拔2690.8 m，水域面積48.5 km2，最大水深93.5 m，平均水深40.3 m[14]. 瀘沽湖集水面積171.4 km2，補給系數(shù)3.54，屬于半封閉型湖泊[14]. 瀘沽湖主要依靠湖面降水與地表徑流補給，主要入湖河流為三家村河和山跨河等10余條溪澗，湖水通過南部湖區(qū)東部的草海排出入雅礱江(圖1)；年出入湖水量基本平衡，湖泊水位年平均變幅在1.5 m左右[14]. 湖區(qū)屬于亞熱帶高原季風(fēng)型氣候，年均氣溫12.7℃，干濕季節(jié)分明，約80%～90%的降水集中于5-10月[5]，多年平均降水量920 mm[14]. 流域土壤類型垂直分異明顯，海拔2800 m以下為紅壤帶，2800～3600 m為棕壤帶，3600 m以上為暗棕壤[14]. 近年來，湖水總磷濃度約為18.5 μg/L，透明度在6.0～12.0 m之間[20].

瀘沽湖流域為摩梭人的世居地，20世紀初期以前，瀘沽湖流域內(nèi)人口密度較小，以粗放型農(nóng)業(yè)為主，并存在小規(guī)模的森林砍伐[21]. 20世紀上半葉，瀘沽湖流域人口逐漸增加，至新中國成立后，瀘沽湖流域人口增加了一倍，目前約1.3萬人[20]；隨著人口增加，人類活動對流域環(huán)境影響顯著加強，主要包括集約農(nóng)業(yè)發(fā)展和大規(guī)模的森林砍伐[21]，其中農(nóng)業(yè)耕作區(qū)主要集中在流域東南部的洪積扇和沖積平原，其次是在流域東北部的山前平原. 調(diào)查表明，近年來，隨著瀘沽湖自然保護區(qū)的建立，流域植被得以緩慢恢復(fù)[20]，但瀘沽湖濕地資源仍遭到不適當(dāng)?shù)拈_發(fā). 同時，生活垃圾和旅游業(yè)造成的水環(huán)境污染問題也日益明顯[17].

1.2 樣品采集與指標分析

2012年，利用奧地利產(chǎn)UWITEC重力采樣器在瀘沽湖南部湖心區(qū)采集了長30 cm沉積巖芯(編號為LGS)(圖1)，所獲得的沉積巖芯水土界面清晰，現(xiàn)場以0.5 cm間隔分樣，該巖芯上部(約0～4 cm)為淺棕色，中部(約4～16 cm)為土灰色，下部(約16 cm以下)主要為青灰色，沉積物質(zhì)地以粉砂質(zhì)黏土為主. 2014年10月，在瀘沽湖不同水深湖區(qū)又采集了11根沉積巖芯(編號LGH1～LGH11)(圖1)，現(xiàn)場以1 cm間隔分樣，巖性特征與LGS巖芯相似. 所有沉積物樣品均置于密封袋內(nèi)帶回實驗室以備分析.

LGS巖芯樣品主要分析粒度、磁化率、金屬元素含量以及210Pb與137Cs活度等，LGH1～LGH11巖芯除210Pb活度未分析外，其余分析指標與LGS巖芯一致.210Pb、226Ra和137Cs活度采用美國EG & G Ortec公司生產(chǎn)的高純鍺井型探測器(HPGe GWL-120-15)測定. 沉積物低頻磁化率使用Bartington公司生產(chǎn)的MS2型磁化率測量儀測定(0.47 kHz)，結(jié)合樣品重量計算獲得質(zhì)量磁化率. 沉積物樣品先后用5%雙氧水、5%稀鹽酸處理，分別去除有機質(zhì)和碳酸鹽后，加入六偏磷酸鈉離散劑并超聲震蕩，沉積物粒度組成采用英國Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型激光粒度儀進行分析. 沉積巖芯樣品冷凍干燥、研磨后，經(jīng)鹽酸-硝酸-氫氟酸消解后，采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES)測定金屬元素(Al、Fe、K、Na、Ca、Mg、Ti等)含量，分析過程中采用標準參考物質(zhì)GBW07358進行質(zhì)量控制與精度比對，各金屬元素含量最大誤差均小于7%. 所有樣品測試均在中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室完成.

根據(jù)金屬元素含量，計算獲得化學(xué)蝕變指數(shù)[CIA=100×Al2O3/(Al2O3+K2O+Na2O+CaO*)][22]，式中氧化物為摩爾質(zhì)量百分比，而CaO*指的是硅酸鹽礦物中的Ca含量，不包括碳酸鹽和磷酸鹽等礦物中結(jié)合的Ca，本文采用McLennan提出的方法進行CaO含量校正[23]. CIA指示了流域巖土體中長石風(fēng)化成黏土礦物的程度，CIA值越大，反映物源區(qū)化學(xué)風(fēng)化程度越強[22].

數(shù)據(jù)分析采用SPSS 19統(tǒng)計軟件；沉積指標垂向與空間變化分別采用Golden Software公司的Grapher 9和Surfer 10軟件繪制，粒度組成、沉積通量等值線采用克里金插值法.

圖1 瀘沽湖沉積巖芯采樣點位置與編號(圖中虛線為水深等值線，根據(jù)文獻[14]繪制)Fig.1 Samping sites and numbers of the sediment cores from Lake Lugu

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積巖芯年代

LGS巖芯中137Cs活度在10.5 cm處存在顯著的峰值(圖2)，210Pbex活度隨深度增加呈指數(shù)降低[18]，137Cs和210Pbex變化指示了較為穩(wěn)定的沉積序列，根據(jù)210Pbex與137Cs活度建立的LGS巖芯年代結(jié)果見文獻[18]. LGS巖芯年代-深度序列與Guo等[17]在瀘沽湖南部湖心區(qū)相鄰位置的巖芯研究結(jié)果相近，如1920年分別對應(yīng)20和18.5 cm,1980年分別對應(yīng)10和11 cm.

LGH1～LGH11沉積巖芯137Cs比活度垂直變化如圖2所示，各巖芯中137Cs均出現(xiàn)較明顯峰值. 與北半球大氣137Cs沉降通量相比[24]，瀘沽湖沉積巖芯中137Cs峰值深度以下，137Cs活度存在明顯的拖尾現(xiàn)象，可能與還原條件下137Cs垂直擴散有關(guān)[25]. 研究表明，沉積物中137Cs擴散遷移對其峰值所對應(yīng)的沉積層位不會產(chǎn)生影響，并不影響137Cs作為全球核爆事件的時標定年[24]. 不同湖區(qū)沉積巖芯137Cs峰型的差別可能與流域侵蝕二次輸入等因素有關(guān)[24]. Wan等[26]對云南深水湖泊的研究表明，由大氣沉降到水體中137Cs需要一年左右的滯留時間才能完全到達湖泊沉積物中. 對照137Cs在北半球的大氣沉降規(guī)律[24]，瀘沽湖各巖芯137Cs峰值深度對應(yīng)于1964年(圖2).

圖2 瀘沽湖沉積巖芯137Cs活度變化(Bq/kg)Fig.2 Variation of 137Cs activities in sediment cores from Lake Lugu

2.2 LGS巖芯沉積指標變化特征

LGS巖芯沉積物粒度組成以黏土和細粉砂為主，其中黏土(< 4 μm)含量為41%～70%，平均值為49%；細粉砂(4～16 μm)含量為26%～42%，平均值為36%；粗粉砂(16～63 μm)與砂(≥ 63 μm)的平均含量分別為15%和1%. 磁化率值為70×10-8～428×10-8m3/kg，平均值為204×10-8m3/kg. CIA值變化范圍為81.8～85.9，均值為83.3，指示沉積物經(jīng)歷了較強的化學(xué)風(fēng)化[22]. 垂向上，深度20 cm(1920年)以下沉積物粒度組成較穩(wěn)定，砂含量有所波動但總體較小(平均為2%)，磁化率與CIA值較低且變化較??；20～10 cm(1920-1970年)，黏土含量、磁化率與CIA值均逐漸升高，中值粒徑逐漸降低；10～3.5 cm (1970-2002年)，各沉積指標延續(xù)了上一階段的變化趨勢，但增加/降低更加明顯；3.5 cm以上(2002年以來)，黏土含量、磁化率與CIA值均逐漸降低(圖3).

圖3 瀘沽湖LGS巖芯粒度、磁化率與CIA的變化Fig.3 Variation of grain size, magnetic susceptibility and CIA in core LGS from Lake Lugu

2.3 不同湖區(qū)沉積巖芯磁化率與粒度的垂向變化

瀘沽湖不同湖區(qū)沉積巖芯CIA值、黏土含量變化趨勢與磁化率相似，具有顯著相關(guān)性(r>0.85,P<0.01)，本文主要對磁化率與粒度進行分析. LGH1～LGH11沉積巖芯中磁化率值為55×10-8～559×10-8m3/kg，平均為207×10-8m3/kg. 不同水深湖區(qū)沉積巖芯磁化率垂向變化規(guī)律與LGS巖芯相似(圖4)，沉積巖芯下部磁化率較低且相對穩(wěn)定；沉積巖芯中部磁化率逐漸上升，沉積巖芯頂部磁化率逐漸降低. 但不同沉積巖芯磁化率開始出現(xiàn)增加的深度不同，如LGH3、LGH5巖芯磁化率分別在12和23 cm處開始增加，具有明顯差別，可能與上述兩個巖芯所處湖區(qū)沉積速率差異有關(guān). 基于LGS巖芯年代序列，可以初步確定瀘沽湖各沉積巖芯下部磁化率開始出現(xiàn)增加的層位對應(yīng)于約1920年(圖4). 為了進一步對比不同沉積巖芯磁化率與粒度的變化趨勢，采用沉積巖芯頂部樣品作為參照對各沉積巖芯的磁化率與黏土含量進行歸一化. 結(jié)果顯示，各指標垂向變化趨勢一致(圖5)，指示瀘沽湖不同水深湖區(qū)沉積環(huán)境演化趨勢具有相似性，這與納木錯等湖泊研究結(jié)果一致[12]；但不同沉積巖芯指標變化幅度仍存在一定的差別(圖5)，說明瀘沽湖沉積特征存在一定的空間異質(zhì)性.

圖4 瀘沽湖沉積巖芯磁化率垂向變化(×10-8 m3/kg)Fig.4 Vertical variations of magnetic susceptibility in the sediment cores from Lake Lugu

圖5 瀘沽湖沉積巖芯磁化率和黏土含量的歸一化圖Fig.5 Normalized curves of magnetic susceptibility and clay content in the sediment cores from Lake Lugu

2.4 沉積通量和粒度組成的空間變化

依據(jù)各巖芯1964年時標所對應(yīng)的深度以及單位面積沉積物干重，計算獲得近50年來瀘沽湖的平均沉積通量為0.020～0.043 g/(cm2·a)，算術(shù)平均值為0.031 g/(cm2·a). 空間上，沉積通量總體呈由南部湖區(qū)向北部湖區(qū)逐漸降低的規(guī)律(圖6)，南部湖區(qū)沉積通量算術(shù)平均值(0.038 g/(cm2·a))為北部湖區(qū)(0.024 g/(cm2·a))的1.58倍. 各湖區(qū)沉積通量也存在一定空間差異，如北部湖區(qū)東部淺水區(qū)沉積通量相對較低，南部湖區(qū)近南岸區(qū)域沉積通量較高(圖6). 近50年來瀘沽湖沉積物中黏土平均含量也存在一定空間差異，北部湖區(qū)北部水域和南部湖區(qū)東南部水域沉積物中黏土含量相對較高. 統(tǒng)計分析表明，各巖芯1964年以來的平均沉積通量與水深、黏土平均含量均無顯著相關(guān)性(r<0.50,P>0.20).

圖6 1964年以來瀘沽湖平均沉積通量以及黏土百分含量等值線圖Fig.6 Contour maps of the average mass accumulation rates and clay percentage since 1964 in Lake Lugu

選取各沉積巖芯1920年層位(文中2.3節(jié)所述)以下3個樣品，代表人類活動影響較弱的準自然階段沉積物，選取各巖芯1964年深度和頂部樣品，對比分析了各時期黏土含量的變化(圖7). 結(jié)果顯示，不同時期沉積物黏土含量空間分布規(guī)律總體相似，北部與南部湖區(qū)近岸區(qū)域黏土含量較高，北部湖區(qū)東南部黏土含量較低. 時間上，3個時段黏土平均含量分別為39%、48%和53%，呈逐漸增加的趨勢，這與LGS沉積巖芯黏土含量變化結(jié)果一致；與1920年之前相比，1964年沉積物與表層沉積物中黏土含量在南部湖區(qū)東部和北部湖區(qū)北部增加較明顯.

圖7 瀘沽湖不同時期沉積物黏土百分含量等值線圖Fig.7 Contour maps of clay percentages in sediments of Lake Lugu at different periods

3 討論

3.1 瀘沽湖沉積環(huán)境演變與影響因素

近150年以來瀘沽湖沉積指標發(fā)生了兩次明顯變化，1920年以前，沉積物粒度組成相對穩(wěn)定，磁化率值和CIA值較低，說明沉積環(huán)境和流域物質(zhì)輸入較穩(wěn)定；1920年以來，沉積指標與前期相比發(fā)生明顯變化，黏土含量、磁化率與CIA值均逐漸升高，反映了風(fēng)化程度較高的富含磁性礦物的細顆粒物質(zhì)增加，同時湖泊沉積通量升高[18]；2002年以來，黏土含量、磁化率與CIA值均逐漸降低.

瀘沽湖作為一個半封閉高山深水淡水湖泊，入湖河流都十分短小，其沉積物無機組分主要來自流域土壤和風(fēng)化的巖石碎屑[5,14]. 與淺水湖泊沉積物粒度組成受到水位變化影響較大不同[27]，瀘沽湖平均水深40.3 m，水位波動較小，同一采樣點沉積巖芯中粒度變化受湖泊水位波動影響較小，地表徑流強度、侵蝕模式與物源是影響沉積物粒度的主要因素，其中降水量變化通過影響地表徑流強度而在相當(dāng)程度上決定著進入湖泊的陸源顆粒物組成[27-29]. 降水量大的年份，地表徑流發(fā)育，其剝蝕和搬運能力增強，沉積物粒徑增大，反之沉積粒度粒徑降低[27-28]. 結(jié)合麗江氣象站1950年以來的降水資料，對比研究了LGS巖芯沉積物中值粒徑與降水量的變化(圖8). 結(jié)果顯示，二者變化趨勢明顯不同，如1960年前后降水量較少而沉積物中值粒徑偏大；1960-1965年前后，降水量偏高而中值粒徑較?。?965-2000年前后中值粒徑逐漸減小，而降水量呈現(xiàn)出先減小、1980s中期以后又逐漸增加的趨勢. 雖然1998-2008年前后中值粒徑與降水量變化趨勢一致，均逐漸減小，但從整個對比時段(1950年以來)來看，1998-2008年的幾乎是近60年平均降水量偏高的時期，而中值粒徑卻處于相對低值. 此外，1950年以來降水量在1963、1983、1990、2000年前后均出現(xiàn)峰值，而沉積物中值粒徑并未呈現(xiàn)出相應(yīng)的增加特征，這與已有研究中降水量對沉積物粒度組成影響的認識不同[27-29]. 相關(guān)性分析也表明，1950年以來降水量與沉積物中值粒徑無顯著的相關(guān)關(guān)系(n=30,r=-0.345,P=0.067). 因此，作者認為本研究時段內(nèi)瀘沽湖沉積物粒度組成變化受降水等氣候影響相對較弱，這與人類活動影響較弱的納木錯粒度組成等沉積指標主要受氣候影響明顯不同[11].

圖8 1951-2012年麗江氣象站年降水量與LGS巖芯中值粒徑變化Fig.8 Variation of annual rainfall in Lijiang weather station from 1951 to 2012 and median diameter of core LGS

除了降水量之外，流域土壤侵蝕模式與物源的變化對沉積物粒度及磁化率也會產(chǎn)生一定影響[29-30]. 土壤侵蝕可分為面蝕、細溝侵蝕、沖溝侵蝕與溝岸侵蝕等[31]，主要受地形、降水以及土地覆被的影響. 與深層土壤相比，表層土壤由于經(jīng)歷了較強的風(fēng)化與成壤作用，其粒級組成較小，具有較高的CIA值，我國熱帶、亞熱帶地區(qū)(如云南)紅色風(fēng)化殼的富鐵鋁化和“磁赤鐵礦化”使得表層土壤中鐵磁性物質(zhì)豐富[32]，磁化率較高；而深層土壤所經(jīng)歷的化學(xué)風(fēng)化作用相對較弱，不完整反鐵磁性礦物含量較高[33]，磁化率較低. 流域植被覆蓋較高時，土壤侵蝕以細溝侵蝕、沖溝侵蝕與溝岸侵蝕為主，水流所攜帶的顆粒物主要來自更多的深層土壤，粒度組成較粗，沉積物磁化率較低[34]；森林砍伐等人類活動影響使得地表破碎度增加，表層土壤由于缺乏植被的保護，易受到降水侵蝕的影響，入湖顆粒物中來自土壤面蝕的比重增加，帶入水體的富含鐵磁性物質(zhì)的細顆粒物比例增加[34-35].

根據(jù)相關(guān)資料[21,36]，摩梭人世居于川滇交界地區(qū)，清朝以后，居住范圍縮小，主要集中在四川鹽源縣和云南寧蒗縣的瀘沽湖周圍地區(qū). 20世紀初期以來，摩梭族與外界溝通加強，瀘沽湖流域人口增加、人類活動對流域環(huán)境影響開始加劇，這可能對應(yīng)著1920年左右湖泊沉積指標開始發(fā)生變化. 新中國成立以來，瀘沽湖流域人類活動強度進一步增加，主要包括大規(guī)模森林砍伐和農(nóng)業(yè)發(fā)展，水土流失問題日益顯現(xiàn)[21]. 隨著瀘沽湖流域人類活動對流域原有植被的持續(xù)破壞，表層松散土壤抗侵蝕能力減弱，風(fēng)化與成壤作用較強的細顆粒表土物質(zhì)入湖比例增加，由此導(dǎo)致瀘沽湖沉積物黏土含量增加、中值粒徑減小，湖泊沉積通量上升[17]. 1970s和1980s初期瀘沽湖流域發(fā)生了兩次大規(guī)模砍伐[20]，這可能是1970年后沉積物黏土含量與磁化率快速升高的主要原因. 對瀘沽湖流域22個表土與巖石樣品分析表明(尚未發(fā)表資料)，表土磁化率平均為575×10-8m3/kg，而基巖樣品磁化率平均僅為41×10-8m3/kg；1970s以來沉積物磁化率與表土磁化率較為接近，反映了流域表土侵蝕對瀘沽湖沉積環(huán)境的影響. 雖然1986年“瀘沽湖省級自然保護區(qū)”成立，但入湖物質(zhì)成分與前期相比沒有明顯改變. Bai等[20]研究表明，1995-2005年瀘沽湖流域農(nóng)業(yè)用地減少了44.9%，林地與草地增加了54.8%；近年來瀘沽湖流域森林覆蓋率由2003年的54.5%增加到68.7%[37]. 2002年以來，細顆粒沉積物含量、磁化率與CIA值均有所降低(圖3、4)，可能與瀘沽湖流域近年來地表植被逐漸恢復(fù)等環(huán)境保護措施的實施導(dǎo)致流域表土侵蝕減弱有關(guān). 此外，近10年以來降水減少，中值粒徑升高，磁化率與CIA值降低，還可能與人類活動影響的減弱，降水對瀘沽湖物源輸入的影響增強有關(guān)(圖3、8). 瀘沽湖流域森林砍伐和農(nóng)業(yè)發(fā)展導(dǎo)致的土壤侵蝕條件改變及其對湖泊沉積環(huán)境的影響與Wang等[34]對貴州石板橋水庫和小河水庫的研究結(jié)論一致，并與星云湖和洱海流域早期(AD 500-1050)森林砍伐及農(nóng)業(yè)發(fā)展等人類活動對湖泊沉積環(huán)境的影響相似[4,38]，但類似的早期人類活動對流域與湖泊沉積環(huán)境的影響在瀘沽湖地區(qū)是否存在，還有待進一步研究.

近150年來瀘沽湖沉積環(huán)境演變與我國西南地區(qū)的其他湖泊具有相似的特征，如撫仙湖近代沉積環(huán)境開始變化于1930s，主要受到圍墾、流域水系變化和工礦業(yè)活動的影響[29]；洱海和屬都湖沉積環(huán)境變化與1950s以來流域農(nóng)業(yè)活動、水利工程修建息息相關(guān)[3]. 然而，在人類活動方式與強度及其對湖泊生態(tài)環(huán)境影響程度等方面仍存在一定的差異，如營養(yǎng)鹽輸入與外來魚種的引入是洱海、程海及撫仙湖等浮游動植物種群等生態(tài)環(huán)境發(fā)生顯著改變的主要影響因素[39-40]；而結(jié)合本文和相關(guān)研究[5,17-18]，認為瀘沽湖生態(tài)環(huán)境變化主要受到流域土壤侵蝕、氣溫以及近年來生活污水輸入的影響，其中黏土等細顆粒組分的增加導(dǎo)致的水體透明度下降是1970s-1980s以來瀘沽湖水生生物種群組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的主要影響因素之一[5].

3.2 瀘沽湖沉積空間異質(zhì)性分析

瀘沽湖沉積通量總體呈由南部湖區(qū)向北部湖區(qū)逐漸降低的規(guī)律(圖6). 眾多研究表明[7-8,10,41]，受湖泊水深與水下地形、湖流等影響，由近岸區(qū)域至湖心通?？蓜澐譃榍治g帶、過渡帶與沉積物累積帶，沉積通量一般由淺水區(qū)至深水區(qū)逐漸增加. 鑒于瀘沽湖南北兩個湖區(qū)水深的差異，對采樣點較多、水深變化較大的瀘沽湖北部湖區(qū)各巖芯1964年以來的平均沉積通量與采樣點水深進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明二者無典型相關(guān)性(n=7,r=0.52,P=0.23)，說明水深對瀘沽湖沉積通量空間變化影響較小，這與國外部分研究結(jié)果一致[8]. 除了湖泊內(nèi)部環(huán)境因素，陸源物質(zhì)輸入是影響湖泊沉積通量的主要因素[41]. 瀘沽湖流域南部發(fā)育面積較大的洪積扇和沖積平原，20世紀初期特別是建國后逐漸被發(fā)展為流域內(nèi)主要的農(nóng)業(yè)基地，但由于土層瘠薄，不易保水，農(nóng)民為改良土壤而從山林中運土到湖濱耕地[42]，加重了這些區(qū)域的水土流失；瀘沽湖入湖水系中最主要的兩條河流(三家村河和山跨河)分別位于南部湖區(qū)的西南部和東南部. 因此，我們認為人類活動(如森林砍伐、農(nóng)業(yè)開墾)及入湖河流分布可能是導(dǎo)致南部湖區(qū)沉積通量較高的主要原因. 此外，瀘沽湖唯一的出水口位于東南部，湖水經(jīng)由草海流出，東南部湖區(qū)水生植被較為發(fā)育，水生植物的阻攔作用也利于沉積物的堆積[43]，是造成東南部湖區(qū)沉積通量較高的重要影響因素. 總之，近50年來瀘沽湖沉積通量空間變化主要受控于流域人為活動造成的陸源物質(zhì)輸入；而納木錯的相關(guān)研究表明，其沉積通量主要受水深、水下地形以及入湖河流分布的影響[11].

物源與水動力條件被認為是影響湖泊沉積物粒度組成的主要因素[27]，受湖泊水動力的影響，由湖岸到湖心沉積物粒度組成逐漸變細[28]. 然而，瀘沽湖南部和北部湖區(qū)近岸區(qū)域采樣點黏土含量較高(圖6、7)，不同時期沉積物中黏土含量與水深無顯著相關(guān)性(北部湖區(qū)，n=7,r<0.05,P>0.90)，并且1964年以來的黏土平均含量和平均沉積通量也無顯著相關(guān)性(n=12，r=0.40，P=0.21)，這與上述湖泊沉積物粒度空間變化主要受湖泊水深與水動力影響的觀點不一致. 結(jié)合前文分析，認為瀘沽湖沉積物粒度空間變化可能主要受物源區(qū)土壤粒度組成的影響，毗鄰流域人類活動強烈影響的湖區(qū)沉積物粒度組成更細，如流域東南部和東北部的主要農(nóng)業(yè)耕作區(qū)附近湖區(qū)的沉積物黏土含量較高(圖7).

研究表明[7-8]，湖泊水下地形坡度<3%(坡度百分比，即高程增量與水平距離之比)的區(qū)域主要為堆積區(qū)，沉積環(huán)境比較穩(wěn)定；而水下地形坡度> 10%的湖區(qū)，以侵蝕搬運作用為主. 瀘沽湖沉積通量與黏土含量并未表現(xiàn)出隨水深增加而升高的規(guī)律，除了與流域物源輸入有關(guān)之外，還與南部湖區(qū)沉積巖芯采樣點水深大于20 m，北部湖區(qū)沉積巖芯采樣點水深大于40 m，與近岸區(qū)域相比，本研究采樣點水下地形相對平緩(坡度<3.3%)有關(guān). 瀘沽湖水下地形坡度較大的近岸區(qū)域理論上存在一定的沖刷作用，其沉積通量及沉積物粒度組成與深水區(qū)可能存在一定差異，還需補充采樣進一步研究.

4 結(jié)論

近150年瀘沽湖沉積環(huán)境演化具有明顯的階段性特征，1920年之前，沉積物磁化率、CIA與粒度組成變化較小，流域物質(zhì)輸入較為穩(wěn)定，反映了人類活動影響較弱的準自然演化階段；1920年開始，特別是1970年以來，沉積物中黏土含量、磁化率、CIA值均明顯升高，反映了風(fēng)化程度較高的細顆粒表土物質(zhì)侵蝕加強，這主要與流域人口增加及人類活動影響加劇(如森林砍伐和農(nóng)業(yè)耕作等)有關(guān). 瀘沽湖不同水深湖區(qū)沉積指標變化趨勢相似，但變幅仍具有較大不同，指示了沉積特征的空間差異. 近50年來南部湖區(qū)的平均沉積通量高于北部湖區(qū)，與流域內(nèi)水系分布和人類活動強度的空間特征一致. 沉積物中粒度組成主要與人類活動影響下的物質(zhì)來源有關(guān)，黏土等細顆粒含量高值主要分布于毗鄰流域農(nóng)業(yè)等人類活動影響較大的南部與北部近岸湖區(qū). 瀘沽湖多巖芯分析表明，采用深水區(qū)單一巖芯沉積指標能夠反映沉積環(huán)境演化趨勢，但鑒于沉積通量與沉積環(huán)境的空間異質(zhì)性，在碳埋藏和重金屬等污染物累積定量研究方面宜采用多巖芯綜合分析.

致謝：羊向東研究員、王倩博士、陳嶸博士參加野外采樣并協(xié)助進行磁化率分析，朱育新副研究員、蔡艷杰協(xié)助完成金屬元素測定，夏威嵐高級工程師完成沉積巖芯年代測定，在此深表感謝.

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Temporal and spatial variations in sedimentary characteristics of Lake Lugu during the last hundred years and the influence factors analysis

LIN Qi1,2， LIU Enfeng1**， ZHANG Enlou1， SHEN Ji1， YUAN Hezhong3& WANG Rong1

(1:StateKeyLaboratoryofLakeScienceandEnvironment,NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,P.R.China)(2:UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,P.R.China)(3:SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,P.R.China)

Twelve short sediment cores were collected from Lake Lugu to analyze the particle size composition, magnetic susceptibility (χlf), metal content and chemical index of alteration (CIA) in this study. Referencing to the210Pb and137Cs dating results, natural factor such as precipitation on the sedimentary characteristics, and human activity records such as agricultural expansion and deforestation, the temporal and spatial variations in sedimentary characteristics of Lake Lugu in recent 150 years and were discussed. The results indicated that the sediments of Lake Lugu were mainly (> 80%) composed of clay and fine silt. The fine fractions (such as clay) showed typical positive correlations with χlfand CIA. The sedimentary proxies showed similar vertical changes in the cores from different lake areas. Before 1920s, χlfand CIA remained low values and the grain size compositions were stable, suggesting weak human disturbance and stable particle input from the catchment. The clay content, χlfand CIA increased gradually since 1920s, which were more remarkable change sinceca.1970, indicating enhanced erosion of well-weathered and fine-grained topsoil probably relating to intensive agricultural development and deforestation in Lake Lugu Catchment. The χlfand CIA tended to decreasing and median grain size increased since around 2002, which suggested decreasing topsoil erosion attributing to the implement of environmental protection measures such as vegetation recovery in the catchment. Study between the sedimentary proxies and instrumental data showed that climate factors such as precipitation had a weaker effect on the sedimentary evolution of Lake Lugu when compared to human perturbation. Spatially, the sedimentary proxies showed obvious heterogeneity. There was higher clay content in the surface sediments in north and south lake areas where they were near the pluvial-alluvial plains. The mean mass accumulation rates were 0.020-0.043 g/(cm2·a) since 1964, which showed higher values in the south Lake Lugu than in the north Lake Lugu. The high accumulation rate in the south lake should be ascribed to a fact that are influenced by inflow and outflow rivers and the strong soil erosion from the south catchment caused by intensive human activities.

Lake Lugu; deposition features; temporal and spatial variations; human activities

*科技部基礎(chǔ)性工作專項(2014FY110400)、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2012CB956104)和國家自然科學(xué)基金項目(41271214)聯(lián)合資助. 2016-03-23收稿；2016-05-05收修改稿. 林琪(1990～)，男，碩士研究生；E-mail: linqiww0523@163.com.

*通信作者；E-mail: efliu@niglas.ac.cn.

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2017， 29(1)： 246-256

DOI 10.18307/2017.0126

?2017 byJournalofLakeSciences