武漢地區(qū)人類世的湖泊沉積指示

張 靜，張玉芬，李長安，李國慶，賈明明

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地理與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430078；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

在過去的百年中，人類被公認為是現(xiàn)代全球環(huán)境變化的主要驅(qū)動力，人類活動對全球氣候和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了深刻的影響，在地球系統(tǒng)中發(fā)揮的作用越來越突出。荷蘭的大氣化學(xué)家Crutzen在2002年首次提出“人類世”這一概念，認為用“人類世”一詞可代表一個新的地質(zhì)時代，突出當(dāng)今人類在地球和生態(tài)系統(tǒng)中的核心作用。人類世問題近年來已逐步成為環(huán)境、地球科學(xué)及其相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的一個研究熱點。人類世議題的真正價值不僅僅是劃分一個新的地質(zhì)時期，而且是當(dāng)前該如何恢復(fù)并保持人類與自然的和諧發(fā)展。由此可見，人類世界限問題可有廣義和狹義之分，狹義人類世界限是指地質(zhì)上的地層界限意義，即從地層中尋找一個確定人類世邊界的標(biāo)志物——地質(zhì)學(xué)界公認的“金釘子”(GSSP)；廣義人類世界限則是人類干預(yù)自然的程度表征。狹義的人類世界限強調(diào)全球一致性，而廣義的人類世界限則有明顯的地區(qū)性。就人類世提出的初衷來看，廣義人類世界限的討論與研究顯然具有更重要的意義。由于各地自然環(huán)境的明顯差異，社會和經(jīng)濟發(fā)展的不平衡，故在不同地區(qū)，從不同的角度尋找人類活動何時對地球系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響的證據(jù)，對“人類世”這一研究領(lǐng)域有重要的意義。

武漢位于漢水與長江交匯之處，是位于中國中部對接南北、連通東西的特大型城市，城市發(fā)展對區(qū)域生態(tài)環(huán)境有重大的影響力和代表性，因此開展武漢地區(qū)的人類世界限研究對于揭示人類活動對于武漢地區(qū)自然環(huán)境的影響程度有深刻意義。而用湖泊沉積物尋找武漢地區(qū)人類世界限的研究目前尚未展開，且武漢作為“百湖之市”，湖泊沉積是“人類世”研究的良好載體。為此，本文重點依據(jù)湖泊沉積就武漢地區(qū)的“人類世”——人類活動對地質(zhì)環(huán)境顯著影響的起始界限進行了討論。

1 武漢地區(qū)人類世的湖泊沉積記錄

湖泊沉積物以其分辨率高、沉積連續(xù)、包含信息豐富等特點成為不同時間尺度的環(huán)境重建的有效載體。武漢地區(qū)湖泊眾多，其城市發(fā)展與湖泊息息相關(guān)，梁子湖、東湖和漲渡湖是其中的典型代表。梁子湖是位于武漢市東南部，橫跨武昌、鄂州的湖北省第二大淡水湖，也是武漢城市圈的中心湖，廣闊的水域面積使其成為周邊工農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要用水來源；東湖作為武漢地區(qū)最大的城中湖，是武漢市的重要水源地之一，其發(fā)展演化是武漢城市發(fā)展史的一部分；漲渡湖曾為武漢市長江北岸與長江自然相通的大型湖泊，迫于人口壓力，受到人類大規(guī)模圍墾和水利建設(shè)的影響，面積已由20世紀(jì)50年代之前的255 km銳減到37.7 km。武漢地區(qū)這些湖泊近一百年來受人類活動的強烈干擾，湖區(qū)生態(tài)環(huán)境已遭受嚴重破壞，在其湖泊沉積物中可以明顯捕捉到人類活動的痕跡。因此，本文主要選取了武漢地區(qū)的梁子湖、東湖和漲渡湖來進行武漢地區(qū)人類世界限探討。即結(jié)合歷史文獻中對這些湖泊沉積物所做的相關(guān)研究，主要通過湖泊沉積記錄中的農(nóng)業(yè)發(fā)展記錄、工業(yè)發(fā)展記錄、環(huán)境污染記錄的分析，來尋找武漢地區(qū)人類世界限的證據(jù)。

1. 1 農(nóng)業(yè)發(fā)展記錄

1.1.1 湖泊沉積物中有機氯農(nóng)藥(OCPs)含量變化

有機氯農(nóng)藥(OCPs)在我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展進程中曾發(fā)揮了重要作用。OCPs是用于防治植物病蟲害的含有有機氯元素的有機化合物，主要在農(nóng)業(yè)中用作殺蟲劑。常見的OCPs主要包括DDTs、HCHs和七氯，其不易降解的性質(zhì)可使其隨地表徑流進入湖泊中并沉積下來。湖泊沉積物中被檢出的OCPs是直接反映人類活動干擾湖泊自然沉積的重要指標(biāo)。在我國已調(diào)查的17個主要湖泊中，湖北的汈汊湖、排湖、鴨兒湖、洪湖沉積物中OCPs的總殘留水平相對較高。方敏等以武漢地區(qū)周邊的洪湖為例，對其湖泊沉積物中OCPs的質(zhì)量分數(shù)進行了測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在湖泊沉積物柱芯樣品中的OCPs含量呈現(xiàn)由深層向表層增加的趨勢[見圖1(a)]，通過Pb同位素定年發(fā)現(xiàn)在湖泊沉積物深度為23 cm處，即1963年出現(xiàn)了首個OCPs污染高峰值。同樣,在龔香宜等的研究發(fā)現(xiàn)，在洪湖沉積物深度為24 cm處，即1966年后湖泊沉積物中DDT和HCH出現(xiàn)了明顯的增長趨勢[見圖1(b)]。我國20世紀(jì)60年代在農(nóng)業(yè)活動中大范圍使用了OCPs，洪湖地區(qū)周邊人類的農(nóng)業(yè)活動使得湖泊沉積物中的OCPs在1960年以后有了明顯的增加。

圖1 洪湖湖泊沉積物柱芯樣品中有機氯農(nóng)藥(OCPs) 沉積記錄[(a)改繪自方敏等[27];(b)改繪自龔香宜等[28])Fig.1 Depositional history record of OCPS in the sediment core samples from Honghu Lake (a.modified from Fang et al.[27]; b.modified from Gong et al.[28])

1.1.2 湖泊沉積速率變化

沉積速率可以反映湖泊沉積物的沉積年代以及人類活動與湖泊沉積的關(guān)系。近現(xiàn)代一系列人類活動如土地開發(fā)、城市建設(shè)、現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)活動開展等，使得地表侵蝕力度加大，大量的陸源碎屑物質(zhì)經(jīng)地表徑流被大量搬運并帶入湖泊，致使湖泊沉積速率變大。

短期的湖泊沉積速率可以反映湖泊動力特征變化。目前，Pb和Cs測年法是較為常見的估算百年沉積尺度計年方法。楊洪等對東湖兩個站點東湖Ⅰ站(郭鄭湖)和東湖Ⅱ站(水果湖)湖泊沉積物采用Cs和Pb測年法分別得到的湖泊沉積速率結(jié)果進行了對比(見表1)，以探討近百年人類活動對湖泊沉積速率變化的影響及驅(qū)動機制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1964年至1975年之間東湖沉積速率最大，兩個站點湖泊沉積物柱芯樣品分別在28 cm和22 cm處出現(xiàn)了Cs峰值(見圖2)；自1964年之后東湖沉積速率開始降低并趨于穩(wěn)定。顧延生等采用Pb測年法對梁子湖湖泊沉積物進行計年時發(fā)現(xiàn)，湖泊沉積物柱芯樣品在20 cm處出現(xiàn)了Pb峰值(見圖3)，其沉積年代為1967年。

表1 東湖兩個站點湖泊沉積物柱芯樣品137Cs測年法的測定結(jié)果

圖2 東湖兩個站點湖泊沉積物中137Cs活度隨深度 分布圖(改繪自楊洪等[31])Fig.2 Distribution of 137Cs activities with depth in sediments of two stations in East Lake (modified from Yang et al.31)

圖3 梁子湖湖泊沉積物中210Pb活度隨深度分布圖 (改繪自顧延生等[19])Fig.3 Vertical distribution of 210Pb activities in core of Liangzi lake (modified from from Gu et al.[19])

通過對上述圖表進行分析可知，這一時期武漢地區(qū)湖泊沉積速率變化與湖區(qū)周邊的人類活動密不可分，20世紀(jì)50年代后大規(guī)模農(nóng)業(yè)圍墾導(dǎo)致湖區(qū)周圍水土流失現(xiàn)象頻發(fā)，在20世紀(jì)50年代中期面積大于100畝的城市湖泊已銳減到59個；同期武漢市大煉鋼鐵高潮迭起，對湖區(qū)周圍植被產(chǎn)生了嚴重的破壞，大量的侵蝕物質(zhì)被帶入湖中，從而使湖泊沉積速率急劇上升。由此可見，20世紀(jì)60年代武漢地區(qū)湖泊沉積速率迅速加快。

1.1.3 湖泊沉積物的粒度變化

湖泊沉積物的粒度變化可判別沉積環(huán)境和水動力條件。近年來人類活動對湖區(qū)自然環(huán)境的破壞日益加劇，森林砍伐、土地圍墾會導(dǎo)致流域內(nèi)地表侵蝕加速，水庫的攔截作用等均會導(dǎo)致湖泊沉積物的粒度發(fā)生變化。

張清慧等結(jié)合歷史文獻并采用多種指標(biāo)分析了近百年來人類活動對梁子湖和漲渡湖湖泊生態(tài)環(huán)境不同程度的影響，對梁子湖和張渡湖湖泊沉積物柱芯樣品采用Pb 和Cs相結(jié)合的測年法計年并建立了不同深度年代序列圖，通過分析湖泊沉積物中的中值粒徑變化特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在梁子湖深度為23～11 cm處，即1963—1994年期間，梁子湖湖泊沉積物中的中值粒徑開始顯著增大并呈現(xiàn)波動增長的趨勢；漲渡湖湖泊沉積物自1954年以后湖泊沉積物中的中值粒徑有變小趨勢，見圖4。分析原因認為：這是由于湖區(qū)周邊人口的迅速增長和現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)快速發(fā)展所致，農(nóng)業(yè)圍墾對梁子湖湖區(qū)周邊環(huán)境的破壞程度加大，導(dǎo)致入湖沉積物的粒度增大；而漲渡湖則因為1954年湖區(qū)筑壩后，湖壩對漲渡湖與長江水的攔截，導(dǎo)致湖泊水動力條件減弱，細顆粒增多，湖泊沉積物中的中值粒徑出現(xiàn)了顯著的變小趨勢。

圖4 梁子湖和漲渡湖湖泊沉積物柱芯樣品中中值粒徑 變化趨勢圖(改繪自張清慧等[23，34])Fig.4 Variation trend of median particle size in sediment core samples from Liangzi Lake and Zhangdu Lake (modified from Zhang et al.[23,24])

1. 2 工業(yè)發(fā)展記錄

一般地，工農(nóng)業(yè)的發(fā)展及廢水排放的輸入是造成湖泊水體中重金屬元素含量變化的重要原因。湖泊沉積記錄中的重金屬元素研究，對反映人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響具有重大的現(xiàn)實意義。前人對湖北省梁子湖高分辨率湖泊沉積物中Cu、Fe、Mn、Zn、Cd、Pb、Co、Ni等重金屬元素的分布模式及其隨沉積深度而發(fā)生的含量變化進行了分析，并采用歸一化方法對東湖湖泊沉積物中重金屬元素的來源進行了分析，認為Zn、Pb、Cu這三種重金屬元素的主要來源是人類活動的輸入。因此，對湖泊沉積物中重金屬元素的分析主要集中于Zn、Cu、Pb這三種重金屬元素上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)湖泊沉積物中各重金屬元素的含量整體上均呈現(xiàn)出隨深度增加而減少的趨勢，并在湖泊沉積物柱芯樣品中發(fā)現(xiàn)在深度20 cm處湖泊沉積物中各重金屬元素的含量有一峰值，見圖5。

圖5 梁子湖湖泊沉積物柱芯樣品中重金屬元素Zn、 Cu、Pb含量變化曲線(改繪自盛繼超等[37])Fig.5 Variation curves of Zn,Cu and Pb element content in sediment core samples from Liangzi Lake (modified from Sheng et al.[37])

王玲玲等對梁子湖湖泊沉積物中N、3、7三個采樣點中重金屬元素Cu、Pb、Hg、Cr含量進行了檢測，結(jié)果也發(fā)現(xiàn)湖泊沉積物中重金屬元素含量隨深度增加而減少的趨勢，在深度10～20 cm處湖泊沉積物中各重金屬元素含量均出現(xiàn)了最大值(見圖6)。采用恒定補給速率(CRS)模式得出梁子湖在深度40 cm處湖泊沉積速率為3.5 mm/a。由此可知，在湖泊沉積物中重金屬元素含量出現(xiàn)較大波動的20 cm處，沉積年代應(yīng)在1956年左右。

圖6 梁子湖湖泊沉積物柱芯樣品中重金屬元素含量 垂直變化圖(改繪自王玲玲等[40])Fig.6 Vertical variation of heavy metal element content in sediment core samples from Liangzi Lake (modified from Wang et al.[40])

20世紀(jì)50年代后期，武漢地區(qū)的工業(yè)化步伐加快，一批重大工業(yè)企業(yè)都于1958年左右建成投產(chǎn)，冶金、機械制造、紡織和化工等行業(yè)都是武漢近現(xiàn)代企業(yè)發(fā)展的典型代表，以武鋼為代表的一批重工業(yè)企業(yè)在武漢地區(qū)自然環(huán)境改造中發(fā)揮的作用不可小覷，這一時期造成的現(xiàn)代工業(yè)污染譬如礦產(chǎn)開采、化工廠廢水排放等均導(dǎo)致湖泊沉積物中重金屬元素含量加大，揭示出該地區(qū)人類活動對環(huán)境的影響越來越大，從圖6中可以看出這一變化是從20世紀(jì)60年代左右開始的。

1. 3 環(huán)境污染記錄

1.3.1 湖泊沉積物中氮磷元素含量變化

磷元素作為引起湖泊富營養(yǎng)化的重要因素之一，在湖泊中的沉積與人為活動息息相關(guān)。近幾十年由于人類活動強度的增大，地表氮磷要素循環(huán)異常。工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)施肥、家禽飼養(yǎng)等大量人為營養(yǎng)鹽類的輸入導(dǎo)致水體中氮磷含量急劇上升，地表湖泊生態(tài)環(huán)境退化嚴重。湖泊沉積物中磷元素含量的變化可作為劃分人類活動對東湖產(chǎn)生影響的標(biāo)示物質(zhì),并以其含量劃分底泥受人類污染的程度和范圍。張清慧等采用多種沉積物指標(biāo)，配合高精度Pb、Cs測年法，重建了漲渡湖200余年的環(huán)境演化史，其湖泊沉積物清晰記錄出1954年以后的總有機碳(TOC)、總磷(TP)、總氮(TN)含量開始有明顯升高跡象，湖泊生態(tài)系統(tǒng)有一定的退化，見圖7。王玲玲等對梁子湖不同采樣點的湖泊沉積物中TP、TN含量等進行了檢測，結(jié)果也發(fā)現(xiàn)湖泊沉積物中TP、TN含量由表層向底層有減少的趨勢(見圖8)，且在深度20 cm處(1956年)其變化較為顯著。

圖7 漲渡湖湖泊沉積物中TOC、TP和TN含量垂直 變化圖(改繪自張清慧等[23])Fig.7 Vertical variation of TOC，TP and TN in sediments of Zhangdu Lake (modified from Zhang et al.[23])

漲渡湖沉積物中沉積營養(yǎng)要素TOC、TP、TN等變化與1954年湖區(qū)建壩息息相關(guān)。大壩建設(shè)是導(dǎo)致湖泊生態(tài)系統(tǒng)突變的一個重要因素。自漲渡湖區(qū)建壩以后，江湖阻隔導(dǎo)致湖泊換水周期變長，流域入湖營養(yǎng)鹽類蓄積，使得湖泊的營養(yǎng)化水平上升；梁子湖中氮、磷元素含量變化的主要原因在于20世紀(jì)50年代以來，梁子湖周邊人口快速增加以及工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，周邊旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖等活動造成此階段湖中營養(yǎng)鹽類含量增高，氮、磷元素在梁子湖中大量輸入并沉積下來，水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化趨勢。

圖8 梁子湖湖泊沉積物中TP和TN含量垂直變化圖 (改繪自王玲玲等[40])Fig.8 Vertical variation of TP and TN in sediments of Liangzi Lake (modified from Wang et al.[40])

1.3.2 湖泊沉積物中沉積色素含量變化

湖泊沉積物中含有豐富的沉積色素，一般在藻類、光合細菌、水生和陸生植物等生物體內(nèi)普遍存在。湖泊沉積色素豐度是反映湖泊生產(chǎn)力變化和指代湖泊營養(yǎng)化水平的重要指標(biāo)。近代工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展造成的廢水大量排放，引起湖泊富營養(yǎng)化水平升高，進而會影響湖泊沉積物中沉積色素的含量，因此湖泊沉積色素豐度可用來研究人類活動對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響。

圖9 東湖和梁子湖鉆孔沉積物中沉積色素含量分布圖 (改繪自顧延生等[16,19])Fig.9 Sediment pigment distribution in core sediments of Donghu Lake and Liangzi lake (modified from Gu et al.[16,19])

東湖的子湖郭鄭湖中湖泊沉積物的年齡采用Pb測年法測定并建立時間序列，通過分析湖泊沉積物中沉積色素豐度指標(biāo)的變化特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在深度28 cm處左右即1966年顫藻黃素(Osc)含量升高，指示湖泊出現(xiàn)富營養(yǎng)化，而葉綠素(CD)和總胡蘿卜素(TD)等是湖泊初始生產(chǎn)力水平的指示劑，其含量也在同時期出現(xiàn)相同的變化趨勢，見圖9。饒欽止等對東湖浮游生物的初級生產(chǎn)力進行評測時，得出1963年后東湖的浮游植物初級生產(chǎn)力明顯升高，并在之后的幾年均呈現(xiàn)增長態(tài)勢。此外，顧延生等采用Pb測年法對梁子湖約40 cm處的湖泊沉積物計年時發(fā)現(xiàn)，在湖泊沉積物近20 cm(1964年)處，湖泊沉積色素豐度指標(biāo)顯示的各類沉積色素含量也呈現(xiàn)快速增長的趨勢，此時梁子湖處于中度富營養(yǎng)化水平。分析原因歸結(jié)為20世紀(jì)60年代東湖水體利用的多樣化，需承擔(dān)周邊工農(nóng)業(yè)、生活、水產(chǎn)養(yǎng)殖等用水，東湖水質(zhì)發(fā)生了快速改變，此時的東湖在向富營養(yǎng)化階段發(fā)展；20世紀(jì)60年代奉行“以糧為綱”的農(nóng)業(yè)政策，使湖區(qū)周邊開始大規(guī)模農(nóng)業(yè)活動，毀林開荒、濫用農(nóng)藥等均使得湖區(qū)此時的生態(tài)環(huán)境遭到人為的破壞，在1960年以后湖泊沉積物中沉積色素的含量明顯增加。

2 武漢人類世界限討論

上述對武漢地區(qū)人類世的探討主要集中于武漢地區(qū)湖泊沉積物中的農(nóng)業(yè)發(fā)展記錄、工業(yè)發(fā)展記錄和環(huán)境污染記錄三個方面，可以發(fā)現(xiàn)武漢地區(qū)在20世紀(jì)60年代左右，湖泊沉積物中的相關(guān)指標(biāo)數(shù)值變化大致呈現(xiàn)同步性，反映出20世紀(jì)50年代后期武漢地區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)步伐加快，各行各業(yè)發(fā)展蓬勃，因此本文對新中國成立以來武漢市不同年份的城市建成區(qū)面積、城市常住人口數(shù)量等相關(guān)資料進行了搜集與統(tǒng)計，見表2。

由表2可見：在1952—1956年武漢市的常住人口數(shù)量從131.00萬人增加到220.79萬人，年均增長率達34.8%；城市建成區(qū)面積也在短短幾年內(nèi)由34 km增加到94 km，年均增長率達10 km/a，漲幅迅猛,表明這一時期武漢地區(qū)的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和配套產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,城鄉(xiāng)整體發(fā)展動力增強。

將湖泊沉積物中的相關(guān)指標(biāo)和新中國成立以來武漢地區(qū)的常住人口數(shù)量和建成區(qū)面積進行了總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)在20世紀(jì)60年代左右，武漢及其周邊地區(qū)的湖泊沉積中均記錄到了人類活動對自然環(huán)境的顯著印記，同期的武漢地區(qū)常住人口數(shù)量和建成區(qū)面積也呈現(xiàn)為同步發(fā)展(見圖10)，表明此時人類的工業(yè)化和城市化加速發(fā)展改造著武漢地區(qū)的自然生態(tài)系統(tǒng)，可推測武漢地區(qū)的人類世界限應(yīng)在20世紀(jì)60年代左右。

表2 武漢市常住人口數(shù)量和建成區(qū)面積

圖10 武漢地區(qū)人類世下限標(biāo)志圖Fig.10 Anthropogenic lower limit sign of Wuhan area

3 結(jié) 論

本文以武漢市湖泊沉積物為載體，通過對代表性湖泊東湖、梁子湖和漲渡湖等湖泊沉積物記錄的信息，基于農(nóng)業(yè)發(fā)展記錄、工業(yè)發(fā)展記錄和環(huán)境污染記錄三個方面，并結(jié)合武漢城市化進程對武漢地區(qū)的人類世界限進行了研究，得到如下結(jié)論：

(1) 20世紀(jì)60年代左右，東湖、梁子湖和漲渡湖的湖泊沉積物柱芯樣品中反映出湖泊沉積速率以及湖泊沉積物中的中值粒徑以及重金屬元素、氮磷元素、沉積色素等含量整體上均有所增加。

(2) 1956年左右武漢市的常住人口數(shù)量迅速增加，城市建成區(qū)面積的漲幅迅猛，屬于武漢地區(qū)人口快速增長和城市化加快建設(shè)時期。

(3) 1960年前后，“以糧為綱”的農(nóng)業(yè)政策導(dǎo)向、以武鋼為代表的一批近現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)建成投產(chǎn)等工農(nóng)業(yè)活動的快速發(fā)展使得武漢地區(qū)的湖泊沉積記錄中留下了標(biāo)志性的特征。由此認為，武漢地區(qū)的人類世應(yīng)以1960年左右為起點，人類活動已顯著影響到該地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境，并在湖泊沉積物中留下了顯著標(biāo)志。