1985—2016年南漪湖湖泊面積變化對沉積速率及泥沙輸移通量的影響

王小雷， 薛濱， 姚書春， 程龍娟， 朱洪偉， 殷露， 趙子涵

1.南京曉莊學(xué)院環(huán)境科學(xué)學(xué)院2.湖泊與環(huán)境國家重點實驗室， 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所3.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院

湖泊是在復(fù)雜的地質(zhì)、地理環(huán)境條件下形成的比較寬闊的水域，通常被譽為“地球之腎”[1]。湖泊一旦形成，便參與自然界大氣圈、生物圈和巖石圈之間的物質(zhì)循環(huán)和能量流動，是研究全球氣候環(huán)境變化的重要載體[2-3]。除了受構(gòu)造運動和氣候變化影響之外，復(fù)雜的人類活動也是影響湖泊環(huán)境變化的主要驅(qū)動因素。對全球面積大于100 km2的1 709個湖泊的研究結(jié)果表明，氣候變化和人類活動驅(qū)動下的污染負荷增加、面積萎縮、水質(zhì)酸化、過度捕撈和物種入侵等是導(dǎo)致全球湖泊環(huán)境退化的共性問題，應(yīng)該引起高度重視[4]。因此，研究湖泊面積、沉積速率和泥沙輸移通量變化對理解湖泊的生態(tài)演化過程和預(yù)測湖泊的未來變化趨勢，具有重要的現(xiàn)實意義[5]。

我國幅員遼闊，湖泊眾多，長江下游地區(qū)是湖泊分布密度較大的地區(qū)之一，加之地勢低平且多淺洼地，常形成串珠狀分布的湖泊[6]。全新世初期，石臼湖、固城湖、南漪湖和丹陽湖(現(xiàn)已消失)同屬于古丹陽湖[7]。長時間以來，由于嚴重的土壤侵蝕形成的泥沙淤積，加之入湖河流三角洲的不斷發(fā)育，古丹陽湖盆逐漸被堆積充填，分化為當前3個相對獨立的湖泊(石臼湖、固城湖和南漪湖)。該地區(qū)1960—2015年強烈的人類活動(圍湖造田)導(dǎo)致湖泊面積萎縮甚至消失[8]。據(jù)統(tǒng)計，20世紀50—90年代長江安徽沿江湖泊圍墾面積已達 1 302.53 km2，占原有湖泊面積的46.49%，有些湖泊甚至全部被開墾為農(nóng)田[9]。湖泊面積減小導(dǎo)致湖泊流速降低、沉積速率增加、泥沙淤積加快以及水體富營養(yǎng)化加重等一系列生態(tài)問題，嚴重威脅區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[10-14]。

南漪湖作為皖南第一大湖，20世紀80年代以來，流域內(nèi)土地利用變化明顯，土壤侵蝕程度加劇，造成湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)退化，水體中總磷濃度超標[13]，湖泊、藍藻水華頻繁暴發(fā)[14]，重金屬污染也呈現(xiàn)增加趨勢[15]。已有研究[16]表明，在長時間尺度下(8.0 ka)，基于湖泊沉積記錄的正構(gòu)烷烴及其單體碳同位素指標變化表明，南漪湖自2.4 ka BP以來，自然植被受到人類活動的強烈影響，陸源高等植物輸入比例增加，草本植物占據(jù)優(yōu)勢，木本植物生物量相對減少。相反，在短時間尺度下(20世紀50年代以來)，南漪湖沉積速率下降則與該流域耕地面積減少有著密切聯(lián)系[17]。與此同時，強烈的土壤侵蝕導(dǎo)致20世紀90年代南漪湖湖盆底部淤高0.5～0.8 m，厚的地方甚至達到1 m[18-19]。過去40多年間，南漪湖的泥沙總量更是達到330萬m3[9]。人類活動影響下的水體富營養(yǎng)化不僅導(dǎo)致浮游植物群落結(jié)構(gòu)[20]、水體中葉綠素a濃度[21]以及沉積物中的枝角類卵鞍密度[22]等發(fā)生不同程度的變化，同時湖泊環(huán)境因子的改變也提高了湖泊沉積物中的反硝化作用[23]。然而，有關(guān)南漪湖近些年面積變化是否會影響湖泊沉積速率及泥沙輸移通量的研究鮮有報道。鑒于此，筆者以南漪湖為研究對象，基于放射性核素210Pbex和137Cs定量估算南漪湖過去百余年的沉積速率變化，結(jié)合遙感影像數(shù)據(jù)獲取1985—2016年逐年的湖泊水面面積大小及時空變化特征，構(gòu)建沉積泥沙質(zhì)量平衡模型，并定量估算南漪湖泥沙輸移通量，以期為長江下游地區(qū)的湖泊環(huán)境保護與治理提供理論基礎(chǔ)和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南漪湖橫跨安徽省宣城市和郎溪縣，系新構(gòu)造斷陷洼地經(jīng)泥沙長期淤積而成(圖1)。該區(qū)域?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，雨量充沛，四季分明，年均氣溫為15.8 ℃，年均降水量為 1 168 mm，降水主要集中在6—8月。湖泊最大寬度為8.4 m，平均寬5.7 m，最大水深為3.25 m，平均水深為2.25 m，湖泊面積為148.4 km2，流域集水面積為 3 368.7 km2[6]。湖水主要依賴入湖河川徑流及湖面降水補給，主要河流為湖泊東部的老郎川河及新郎川河，其多年平均入湖流量、入湖水量分別為36.0 m3/s、11.4×108m3。據(jù)統(tǒng)計，南漪湖多年平均入湖總水量為19.65×108m3，湖面降水量為1.83×108m3，合計21.48×108m3；多年平均出湖總水量為19.14×108m3，湖面蒸發(fā)量為2.34×108m3，合計21.48×108m3，水量收支基本平衡。汛期當水陽江干流水位高于南漪湖時，江水會經(jīng)雙橋河、油炸溝和蔡莊河分流入湖；非汛期位于湖西北部的北山河是唯一的出湖河流，在新河莊附近注入水陽江[7]。

圖1 南漪湖水系及采樣點位置示意Fig.1 Location of water system and sampling sites of Nanyi Lake

1.2 樣品采集與分析

湖泊沉積物樣品分別采集于2008年(NY08)、2014年(NY14)和2015年(NY15)(圖1)。采集過程中使用柱狀采樣器，首先將嵌套的PVC管隨采樣器垂直壓入湖盆底部，然后雙手左右螺旋式緩慢拔出得到沉積物柱芯。拆卸PVC管后用橡皮塞將上下兩端密封緊實，在運輸過程中盡量避免對樣品產(chǎn)生擾動，所有沉積物柱芯保存完好，且上覆懸浮層未受擾動，界面水清澈透明。沉積物樣品運回實驗室，靜置48 h后，采用頂托分樣器將沉積物柱芯按照1 cm 間距自表層至底層進行截分。隨后，樣品轉(zhuǎn)入蒸發(fā)皿置于105 ℃烘箱中烘干后放入密封罐中，待測。

沉積物樣品中210Pbex和137Cs比活度采用γ分析方法。測量樣品放入與標準源同樣規(guī)格的塑料容器中，蠟封至少21 d使226Ra與210Pb處于永久衰變平衡體系，采用美國EG & GORTEC公司生產(chǎn)的高純鍺伽馬譜儀(由高純鍺探測器、數(shù)字化譜儀及多通道分析系統(tǒng)組成)測定放射性核素210Pbex和137Cs的含量。每個樣品的測量時間為40 000 s(實時)，測試誤差為±10%(90%置信度)。其中137Cs的比活度由661.6 keV處的γ射線譜峰面積獲得，210Pb的比活度根據(jù)46.5 keV處的γ射線譜峰面積計算，226Ra比活度根據(jù)214Pb的譜峰面積(351.9 keV)計算，半衰期極短的214Pb是226Ra的衰變產(chǎn)物。樣品的210Pbex比活度為210Pb的比活度與226Ra比活度的差值。137Cs 和226Ra 標準樣品由中國原子能研究所提供，210Pb 標準樣品與英國利物浦大學(xué)提供的標準樣品進行比對校準。

1.3 遙感數(shù)據(jù)來源及處理

受遙感影像數(shù)據(jù)所限，選取1985—2016年的32個時間節(jié)點，所使用的遙感數(shù)據(jù)均下載于91位圖助手的Landsat Copernicus的高分辨率Google Earth影像數(shù)據(jù)平臺，共有14級，分辨率為8.19 m。為使數(shù)據(jù)具有可比性，統(tǒng)一下載冬季遙感影像數(shù)據(jù)。將遙感影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入ENVI 5.3和ArcGIS 10.2軟件，采取目視解譯的方法提取南漪湖湖泊面積信息，建立南漪湖1985—2016年湖泊面積數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上，借助Excel軟件分析南漪湖湖泊面積變化趨勢。

1.4 泥沙輸移模型構(gòu)建

河流作為泥沙搬運的主要動力條件，既可以搬運泥沙進入湖泊，也可以輸移泥沙出湖泊[24-26]。湖泊是流域侵蝕產(chǎn)沙的主要匯聚場所，在枯水期或者水動力條件較弱的時期，泥沙最終以堆積的形式蓄積于湖泊地區(qū)；相反，在豐水期或者水動力較強的時期，湖泊沉積泥沙則會被出湖河流搬運輸出。

鑒于此，假定本研究區(qū)域的郎川河流域土壤侵蝕產(chǎn)沙和南漪湖沉積泥沙處于動態(tài)平衡，符合物質(zhì)平衡理論。同時，假定1954—2016年和1985—2016年的沉積速率相近。為此，建立了簡易的泥沙輸移模型：

E=Eout×Sarea=(Ein-EDep)×Sarea(1)

式中：E為南漪湖出湖河流年均輸沙量，t/a；Eout為南漪湖出湖河流平均泥沙運移速率，t/(hm2·a)；Sarea為南漪湖年均湖泊面積減小值，hm2；Ein為流域年均土壤侵蝕量，t/(hm2·a)；EDep為湖泊年均沉積速率，t/(hm2·a)。

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物柱芯中210Pbex和137Cs比活度分布及沉積年代

不同年份南漪湖沉積物柱芯的210Pbex和137Cs比活度垂直分布如圖2所示。由圖2可知，由于采樣點都位于湖泊東部區(qū)域，3個沉積物柱芯中210Pbex和137Cs比活度分布特征相似。210Pbex比活度最大值均出現(xiàn)在表層，且隨深度增加呈下降趨勢，此波動變化趨勢預(yù)示湖泊環(huán)境受到不同歷史時期外界的強烈干擾[27]。210Pbex比活度分別在距沉積物表層45 cm(NY08)、75 cm(NY14)和70 cm(NY15)處接近平衡。與之對應(yīng)，3個沉積物柱芯中均有137Cs比活度最大峰值存在，分別出現(xiàn)在17(NY08)、16(NY14)和17 cm(NY15)處，表明南漪湖沉積物柱芯17 cm左右記錄了全球公認的1963年核素最大散落沉降。與此同時，3個沉積物柱芯分別在22、24和25 cm處首次出現(xiàn)137Cs，其對應(yīng)于1954年137Cs在全球的首次核爆炸試驗。結(jié)合137Cs定年時標獲得的年代和各沉積物柱芯的質(zhì)量深度(樣品質(zhì)量與采樣器橫截面積比值)，計算出自1954年以來南漪湖3個沉積物柱芯的平均沉積速率為分別為 0.013 6、0.014 6 和 0.019 5 g/(cm2·a)。

圖2 不同年份南漪湖沉積物柱芯中210Pbex和137Cs比活度垂直分布Fig.2 Vertical distribution of 210Pbex and 137Cs specific activity in lake sediments of Nanyi Lake in different years

基于210Pbex比活度在各沉積物柱芯中的分布特征，結(jié)合文獻[28]，選用210Pb CRS模式進行沉積物定年相對較為合理。同時結(jié)合137Cs定年時標(1954年和1963年)校正210Pb CRS模式得到210Pb校正CRS(210Pb C-CRS)定年結(jié)果，基于此精確年代結(jié)果獲取了南漪湖各沉積物柱芯的沉積年代，結(jié)果如圖3 所示。由圖3可知，NY08、NY14和NY15沉積物柱芯所代表的年代跨度分別為1898—2008年、1871—2014年和1880—2015年。

結(jié)合質(zhì)量深度和沉積年代，獲取了南漪湖東部區(qū)域不同年份沉積物柱芯的沉積速率(圖4)。與中國其他淺水湖泊類似[17]，南漪湖歷史時期以來沉積速率呈現(xiàn)波動變化特征，且不同湖區(qū)沉積速率略有差異。整體上，南漪湖在20世紀50年代左右湖泊沉積速率出現(xiàn)極大值，近年來呈緩慢增加趨勢。已有研究報道[7]，南漪湖沉積速率變化受到自然因素和人為活動的雙重影響。自然因素方面，主要通過降水強度影響沉積速率，降水量高的年份湖泊沉積速率相對較大。通過對流域1957—2016年降水量(數(shù)據(jù)來自宣城市氣象局)和沉積速率變化進行相關(guān)性分析(圖5)可知，盡管年均降水量與沉積速率之間相關(guān)性不大，但是相對增加的年均降水量仍然會影響湖泊沉積速率。在短時間尺度下，降水量較大的年份，流域的粗粒物更容易進入湖泊[29]。人為活動方面，流域內(nèi)森林砍伐、劈山開荒及農(nóng)業(yè)土地利用活動加強使得雨季水土流失嚴重，增加泥沙沉積。

圖4 不同年份南漪湖沉積物柱芯沉積速率Fig.4 Variation of sedimentation rates of sediment columncores in Nanyi Lake in different years

圖5 1957—2016年南漪湖沉積速率與流域年均降水量相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation between the sedimentation rate of Nanyi Lake and the average annual precipitation of Xuancheng City in 1957-2016

2.2 南漪湖湖泊面積時空變化

2.2.1時間變化

根據(jù)南漪湖不同時期遙感影像，基于ENVI 5.3和ArcGIS 10.2軟件對南漪湖1985—2016年各年份的面積進行界定與計算，結(jié)果如圖6所示。1985—2016年南漪湖湖泊面積變化趨勢如圖7所示。由圖6、圖7可知，1985—2016年南漪湖湖泊面積整體上呈現(xiàn)波動減少的趨勢，這與我國其他地區(qū)(京津冀、云貴高原、東北地區(qū)和長江中下游地區(qū))過去近30 a湖泊面積均出現(xiàn)降低的變化趨勢相似[30-35]。

圖6 1985—2016年南漪湖湖泊面積變化Fig.6 Variation of lake areas in Nanyi Lake in 1985-2016

圖7 南漪湖湖泊面積變化趨勢Fig.7 Trend of lake areas changes from 1985 to 2016 in Nanni Labe

南漪湖過去31 a湖泊面積的平均值為109.29 km2，其中，1985年湖泊面積最大，為147.74 km2，與平均值的差值為39 km2；2016年湖泊面積最小，為90.37 km2，與平均值的差值為-18.37 km2。

從南漪湖1985—2016年湖泊面積年際差變化趨勢(圖8)可以看出，過去31 a南漪湖湖泊面積年際變化大致劃分為2個階段：第Ⅰ階段(1985—1999年)湖泊面積變化幅度較大，最大值為1985年的147.74 km2，最小值為1997年的101.00 km2，差值為46.74 km2，該階段1988年與1987年的面積差反映的年際變化最大(-21.61 km2)；第Ⅱ階段(1999—2016年)湖泊面積變化幅度較為和緩，最大值為2004年的109.24 km2，最小值為2016年的90.37 km2，差值為18.37 km2，該階段2005年與2004年的面積差反映的年際變化最大(8.10 km2)。

圖8 1985—2016年南漪湖湖泊面積年際差變化Fig.8 Interannual variation of lake areas of Nanyi Lake from 1985 to 2016

對比南漪湖1985—2016年湖泊面積和降水量相鄰年份年際變化相關(guān)關(guān)系(圖9)可以看出，盡管二者相關(guān)系數(shù)(R2=0.119)相對偏小，但是湖泊面積的年際變化與降水量變化仍呈線性相關(guān)。相鄰年份降水量差越大，其湖泊面積年際差也相對較大，反之亦然。這也意味降水量是決定湖泊面積的關(guān)鍵因素，降水量充沛相對濕潤，則湖泊面積擴張；降水量稀少相對干旱，湖泊面積減小[29]。此結(jié)果進一步表明湖泊作為環(huán)境變化的良好載體，對全球氣候干濕變化研究起著重要的指示作用[3]。

圖9 1985—2016年南漪湖湖泊面積和降水量年際差相關(guān)關(guān)系Fig.9 Correlation between interannual variation of lake surface area and precipitation in Nanyi Lake in 1985-2016

2.2.2空間變化

已有研究表明，湖泊面積變化不僅表現(xiàn)在數(shù)值的變化上，也會存在空間上的差異[35]。通過將1985年與2016年的遙感影像進行疊加分析(圖10)發(fā)現(xiàn)，南漪湖湖泊面積縮小部分存在著明顯的空間差異。與1985年相比，2016年南漪湖湖泊面積縮小了57.37 km2，平均每年減少1.85 km2。南漪湖湖泊面積縮小的部分主要集中于湖泊的西北、東北和東南部，且是從周邊區(qū)域向中心開始萎縮。與長江中下游地區(qū)其他湖泊類似，人類活動(圍墾養(yǎng)殖、圍湖造田、泥沙淤積及閘壩建設(shè)等)是導(dǎo)致湖泊面積變小的另一原因[34-35]。如在圍墾建圩等主導(dǎo)因素影響下，1988—2002年太湖湖泊面積減少了28.9 km2[33]，1989—2012年龍感湖、黃大湖、泊湖、武昌湖、破罡湖和白蕩湖等湖泊面積分別減少126.9、54.2、46.0、32.1、15.0和11.1 km2[34]，1975—2015年千島湖湖泊面積減少14.1 km2[35]。南漪湖在歷史時期同樣經(jīng)歷了圍墾養(yǎng)殖，據(jù)記載，2004—2006年圍網(wǎng)養(yǎng)殖示范區(qū)面積達36.7 km2[36]，導(dǎo)致湖泊水面面積極大縮減。根據(jù)遙感調(diào)查與監(jiān)測研究結(jié)果[9]，南漪湖1949年湖泊面積為190.6 km2，而2020年前后面積減至117.5 km2，圍墾區(qū)占原湖泊面積的38.4%。圍墾導(dǎo)致湖泊沼澤和灘涂遭到破壞，原本豐富的濕地資源被單一的農(nóng)作物替代，食物鏈結(jié)構(gòu)簡單，生態(tài)系統(tǒng)趨于脆弱。

注： 深灰色、淺灰色分別為1985年、2016年南漪湖的湖面。圖10 1985—2016年南漪湖湖泊面積空間變化示意Fig.10 Spatial change of lake area of Nanyi Lake in 1985-2016

2.2.3湖泊沉積速率與湖泊面積關(guān)系

對比南漪湖1986—2015年沉積速率和湖泊面積之間的相關(guān)關(guān)系(圖11)發(fā)現(xiàn)，二者之間的相關(guān)系數(shù)不大，但湖泊面積與沉積速率之間呈現(xiàn)指數(shù)降低的趨勢(y=0.602 9e-0.02x，R2=0.371 8，n=10)。該結(jié)果也暗示湖泊面積較大時，流域的侵蝕物質(zhì)不易到達湖心位置，湖泊沉積速率相對較慢；相反湖泊面積較小時，流域的侵蝕物質(zhì)更容易到達湖泊近湖心位置，湖泊沉積速率相對較大。這進一步說明了隨著湖泊面積的增加，湖泊的沉積速率相對降低。

圖11 1985—2016年南漪湖的沉積速率和湖泊面積相關(guān)關(guān)系Fig.11 Correlation between sedimentation rate and lake area of Nanyi Lake in 1985-2016

2.3 南漪湖泥沙輸移模型構(gòu)建及輸移通量估算

湖泊蒸發(fā)量和出湖水量是影響湖泊面積減小的2個主要因素，已有研究表明，南漪湖出湖總水量和湖面蒸發(fā)量分別占湖泊水量總支出的89.1%和10.9%[6]。1985—2016年南漪湖湖泊總面積減小了57.37 km2，通過計算得出南漪湖出湖河流(北山河)出水和湖面蒸發(fā)致使湖泊水面面積分別減小51.12和6.25 km2。基于上述分析，本模型中的各參數(shù)取值如表1所示。

表1 南漪湖泥沙輸移模型參數(shù)取值Table 1 Parameters of sediment transport fluxes models in Nanyi Lake

通過式(1)計算出南漪湖1985—2016年通過北山河年均輸出泥沙約為 1 904.60 t/a。結(jié)合南漪湖流域年均土壤侵蝕速率〔13.5 t/(hm2·a)〕[37]和相應(yīng)年份湖泊沉積速率(由于2014年沉積速率大于該流域年均土壤侵蝕速率，故不統(tǒng)計2014年數(shù)據(jù))，基于泥沙輸移模型估算獲得了1986年、1988年、1992年、1996年、1999年、2001年、2004年、2007年、2015年的泥沙輸移通量，并分析相應(yīng)年份的沉積速率與湖泊面積的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，湖泊面積與泥沙輸移通量之間呈線性增加的趨勢(y=0.037 9x-3.544 7，R2=0.823 9，n=9)。湖泊面積增大時，加大了湖泊水體中懸浮顆粒物搬運量，增大了湖泊泥沙的搬運能力，導(dǎo)致湖泊沉積泥沙更容易被搬運出湖；相反，湖泊面積縮小甚至干涸，降低了湖泊內(nèi)部的水動力搬運能力，導(dǎo)致湖泊泥沙輸移通量降低甚至消失。因此，湖泊面積變化對泥沙輸移通量的變化具有重要的影響。

圖12 1985—2016年南漪湖泥沙輸移通量和湖泊面積相關(guān)關(guān)系Fig.12 Correlation between sediment transport flux and lake area in Nanyi Lake in 1985-2016

3 結(jié)論

(1) 基于地理信息技術(shù)和遙感目視解譯技術(shù)，發(fā)現(xiàn)1985—2016年南漪湖湖泊面積總體呈下降趨勢，湖泊面積減少約57.37 km2。

(2) 南漪湖湖泊面積減小區(qū)域從湖泊周邊開始，主要集中于西北、東北和東南部。結(jié)合放射性核素210Pbex和137Cs計年技術(shù)定量估算了南漪湖過去百余年的沉積速率，發(fā)現(xiàn)在20世紀50年代前后沉積速率較高，這與當時自然因素(降水)和人類活動有關(guān)。

(3) 南漪湖湖泊面積影響湖泊沉積速率和河流泥沙輸移通量變化，隨著湖泊面積的增加，二者分別呈指數(shù)降低和線性增加的趨勢。