137Cs測(cè)年的東北興凱湖現(xiàn)代沉積速率研究

廖東霞，郭海婷，吳孟孟，潘少明

南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京 210023

0 引言

湖泊沉積物記錄了流域人類活動(dòng)的信息和湖泊生態(tài)環(huán)境的演變過程，是流域侵蝕和環(huán)境污染物質(zhì)運(yùn)移的重要宿體[1]。湖泊沉積速率是湖泊沉積學(xué)研究的重要內(nèi)容，是反映湖泊沉積的基本因素，它對(duì)了解流域侵蝕、流域物質(zhì)運(yùn)移和湖泊沉積環(huán)境演化過程等具有重要意義，是當(dāng)前全球環(huán)境變化研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問題[2]。在眾多測(cè)定沉積速率的方法中，同位素測(cè)年法因計(jì)算定量化和精確化等優(yōu)勢(shì)而應(yīng)用廣泛，其中137Cs計(jì)年法是通過識(shí)別沉積物137Cs剖面中因人類核活動(dòng)事件形成的特殊的137Cs蓄積層位來進(jìn)行定年的，這種定年法非常獨(dú)特而有效。1954年和1963年是137Cs計(jì)年法的兩個(gè)通用時(shí)標(biāo)，分別對(duì)應(yīng)于核爆散落137Cs在沉積物中儀器可檢測(cè)到的起始層位和蓄積最高峰層位[3]。由于137Cs易被黏土和有機(jī)顆粒吸附且絕大多數(shù)處于穩(wěn)定態(tài)，擴(kuò)散作用不足以改變蓄積峰的位置，確保了137Cs計(jì)年的可靠性[4]，137Cs計(jì)年法在現(xiàn)代沉積物定年研究中得到廣泛應(yīng)用[5]。

過去全球變化（PAGES）極地—赤道—極地（PEP）計(jì)劃中根據(jù)氣候變化特殊響應(yīng)和區(qū)域重要性提出了全球幾個(gè)湖泊鉆探點(diǎn)，興凱湖是該計(jì)劃唯一建議的中國(guó)東北區(qū)域湖泊[6]。前人的工作大多偏向于利用多種環(huán)境代用指標(biāo)來研究古氣候環(huán)境和古季風(fēng)變化等長(zhǎng)時(shí)間尺度問題[7-9]，有關(guān)興凱湖近現(xiàn)代沉積速率的相關(guān)報(bào)道較少，特別是近百年來興凱湖區(qū)域人類活動(dòng)頻繁且氣候變化復(fù)雜[10-11]，而短期的沉積速率能更準(zhǔn)確地反映現(xiàn)代沉積動(dòng)力及水體與沉積物的交換過程[12]。本研究通過采集興凱湖我國(guó)湖區(qū)不同區(qū)域的沉積物柱樣，對(duì)樣品進(jìn)行137Cs比活度分析和粒度分析，利用137Cs比活度分析結(jié)果建立沉積剖面年代框架，分析興凱湖不同區(qū)域137Cs沉積通量和沉積速率的差異及原因；結(jié)合沉積物粒度C-M圖，分析興凱湖現(xiàn)代沉積環(huán)境。為估算興凱湖年沉積通量，了解興凱湖水體環(huán)境演化和合理開發(fā)利用湖泊資源提供理論依據(jù)和科學(xué)參考。

1 區(qū)域地理概況

興凱湖（44°32′~45°21′ N，131°58′~132°51′ E）位于我國(guó)東北黑龍江省密山市東緣俄羅斯遠(yuǎn)東濱海邊區(qū)，湖面總面積、行政區(qū)劃范圍橫跨中俄邊界，是東北亞最大的淡水湖，也是我國(guó)最大的國(guó)際界湖[11]。興凱湖呈橢圓形，北寬南窄，南北長(zhǎng)約90 km，東西寬約50 km。湖面松阿察河口與白棱河口連線為界，界長(zhǎng)70.0 km，以南屬俄羅斯，以北屬我國(guó)，湖泊總面積4 380 km2，我國(guó)境內(nèi)面積1 080 km2，總集水面積5.6×104km2，補(bǔ)給系數(shù)為11.6[13]。興凱湖接納穆棱河、洛格河、白棱河、新圖河、門河、列夫河等近十余條河流的來水，其中列夫河、門河、新圖河是興凱湖的主要水源（圖1）[13]，我國(guó)境內(nèi)興凱湖地面水的主要來源是穆棱河分洪水。松阿察河是興凱湖的唯一泄流通道[11]。本文的研究區(qū)域?yàn)槲覈?guó)境內(nèi)的興凱湖水域部分。

圖1 興凱湖匯水流域圖Fig.1 Catchment map of Lake Xingkai

大、小興凱湖湖水由新開流、鯉魚圈及湖崗泄洪閘等人工河道相互聯(lián)通，第一泄洪閘修建于1976年，第二泄洪閘修建于1999年[11]。第二泄洪閘是興凱湖灌區(qū)渠首工程，也是穆棱河下游地區(qū)主要的防洪治澇工程，兼具調(diào)水和泄洪的功能。興凱湖的泥沙主要來自入湖河流河槽中挾帶的懸移質(zhì)泥沙和推移質(zhì)泥沙，大穆棱河來水挾帶的泥沙是影響興凱湖湖口淤積的較大沙源[11]。大穆棱河來沙流經(jīng)穆興分洪道、東北泡子和小興凱湖，通過第一、第二泄洪閘進(jìn)入興凱湖，最后淤積在湖口位置形成沙洲，直接影響小興凱湖向大興凱湖泄流[11]。

興凱湖地區(qū)年平均風(fēng)速3~4 m/s，4—5月平均風(fēng)速4.4~4.8 m/s，風(fēng)是興凱湖水體運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿碓?，興凱湖由于水域面積較大，風(fēng)對(duì)于湖泊中水位高程、波浪及湖岸的沖刷有著相當(dāng)大的影響[14]。興凱湖風(fēng)向主要從俄羅斯側(cè)吹向我國(guó)側(cè)，主風(fēng)向?yàn)镾SW，湖水位空間分布與風(fēng)向有較好的一致性，即上風(fēng)向湖水位遠(yuǎn)低于下風(fēng)向水位，水位差達(dá)5.3 m[14]。受風(fēng)向影響，波浪的波向大體從俄方指向中方，中方湖岸呈比較規(guī)則的弧形，波向與湖岸垂直，這也是中方湖岸更容易遭受沖蝕的重要原因[14]。

2 樣品與方法

2.1 樣品采集和預(yù)處理

2019年10月，使用重力活塞柱狀采樣器在興凱湖采集3個(gè)淺層沉積物柱樣（圖2），所采柱樣沉積物—水界面清晰，未受擾動(dòng)。其中，XKH-1位于湖西岸距岸3.51 km處，取樣點(diǎn)水深5 m，柱樣長(zhǎng)度18 cm；XKH-2位于興凱湖東北方向距岸9.88 km，水深8 m處，柱樣長(zhǎng)度16.5 cm；XKH-3位于第二泄洪閘附近，取樣點(diǎn)水深8 m，柱樣長(zhǎng)度11.5 cm。XKH-1柱樣15 cm以上按0.5 cm間隔分樣，以下按1.0 cm間隔分樣；XKH-2和XKH-3全部按0.5 cm間隔分樣。所有樣品采集后，現(xiàn)場(chǎng)密封保存帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析處理。

圖2 興凱湖采樣點(diǎn)分布圖Fig.2 Sampling sites in Lake Xingkai

2.2 137Cs比活度分析

沉積物137Cs活度測(cè)定步驟如下：1）將分層樣品放置60 ℃烘箱中烘至恒重，將干燥的樣品在研缽中研磨成細(xì)粉狀，過200目篩，稱取約50 g放入專用塑料杯中。2）137Cs活度采用γ譜儀直接測(cè)量計(jì)算，儀器為美國(guó)ORTEC公司生產(chǎn)的GMX30P-A高純Ge同軸探測(cè)器。137Cs標(biāo)準(zhǔn)源由加拿大Bedford海洋研究所提供，比活度為582.7 Bq/kg，質(zhì)量為65.4 g，參考時(shí)間為2020年1月1日，測(cè)量時(shí)間為72 000 s，使用IAEA-327標(biāo)樣進(jìn)行了對(duì)比校正。本測(cè)試在南京大學(xué)海岸與海島開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

2.3 粒度分析

沉積物粒度測(cè)試步驟如下：1）取1 g左右樣品放入100 mL燒杯中，加入20 mL蒸餾水和適量濃度為10%過氧化氫，不停攪拌使之充分反應(yīng)，以除去有機(jī)質(zhì)。2）加入10 mL10%的鹽酸并攪拌，使碳酸鹽與鹽酸充分反應(yīng)，放置24 h以除去鈣膠結(jié)物。3）加入蒸餾水100 mL，攪拌，靜置24 h，待其完全沉淀后倒去清液，再加蒸餾水，攪拌，靜置，如此反復(fù)多次，直至樣品液接近中性。4）加入10 mL濃度為0.05 mol/L的六偏磷酸鉀，靜置24 h，攪拌均勻后采用英國(guó)Mastersize 2000型激光粒度儀進(jìn)行粒度分析[12]。激光粒度儀的測(cè)量范圍為0.02~2 000 μm，分辨率為0.01?（粒徑），正負(fù)測(cè)量的相對(duì)誤差小于3%。根據(jù)粒徑數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)樣品中黏土（<4 μm）、粉砂（4~63 μm）和砂（>63 μm）的百分含量，并計(jì)算得到沉積物粒度的平均粒徑、分選系數(shù)等粒度參數(shù)[15]。本測(cè)試在南京大學(xué)海岸與海島開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

3 結(jié)果與討論

3.1 137Cs比活度與剖面特征

三個(gè)采樣點(diǎn)沉積物柱樣中的137Cs比活度垂直分布如圖3所示，XKH-1中137Cs比活度總體上大于XKH-2和XKH-3。XKH-1位于白棱河河口附近，沉積物表層5 cm為黃褐色的粉砂質(zhì)顆粒，下部為灰黑色的黏土，137Cs最大蓄積峰值層位出現(xiàn)在7.5~8.5 cm段，比活度為14.63 Bq/kg，8 cm以下137Cs比活度隨深度呈明顯下降趨勢(shì)，8 cm以上137Cs比活度無明顯變化，137Cs比活度起始值出現(xiàn)在12.5 cm附近。XKH-2表層黃褐色的粉砂質(zhì)顆粒厚度較XKH-1薄，為2 cm，下部為灰黑色的黏土，137Cs比活度最大值出現(xiàn)在4~5 cm，為3.58 Bq/kg，5 cm以下137Cs比活度隨深度增加而迅速減小，起始層位出現(xiàn)在8 cm附近。XKH-3位于第二泄洪閘附近，距離第二泄洪閘約4.11 km，沉積物分層與XKH-1類似，表層5 cm為黃褐色的粉砂質(zhì)顆粒，下部同樣為灰黑色的黏土，137Cs比活度最大值出現(xiàn)在表層1~2 cm，為6.13 Bq/kg，2 cm深度以下137Cs比活度顯著下降，起始層位在6.5 cm附近。

圖3 興凱湖各柱樣沉積物137Cs比活度垂直剖面Fig.3 Vertical profiles of 137Cs activity of sediment cores from Lake Xingkai

137Cs在全球范圍內(nèi)的沉降受氣壓帶和風(fēng)帶的影響，在北緯50°以內(nèi)沉降量隨緯度的增加而增加，同緯度圈內(nèi)大氣中137Cs的含量非常接近，其沉降量的差異主要是降水不同引起的[16]。從表1可以看到興凱湖137Cs剖面蓄積峰值小于東北地區(qū)大多數(shù)其他湖泊[17-21]，其中，除了二龍灣和四海龍灣1958—1968年（137Cs主要沉降期）年均降水量較大之外，鏡泊湖和五大連池的年均降水量與興凱湖相差不大，但1963年蓄積峰值卻比興凱湖高很多。一般來說，在緯度變化不大，氣象條件均一的地區(qū)，137Cs的空間分布是均勻的[22]，但是137Cs到達(dá)地表之后會(huì)被強(qiáng)烈吸附在黏土礦物及有機(jī)質(zhì)當(dāng)中，其比活度與黏土含量和有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)，粒徑越小的沉積物對(duì)137Cs的吸附能力越強(qiáng)，黏土組分對(duì)137Cs的吸附能力明顯強(qiáng)于其他組分[23]。Xuet al.[24]分析了兩個(gè)區(qū)域10個(gè)不同的土壤樣品，結(jié)果表明所有樣品中137Cs主要集中吸附在粒徑小于2 μm的顆粒上，粒徑越細(xì)，對(duì)137Cs的吸附能力越強(qiáng)，因此細(xì)顆粒物質(zhì)含量較高的沉積物中137Cs濃度較高。東北地區(qū)湖泊例如鏡泊湖、五大連池、二龍灣和四海龍灣沉積物都以黏土和細(xì)粉砂等細(xì)顆粒物質(zhì)為主[17-21]，鏡泊湖的黏土和細(xì)粉砂含量大于85%，五大連池的黏土和細(xì)粉砂含量占60%~80%。而從興凱湖的粒度分析結(jié)果可以看到（表2），三根沉積物柱樣以粗粉砂和中粉砂為主，黏土和細(xì)粉砂含量都小于26%，且三根柱樣137Cs蓄積峰值處的黏土和細(xì)粉砂含量?jī)H為18.5%、24.4%和14.7%，因此推測(cè)沉積物粒徑大小是影響興凱湖沉積物中137Cs剖面蓄積峰值小于東北地區(qū)大多數(shù)湖泊的重要因素。

表1 興凱湖與東北地區(qū)其他湖泊沉積物中137Cs1963年蓄積峰峰值Table 1 Global fallout peak (1963) of 137Cs in Lake Xingkai and other lakes in northeastern China

表2 沉積物粒度參數(shù)Table 2 Grain size parameters of sediments

XKH-1中137Cs比活度在0~8 cm范圍內(nèi)無明顯變化（圖3）。據(jù)日本東京核沉降監(jiān)測(cè)資料[25]，137Cs年沉降量最大為2 000 Bq/m2，出現(xiàn)在1963年；1970年之后的年沉降量大都低于100 Bq/m2，僅占1963年的5%；1986年前蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故產(chǎn)生的年沉降量約為200 Bq/m2，也僅占1963年峰值的1/10。XKH-1沉積物137Cs剖面分布不同于典型的137Cs全球大氣沉降模式[26]。這可能是由于興凱湖湖區(qū)有潮汐現(xiàn)象，風(fēng)浪較大，XKH-1柱樣又位于白棱河河口附近，該區(qū)域水動(dòng)力環(huán)境復(fù)雜，很大程度上導(dǎo)致沉積物的混合擾動(dòng)作用增強(qiáng)。此外，興凱湖湖床有坡度很緩的斜坡，形成大片的湖岸淺灘區(qū)，地勢(shì)相對(duì)平坦，沉積速率緩慢，導(dǎo)致湖泊沉積物中混合擾動(dòng)大于沉積過程，經(jīng)過復(fù)雜的混合、擴(kuò)散、沉積以及可能存在的生物過程，使得137Cs相對(duì)均勻地分布在上層沉積物中。另一方面，興凱湖集水面積約為湖泊面積的13倍，流域接收到的大氣137Cs沉降量遠(yuǎn)大于湖面接收到的137Cs沉降量，XKH-1位于白棱河河口附近，流域137Cs后期輸入對(duì)沉積物的137Cs剖面形態(tài)有一定的影響。下文將對(duì)柱樣中137Cs沉積通量進(jìn)行討論，XHK-1的137Cs沉積通量可以進(jìn)一步證實(shí)流域輸入的137Cs對(duì)沉積剖面的貢獻(xiàn)。

3.2 137Cs沉積通量分析

位于白棱河河口處的XKH-1中137Cs沉積通量為1 604.28 Bq/m2，XKH-2中137Cs沉 積 通 量 為231.12 Bq/m2，XKH-3中137Cs沉 積 通 量 為288.73 Bq/m2（表3），XKH-1的137Cs沉 積 通 量 約 為XKH-2的6.9倍、XKH-3的5.6倍，XKH-1的137Cs平均活度大于XKH-2和XKH-3。

表3 興凱湖各沉積物柱樣情況Table 3 Information from three cores in Lake Xingkai

Fanget al.[27]根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面估算出東北黑土地區(qū)（44.72° N，125.87° E）137Cs的背景值為1 619.16 Bq/m2（衰變校正至2020年1月1日）。從前文分析可知，由于興凱湖沉積物中細(xì)粉砂和黏土的含量遠(yuǎn)低于東北其他湖泊，受粒徑效應(yīng)的影響，沉積物中137Cs濃度應(yīng)更低，沉積物中137Cs沉積通量理應(yīng)小于區(qū)域背景值，但XKH-1柱樣中137Cs沉積通量與黑土137Cs背景值相當(dāng)，結(jié)合氣候背景資料和采樣位置信息，推測(cè)流域輸入對(duì)XKH-1的137Cs沉積通量具有較大的貢獻(xiàn)。

XKH-2和XKH-3的137Cs沉積通量遠(yuǎn)低于XKH-1。通過分析相關(guān)流域背景資料和前人研究成果，推測(cè)有以下幾方面的原因：1）陸源物質(zhì)的輸入。興凱湖流域處于溫帶濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)季風(fēng)型大陸性氣候區(qū)，南面受日本海暖流影響，北部受高緯度西伯利亞寒流侵襲，季風(fēng)期長(zhǎng)，風(fēng)力大[13]。張威等[28]建立了中國(guó)大陸137Cs背景值（CRI）修正模型，模擬結(jié)果顯示中國(guó)大陸CRI在東北及新疆局部地區(qū)達(dá)到最大值，估算出東北地區(qū)CRI變化范圍為1 484~3 652 Bq/m2（衰變校正至2020年1月1日）。而興凱湖集水面積約為湖泊面積的13倍，流域接收到的大氣137Cs沉降量遠(yuǎn)大于湖面接收到的137Cs沉降量。白棱河小流域位于八五一〇農(nóng)場(chǎng)東部，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，流域地面坡度大，耕地以白漿土為主，透水能力差，容易形成地表徑流，且該地區(qū)大雨、暴雨集中，極易造成水蝕，加上新中國(guó)成立以來該地區(qū)無計(jì)劃地采伐和毀林開荒，導(dǎo)致該地區(qū)水土流失嚴(yán)重[29]。因此，位于白棱河河口的XKH-1接收到的陸源物質(zhì)較多，使得其137Cs沉積通量和平均活度大于XKH-2和XKH-3。2）水動(dòng)力條件。湖區(qū)風(fēng)速大，年平均風(fēng)速為3~4 m/s，風(fēng)是興凱湖水體運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿碓?，在風(fēng)的持久作用下，水體形成水平環(huán)流和垂向環(huán)流，根據(jù)孫萬光等[14]關(guān)于興凱湖近底軌跡流速（在湖底，水質(zhì)點(diǎn)沿湖底以一定速度作水平運(yùn)動(dòng)，即為軌跡流速，該速度的大小有助于了解波浪擾動(dòng)底泥，使得底泥再懸浮的特性）的計(jì)算結(jié)果可知，處于下風(fēng)向位置的XKH-2和XKH-3近底軌跡流速大于XKH-1，三者大小關(guān)系為XKH-2（0.8~0.9 m/s）>XKH-3（0.7~0.8 m/s）>XKH-1（0.5~0.6 m/s）。再因該地區(qū)1992年開始以旱改水為中心的大規(guī)模水利建設(shè)，將興凱湖和穆棱河作為灌溉水源，以第一、第二泄洪閘為進(jìn)出水口[30]，使得第一、第二泄洪閘附近的區(qū)域受到泄洪和調(diào)水的影響。此外，從粒度分析可知，XKH-2和XKH-3沉積物分選系數(shù)隨深度波動(dòng)變化較大，平均值為1.27和1.31，說明沉積物分選性差，沉積環(huán)境復(fù)雜，XKH-2和XKH-3所在區(qū)域的沉積動(dòng)力環(huán)境比較不利于沉積物的堆積。3）沉積物粒徑。137Cs極易吸附在黏土、細(xì)粉砂等細(xì)顆粒物質(zhì)上面[23]。從表2可以看到，三個(gè)柱樣的黏土和細(xì)粉砂平均含量大小關(guān)系為XKH-2>XKH-1>XKH-3，由于離岸較遠(yuǎn)，XKH-2細(xì)顆粒物質(zhì)含量較另外兩根柱樣稍高，不過相差不大。但XKH-3的粗粉砂含量占43.7%~68.5%，平均值為55.1%，大 于XKH-1（40.3%）和XKH-2（36.8%），XKH-3孔中砂的含量亦是三者中最大的，因此粗顆粒物質(zhì)含量較多的XKH-3沉積物137Cs沉積通量小于XKH-1，但又由于XKH-3離岸距離比XKH-2近，且近底軌跡流速較XKH-2小，故137Cs沉積通量比XKH-2稍大。因此，興凱湖沉積物柱樣中的137Cs沉積通量受陸源輸入、水動(dòng)力條件以及沉積物粒度等因素綜合影響。

3.3 現(xiàn)代沉積速率分析

吳健等[8]對(duì)興凱湖的研究顯示，興凱湖淺層沉積物沉積過程比較穩(wěn)定，137Cs和210Pb的計(jì)年結(jié)果基本一致。從各個(gè)沉積柱樣剖面137Cs比活度分布圖（圖3）可以看到，XKH-1孔的137Cs剖面在8 cm深度附近出現(xiàn)了一個(gè)較為明顯的蓄積峰，對(duì)應(yīng)1963年，由此估算出1963—2019年的平均沉積速率為0.143 cm/a。離岸較遠(yuǎn)的XKH-2孔，在深度4.5 cm附近存在一個(gè)峰值，137Cs的比活度為3.58 Bq/kg，根據(jù)137Cs時(shí)標(biāo)，判斷4.5 cm處的峰值對(duì)應(yīng)1963年，據(jù)此得出沉積物0~4.5 cm深度段的平均沉積速率為0.080 cm/a。XKH-3的137Cs峰值出現(xiàn)在表層2 cm處，將該137Cs蓄積峰年代定為1963年，由此估算出XKH-3孔1963—2019年的平均沉積速率為0.036 cm/a。

三個(gè)沉積物柱樣中，XKH-1柱樣1963—2019年平均沉積速率最大，主要與其位于白棱河河口附近有關(guān)。新中國(guó)成立以來白棱河流域無計(jì)劃地采伐和毀林開荒[29]，導(dǎo)致該地區(qū)水土流失嚴(yán)重，泥沙入湖量大，因此河口區(qū)域的沉積速率高。位于研究區(qū)中、東部的XKH-2和XKH-3柱樣1963—2019年平均沉積速率較XKH-1低得多，主要受人類活動(dòng)和水動(dòng)力條件的影響。XKH-3柱樣所處位置距離第二泄洪閘很近，常年受第二泄洪閘泄洪和調(diào)水的影響，水流的沖刷和侵蝕作用使得該區(qū)域沉積環(huán)境不利于沉積物的堆積。此外，從粒度分析結(jié)果（表2）亦可看到，XKH-3黏土含量相對(duì)較低，平均粒徑較大，沉積物以粗粉砂為主，分選性差，表明此處水動(dòng)力條件強(qiáng)，不利于沉積物的堆積，故XKH-3所在區(qū)域1963—2019年的平均沉積速率較低。XKH-2雖離第二泄洪閘較遠(yuǎn)，但也受第一、第二泄洪閘等水利工程建設(shè)的間接影響。穆興分洪道、第一泄洪閘和第二泄洪閘等水利工程的建設(shè)，使得穆棱河河水挾帶的泥沙有了進(jìn)入興凱湖的途徑。據(jù)資料記載[31]，1960年以前興凱湖流域及穆棱河流域植被覆蓋率較高，水土保持狀況良好，穆棱河來水分流后進(jìn)入興凱湖的挾沙量較小，湖口形態(tài)基本上為未淤積前的自然狀態(tài)，入湖流水挾帶的泥沙能順利向深水區(qū)運(yùn)移。然而近幾十年來由于人類的砍伐和毀林開荒，穆棱河流域植被大量破壞，水土保持狀況大幅度惡化，穆棱河分洪后入興凱湖的大量泥沙在第一泄洪閘—第二泄洪閘—湖口沿岸淤積，影響小興凱湖向大興凱湖泄流，導(dǎo)致入湖水流挾帶的泥沙難以向湖心方向移動(dòng)。此外，興凱湖湖面有潮汐現(xiàn)象，風(fēng)力大，沉積動(dòng)力環(huán)境復(fù)雜，湖流可能是把泥沙推向岸邊沙灘或阻止泥沙由岸邊向深水區(qū)移動(dòng)的主要因素[31]。從XKH-2粒度分析結(jié)果（圖4）可以看出，1960年以后沉積物黏土含量增加，平均粒徑減小，結(jié)合上述湖岸泥沙淤積的情況，可以推測(cè)粗顆粒物質(zhì)大都沉積在湖岸，只有少數(shù)黏土等細(xì)顆粒物質(zhì)被搬運(yùn)到深水區(qū)。綜合以上分析可知，在人為因素和自然因素的雙重影響下，研究區(qū)西岸白棱河河口區(qū)域1963—2019年平均沉積速率高于中、東部區(qū)域1963—2019年平均沉積速率。

圖4 XKH￣2柱樣沉積物粒度參數(shù)與虎林站（1957—2019年）年降水量的對(duì)比（a）XKH￣2柱樣137Cs比活度垂直剖面；（b）XKH￣2沉積物砂垂直分布；（c）XKH￣2沉積物粉砂垂直分布；（d）XKH￣2沉積物黏土垂直分布；（e）XKH￣2沉積物平均粒徑垂直分布；（f）XKH￣2沉積物分選系數(shù)垂直分布；（g）虎林站年降水量（1957—2019年）Fig.4 Grain size parameters of core XKH￣2 compared with annual precipitation at Hulin station (1957-2019)(a) 137Cs activity in vertical profile; and vertical distribution of (b) sand; (c) silt; (d) clay; (e) average particle size; (f) sorting coefficient; and (g) annual precipitation

3.4 興凱湖現(xiàn)代沉積環(huán)境

由于不同沉積環(huán)境的沉積物具有明確的界線，綜合分析粒度參數(shù)的散點(diǎn)圖可以判別湖泊過去的沉積環(huán)境，C-M圖是最為常用的粒度散點(diǎn)圖[32]，沉積物在C-M圖中的位置取決于搬運(yùn)方式，可以為沉積環(huán)境的解釋提供參考?，F(xiàn)代沉積環(huán)境C-M圖基本圖形如圖5所示，其中C值是累積曲線上1%處對(duì)應(yīng)的粒度（最粗顆粒粒徑），代表搬運(yùn)的最大動(dòng)能；M值是50%處對(duì)應(yīng)的粒度（中值粒徑），代表搬運(yùn)動(dòng)力的平均動(dòng)能。

圖5 現(xiàn)代沉積環(huán)境C￣M圖基本圖形Fig.5 Basic C￣M diagram for sediment

興凱湖XKH-1、XKH-2和XKH-3各個(gè)柱樣的C-M圖顯示，除了一些異常點(diǎn)以外，興凱湖各個(gè)柱樣的C-M散點(diǎn)圖多分布于Ⅲ區(qū)的下方（圖6），表明興凱湖現(xiàn)代沉積環(huán)境多為靜水沉積。相對(duì)于XKH-2柱樣，XKH-1和XKH-3柱樣C-M圖中的C值整體上分布較為分散，原因如下：XKH-1位于白棱河河口附近，白棱河流域面積為217 km2[31]，上游人類活動(dòng)頻繁，流域的泥沙輸入會(huì)給興凱湖的沉積帶來一定的影響，導(dǎo)致XKH-1沉積過程中的C-M圖分布較為分散；而XKH-3位于第二泄洪閘附近，該泄洪閘泄洪流量為650 cm3/s，設(shè)有10臺(tái)高揚(yáng)程抽水泵和10臺(tái)低揚(yáng)程抽水泵，用于農(nóng)業(yè)灌溉[33]，受泄洪和調(diào)水的影響，該區(qū)域沉積環(huán)境水動(dòng)力較XKH-1和XKH-2所在區(qū)域強(qiáng)，導(dǎo)致其C-M圖中的C值較為分散，且整體上大于XKH-1和XKH-2。

圖6 興凱湖沉積物柱樣XKH￣1、XKH￣2和XKH￣3的C￣M圖（a）XKH￣1（;b）XKH￣2（;c）XKH￣3Fig.6 C￣M diagram of cores in Lake Xingkai

概率累積曲線可以反映沉積物的搬運(yùn)方式，興凱湖3根沉積物柱樣的概率累積曲線均為兩段式（圖7），反映躍移和懸移2種方式，指示相對(duì)平靜的低能沉積環(huán)境，這與C-M圖解的結(jié)果一致。此外，從直線段的斜率可以看出，躍移組分的分選程度明顯高于懸移組分。

圖7 興凱湖沉積物柱樣代表性樣品的概率累積曲線（a）XKH￣1（;b）XKH￣2（;c）XKH￣3Fig.7 Accumulation probability curves of typical samples from cores

根據(jù)不同深度平均粒徑和分選系數(shù)等粒度參數(shù)指標(biāo)變化，可將XKH-1剖面大致分為兩段：1）8~18 cm深度段，砂、粉砂和黏土含量較為穩(wěn)定，平均粒徑變化也不明顯，分選系數(shù)較小，反映該時(shí)段人類活動(dòng)影響較弱，湖泊沉積環(huán)境較為穩(wěn)定；2）0~8 cm深度段，粗粉砂含量高，平均粒徑波動(dòng)大，分選系數(shù)大，反映了該時(shí)段較復(fù)雜的沉積環(huán)境。沉積物的物源往往是造成湖泊沉積物中粗顆粒含量存在差異的主要因素，XKH-1離白棱河河口較近，1960年以前興凱湖流域植被覆蓋率較高，水土保持狀況良好，河口形態(tài)基本上為未淤積前的自然狀態(tài)，因此8~18 cm深度段各組分含量和各粒度參數(shù)較穩(wěn)定。而近些年來，興凱湖流域植被大量破壞、水土保持狀況大幅度惡化[34]，由此推測(cè)，1963年之后（深度0~8 cm）河流攜帶進(jìn)入湖的泥沙增多，粒徑偏粗，且分選性較差。

XKH-2柱樣的平均粒徑和分選系數(shù)隨深度波動(dòng)頻繁，分選系數(shù)偏大，分選性總體較差，表明該區(qū)域湖底水動(dòng)力條件在不同的時(shí)間段強(qiáng)弱變化頻繁。據(jù)虎林縣志記載[35]，1949—1992年，穆棱河地區(qū)發(fā)生11次洪澇災(zāi)害，其中大洪水有3次，分別發(fā)生在1964年、1971年和1991年。根據(jù)1963—2019年沉積速率0.080 cm/a推算出深度2.26 cm、3.86 cm和4.42 cm處對(duì)應(yīng)年份分別為1991年、1971年和1964年。洪水期間入湖徑流侵蝕和搬運(yùn)能力較強(qiáng)，粗顆粒物質(zhì)較容易被搬運(yùn)至湖泊，導(dǎo)致沉積物粒徑增大，在組分上通常表現(xiàn)為砂、粉砂等粗顆粒物質(zhì)含量增多，黏土占比減小[36]。穆棱河來水流經(jīng)穆興分洪道、東北泡子和小興凱湖，攜帶的泥沙一部分經(jīng)過沉積，另一部分通過第一、第二泄洪閘進(jìn)入興凱湖。從粒度分析（圖4）可以看出，XKH-2記錄的粉砂和平均粒徑的峰值與虎林站記錄的年均降水量峰值有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系：深度2.26 cm附近粉砂含量增加，黏土含量減少，沉積物分選性較差，表明當(dāng)時(shí)沉積環(huán)境水動(dòng)力較強(qiáng)的沉積環(huán)境，指示了1991年的洪水事件；深度3.86 cm處平均粒徑較大，分選系數(shù)大，分選性差，表明當(dāng)時(shí)水動(dòng)力條件較強(qiáng)，指示了1971年的洪水事件；深度4.42 cm附近沉積物粉砂含量大，黏土含量少，平均粒徑增大，沉積物粒徑變粗，表明當(dāng)時(shí)沉積環(huán)境動(dòng)力增強(qiáng)，指示了1964年穆棱河地區(qū)發(fā)生的大洪水。

XKH-3柱樣0~5 cm深度段的沉積物平均粒徑隨深度呈逐漸變粗的趨勢(shì)，說明該點(diǎn)位這一時(shí)段水深逐漸變淺。近年來人類活動(dòng)的影響使得興凱湖地區(qū)水土流失現(xiàn)象十分嚴(yán)重且呈加劇趨勢(shì)，并使得小興凱湖和靠近第一、第二泄洪閘附近的大興凱湖沿岸、松阿察河龍王廟湖口處泥沙淤積高度逐年增加，結(jié)果導(dǎo)致松阿察河湖口處泄洪能力大大降低，使大興凱湖水位逐年上升[11]。隨著興凱湖近岸不斷淤積，按水深越來越淺推測(cè)，XKH-3處沉積物的粒度變化趨勢(shì)應(yīng)該是越來越粗，這與XKH-3柱樣表層到深度5 cm的平均粒徑變化相吻合。

4 結(jié)論

（1） 興凱湖我國(guó)水域沉積物中137Cs平均活度空間分布與137Cs通量空間分布正相關(guān)聯(lián)。XKH-1、XKH-2和XKH-3柱樣137Cs沉積通量分別為1 604.28 Bq/m2、231.12 Bq/m2和288.73 Bq/m2，西岸137Cs通量高，中部和東部區(qū)域137Cs通量低，興凱湖137Cs沉積通量的空間分布受流域輸入、水動(dòng)力條件和沉積物粒徑的影響。

（2） XKH-1、XKH-2和XKH-3柱樣1963—2019年的平均沉積速率分別為0.143 cm/a、0.080 cm/a和0.036 cm/a。受特殊的風(fēng)浪條件和泄洪閘等人類活動(dòng)的影響，興凱湖我國(guó)水域1963—2019年平均沉積速率空間分布上呈現(xiàn)西部高，中、東部低的特點(diǎn)。

（3） 興凱湖現(xiàn)代沉積環(huán)境多表現(xiàn)為靜水沉積，不同區(qū)域間的沉積動(dòng)力條件差異與人類活動(dòng)密切的相關(guān)，泄洪閘等水利工程的建設(shè)對(duì)興凱湖沉積環(huán)境有較大影響。

致謝 評(píng)審專家和編輯對(duì)本文提出的寶貴意見，使得本論文的的質(zhì)量極大提高，在此一并感謝。