周建超，吳敬祿，曾海鰲

1.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 2.中國科學院大學，北京 100049

新疆烏倫古湖沉積物粒度特征揭示的環(huán)境信息

周建超1,2，吳敬祿1，曾海鰲1

1.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 2.中國科學院大學，北京 100049

在放射性同位素210Pb、137Cs定年的基礎上，通過對沉積物粒度參數(shù)的分析，探討了近200年來烏倫古湖沉積物粒度敏感組分特征及其環(huán)境意義。研究表明，烏倫古湖WL孔沉積物以黏土和細粉砂為主，但在1970 AD前后，粒度參數(shù)發(fā)生了突變，其中>16 μm組分所占含量迅速升高，在約1830～1842 AD及1910 AD 前后這兩個時期，沉積物的粒度參數(shù)也有較顯著的變化。對沉積物粒度頻率分布曲線的分析表明，在對應時期內(nèi)，沉積物的搬運介質或搬運動力發(fā)生了變化?；诖?，首先通過粒徑—標準偏差方法提取了粒度中的敏感組分C2(7～25 μm)，進而通過粒度敏感組分與器測氣象數(shù)據(jù)的相關性分析，明確了組分C2含量的環(huán)境指示意義。結果表明，組分C2含量的大小與研究區(qū)冬、春季溫度和冬季降水量大小有關，反映了積雪融水入湖的強度。在約1830～1842 AD、1910 AD前后，組分C2含量偏高，反映入湖水量較大、湖泊水位較高。而20世紀60年代到70年代，沉積物粒度參數(shù)的顯著變化與流域人類活動的影響有關。

湖泊沉積；粒度；敏感組分；環(huán)境意義；烏倫古湖

0 引言

湖泊沉積物具有沉積連續(xù)、分辨率高、代用指標豐富等優(yōu)點，是研究古氣候古環(huán)境變化的良好載體[1]。沉積物中的粒度是一個比較成熟的古環(huán)境指標，已被廣泛應用于古環(huán)境研究之中[2-4]。近年來，研究者們多通過對樣品的粒度資料進行各種數(shù)學運算[5-9]，提取敏感粒級組分，進而追溯古環(huán)境信息。

烏倫古湖地處溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，生態(tài)環(huán)境體系脆弱，對氣候變化及人類活動的響應敏感。前人已經(jīng)通過孢粉、粒度、介形類、黏土礦物等多指標分析了該湖晚冰期以來尤其是全新世以來的氣候環(huán)境演化過程[10-13]，但對銜接自然與人類記錄的百—千年尺度方面的研究較少，而相關研究對預測未來氣候環(huán)境變化尤為重要[14]。

在烏倫古湖駱駝脖子處獲取了高分辨率的沉積巖芯(WL孔)，基于對WL孔沉積物粒度特征的分析，采用粒徑—標準偏差方法，提取沉積物中的敏感粒度組分，在其與湖區(qū)器測氣象數(shù)據(jù)的相關性分析及其與區(qū)域樹輪記錄對比分析的基礎上，明確敏感粒度組分的環(huán)境指示意義，探討近200年來湖泊沉積環(huán)境的變化以及人類活動對湖泊演化的影響，以期為湖泊環(huán)境保護和流域規(guī)劃提供基礎資料。

1 研究區(qū)概況

烏倫古湖(46°59′～ 47°25′ N，87°～87°35′ E)位于新疆阿勒泰地區(qū)福?？h境內(nèi)，流域面積約35 400 km2，為干旱區(qū)內(nèi)陸半封閉湖泊，湖泊水位為478.6 m時，湖泊面積約760 km2，南北最大寬約27 km，平均寬18.4 km，東西長約41 km，為新疆第二大湖[15]。湖區(qū)氣候寒冷干燥，據(jù)福?？h氣象資料統(tǒng)計，年均溫為3.4℃，年降水量為116 mm，年蒸發(fā)量為1 844 mm。20世紀70年代以前，烏倫古湖的唯一入湖河流為烏倫古河，烏倫古河發(fā)源于阿爾泰山東部，長821 km，流域面積32 000 km2，徑流來源以季節(jié)性積雪補給為主，夏季降雨混合補給為輔[16]。1970年，在烏倫古湖北部73公里處開渠，引額爾齊斯河河水補給烏倫古湖，同年在烏倫古湖東南岸直接引烏倫古河河水入湖。1987年冬，又擴大了“引額濟烏”工程。氣候變化與人類活動的雙重影響使得烏倫古湖近百年來水位波動變化較大。

2 采樣與分析方法

2015年8月在烏倫古湖駱駝脖子湖心水深12 m處，用重力采樣器采集了長68 cm的完整沉積巖芯，表層沉積巖芯未受擾動。在野外現(xiàn)場按1 cm間隔分割樣品，共獲得樣品68個。樣品裝入密封袋中保存，以備分析測試。

用于同位素測定的樣品經(jīng)冷凍干燥后，采用ORTEC公司生產(chǎn)的高純鍺井型探測器(HPGe GWL)與Ortec 919型譜控制器構成的多道γ譜分析系統(tǒng)，分別測定總210Pb(210Pbtot)、226Ra和137Cs的放射性比活度。用于定年分析的過剩210Pb(210Pbex)為210Pbtot與226Ra活度的差值。

用于粒度分析的樣品，加10%的雙氧水去除有機質，加10%的稀鹽酸去除碳酸鹽，加5%的六偏磷酸鈉溶液，超聲振蕩。振蕩后的樣品用Mastersize 2000型激光粒度儀測量粒級組成，各粒級組分平行分析誤差小于5%。

3 結果與分析

3.1 定年結果

烏倫古湖WL孔主要由黏土質粉砂組成，巖性變化較為均一。圖1a、b顯示出了過剩210Pb(210Pbex)、137Cs活度的垂直分布。210Pbex到58 cm處達到了平衡，58～0 cm，210Pbex活度隨巖芯深度的增加呈指數(shù)衰減(圖2a)。WL孔137Cs活度在40 cm處出現(xiàn)了最大峰值，Liuetal.[9]曾將烏倫古湖湖心區(qū)沉積物137Cs活度的最大蓄積層位定為1986年，但根據(jù)WL孔210Pbex數(shù)據(jù)計算得到的40 cm處的年齡為1960年，更接近137Cs的1963年時標，且1963年是全球公認的一個137Cs沉降峰值[17]，因此本文認為40 cm處對應1963年137Cs的最大富集層位(圖2b)。本文采用復合模式計算年代，基于137Cs的1963年時標深度(40 cm處)，把沉積巖芯分成上、下兩段，根據(jù)210Pbex活度變化的數(shù)據(jù)，采用不同公式計算年代[18]。采用復合模式計算得到58～0 cm層位的年代，深58 cm處對應的年代為1872 AD。68～59 cm層位的年代通過外推法獲得(由最小二乘法擬合得到58～40 cm層位的平均沉積速率為1.75 mm/a)，深68 cm處對應年代約為1810 AD。巖芯年代與深度的對應關系據(jù)此建立(圖2c)。

與Liuetal.[11]對湖心區(qū)WLG-2004孔的研究相比較，WL孔根據(jù)210Pbex和137Cs定年計算的沉積速率顯著偏快(WL孔平均沉積速率為3.32 mm/a；WLG-2004孔根據(jù)14C測年計算的14 cm以下層段的平均沉積速率為0.37 mm/a，根據(jù)210Pbex和137Cs定年計算的14～0 cm的平均沉積速率約為0.085 mm/a。)，210Pbex及137Cs活度偏低(分別約為WLG-2004孔的一半)。由于WL孔所在的駱駝脖子為一相對封閉的潟湖，風浪作用小，水體沉積環(huán)境相對穩(wěn)定，隨水流攜帶來的物質能較快沉積下來；同時WL孔離岸相對較近，短尺度降水沖刷的流域表土物質也能較快到達WL孔所在湖區(qū)并沉積下來，因而相較于WLG-2004孔，WL孔沉積速率顯著偏快。兩孔沉積部位差異較大，沉積物巖性及沉積特征都有較大的不同，因此210Pb、137Cs 蓄積和遷移都會存在差異。另外，沉積物來源和沉積速率的差異也造成蓄積量的不同。

圖1 烏倫古湖及采樣點所在位置a,b.烏倫古湖的地理位置; c.烏倫古湖等深線分布及采樣點所在位置Fig.1 Location of Wulungu Lake and the core sitea,b. geographic location of Wulungu Lake; c. bathymetry of Wulungu Lake and coring location

圖2 烏倫古湖WL孔沉積物巖性與年代模式a.210Pbex活度的垂直分布； b.137Cs活度的垂直分布; c.根據(jù)210Pbex、137Cs定年建立的巖芯年代與深度的對應關系Fig.2 Lithology and age model for WL core in Wulungu Lakea. the activity of 210Pbex versus depth; b. the activity of 137Cs versus depth; c. age-depth relation based on 210Pbex and 137Cs dating

3.2 粒度特征

烏倫古湖WL孔沉積物主要由黏土質粉砂組成。根據(jù)伍登—溫特華斯方法劃分的黏土(<4 μm)、細粉砂(4～16 μm)、中粉砂(16～32 μm)、粗粉砂(32～63 μm )和砂(>63 μm)5類組分的含量、中值粒徑(Md)、平均粒徑(Mz)、標準偏差隨深度的分布見圖3。黏土、細粉砂、中粉砂、粗粉砂和砂的平均含量分別為27.9%、40%、20%、9.9%、2.4%。與湖心區(qū)沉積物的粒度組成(Liuetal., 2008)相比較，黏土組分偏多，中值粒徑偏小。黏土組分含量在40～32 cm(約1963～1970 AD)略高于平均值，在32～31 cm(約1970 AD)顯著下降，而>16 μm的各組分在32～31 cm則顯著升高，與黏土組分含量的變化趨勢相反，但與中值粒徑及平均粒徑的變化趨勢較為一致。

沉積物的粒度頻率曲線特征是判斷沉積作用形式的重要手段之一[5]。當搬運方式一定且介質動力大小穩(wěn)定時，它所搬運的沉積物粒度總體是一個單因子控制的單組分分布，表現(xiàn)為單峰態(tài)曲線[5]。由圖4a可知，烏倫古湖WL孔沉積物的粒度頻率曲線主要表現(xiàn)為單峰負偏態(tài)曲線，粒度組成主要集中在細粉砂粒級，砂組分含量較低，與流水沉積作用曲線的變化較為一致。這表明，WL孔所在湖區(qū)沉積物的搬運方式較為單一，主要反映了水流的搬運作用，不同層位粒度頻率曲線向粗或向細粒側偏移反映了介質動力的變化。

4 討論

圖4b示出了利用粒徑—標準偏差方法獲得的各粒徑組分的標準偏差隨粒徑的變化曲線，圖中較高的標準偏差所對應的粒級即對沉積環(huán)境變化敏感的粒度眾數(shù)。三個較為明顯的標準偏差峰值分別出現(xiàn)在3.2 μm、17.8 μm和63 μm，其界限分別為7 μm和25 μm；此外在粗粒側(>178 μm)也有一較弱的峰。據(jù)此將剖面粒度劃分為C1(<7 μm)、C2(7～25 μm)、C3(25～178 μm)和C4(>178 μm)四個組分。組分C1含量為30.1%～51.6%，平均為41.5%；組分C2含量為34.5%～45%，平均為40.3%，組分C3含量為12%～28.9%，平均為18%。由于組分C4的平均含量小于1%，本文不做討論。

圖3 烏倫古湖WL孔沉積物粒度特征值隨深度的變化Fig.3 Grain size distribution and standard deviation of Wulungu Lake sediment from WL Core

圖4 烏倫古湖WL孔沉積物粒度頻率分布曲線(a)及粒徑—標準偏差曲線(b)Fig.4 a. the grain-size distribution curves of Wulungu Lake sediment WL Core; b. standard deviation values versus grain size of Wulungu Lake sediment from WL Core

從圖5可以看出，組分C2、C3含量與組分C1含量呈負相關，組分C1平均粒徑的變化不明顯，而組分C2、C3平均粒徑的變化較為明顯，且與各自組分含量的變化趨勢較為一致，表明組分C2、C3的含量變化控制了組分C1的含量變化，組分C2、C3是巖芯對環(huán)境變化較為敏感的兩個粒度組分。同時，相關性分析結果表明，組分C2的平均粒徑與巖芯中值粒徑的相關性最高(組分C2、C3的平均粒徑與巖芯中值粒徑的相關系數(shù)分別為0.672和0.501(P=0.01))，因而組分C2控制了巖芯粒度的變化，是巖芯對環(huán)境變化最敏感的粒度組分。

為了明確敏感組分的環(huán)境指示意義，將組分C2含量及其平均粒徑與湖區(qū)1954—2014年的器測氣象數(shù)據(jù)(以阿勒泰市氣象站為代表)進行相關性分析，結果如表1。由表1可知，組分C2的含量與冬、春季均溫及冬季降水量均呈正相關，且達到顯著性水平；組分C2的平均粒徑與冬、春季溫度均呈正相關，但未達到顯著性水平。阿勒泰地區(qū)的冬季降水主要以雪的形式降落并積累下來，并主要在春末夏初(4—6月)融化，因此，7～25 μm粒級的物質主要由冬季積雪融化形成的徑流所帶來，組分C2的含量大小在一定程度上反映了春、夏季積雪融水入湖的強度。上一年冬季積雪較多，來年隨著溫度快速回升，較多的積雪融水匯入烏倫古河，主要攜帶了7～25 μm粒級的物質進入駱駝脖子湖區(qū)并沉積下來，組分C2含量相應增大。

圖5 烏倫古湖WL孔沉積物粒度敏感組分含量及其平均粒徑與巖芯中值粒徑對比Fig.5 Comparison between the content/mean-size of sensitive grain-size components and the median grain size of Wulungu Lake sediment from WL Core

組分C2/%組分C2/μm春季均溫/℃夏季均溫/℃夏季降水量/mm冬季均溫/℃冬季降水量/mm組分C2/%1組分C2/μm0．256??1春季均溫/℃0．223?0．1881夏季均溫/℃-0．0730．0250．272?1夏季降水量/mm0．192-0．002-0．223-0．412??1冬季均溫/℃0．36??0．1770．190．065-0．0721冬季降水量/mm0．341?0．035-0．251-0．028-0．041-0．2041

注：*、**分別表示相關系數(shù)在P=0.05和0.01水平上顯著相關

沉積物粒度的粗細反映了水流搬運能力的大小及湖泊水位的變化，位于湖泊中心區(qū)域沉積物粒度的變化主要與進入湖泊的物源粗細和湖水環(huán)境對顆粒的再改造再分布兩個因素有關。當湖泊水位下降以致駱駝脖子與大湖相隔成為一封閉潟湖時，湖泊沉積物粒度組成主要受到湖水環(huán)境再改造再分布的影響。當冬季積雪較多，隨著春季氣溫回升，融雪水形成的入湖徑流為烏倫古湖沉積物提供了物源。由于烏倫古河先注入吉力湖，再由庫依尕河流入烏倫古湖，較粗顆粒(25～178 μm)多在吉力湖沉積下來，流入烏倫古湖并在駱駝脖子湖心沉積下來的主要是7～25 μm粒級的物質。烏倫古河的徑流來源以季節(jié)性積雪補給為主，夏季降雨混合補給為輔[15]，因此冬季積雪越多，隨著春夏季氣溫回升，積雪融水形成的入湖徑流所帶來的7～25 μm粒級的沉積物也就越多，沉積物中組分C2的含量也就越大。

在約1830～1842 AD、1910 AD前后，組分C2的含量顯著增大(圖6a)，鉆孔所在湖區(qū)沉積了較多的7～25 μm粒級的物質，指示入湖水流偏多，湖泊水位偏高。在對應時期內(nèi)，阿勒泰東部樹輪重建的1～2月降雪量偏大[19](圖6c)，6—7月月均溫偏高[20](圖6d)，冬季積雪偏多，春末夏初溫度偏高，則由積雪融水形成的入湖徑流增大，湖泊水位相應升高，組分C2含量相應增大。據(jù)歷史文獻記載[21]，“清道光二十二年，上年冬至當年春(1841/1842年)，阿勒泰連降大雪，牲畜倒斃大半，貧苦牧民傷亡甚多”，前人研究也表明[22]，1910年前后是烏倫古湖的高水位期，與本文粒度沉積記錄較為一致。1944 AD前后，組分C2含量及>63 μm組分含量均有所升高(圖6a、b)，據(jù)文獻記載，1944年烏倫古湖水位偏高(約483 m)[15]，而對應時期內(nèi)阿勒泰東部降雪量偏低(圖6c)，6—7月月均溫略高于均值(圖6d)，因此春夏季積雪融水對湖泊水位的貢獻有所降低，湖泊水位偏高還可能與夏季降水偏多有關。由于WL孔所在湖區(qū)離岸較近，短尺度降水形成的水流可將不同粒級的物質帶入湖中并沉積下來，導致組分C2含量及>63 μm組分含量同時增大。20世紀50年代中期以來，各粒度指標都出現(xiàn)明顯的變化，尤其是70年代，沉積物中組分C2含量及>63 μm組分的含量均顯著升高(圖6a、b)，而黏土組分含量則顯著偏低(圖3)，與巖芯上、下段粒度各組分的變化截然不同，與這一時期流域內(nèi)的人類活動影響明顯有關。

烏倫古湖自1956年開始受到人類活動的顯著影響，1961年以來烏倫古河沿岸富蘊、福海、青河、農(nóng)墾181團開墾荒地，日益增多的農(nóng)業(yè)用水和生活用水使烏倫古河入湖水量不斷減少，烏倫古湖的水位也隨之下降。1961年烏倫古湖水位為484 m，1969年下降到480 m[15]。

由于流域農(nóng)業(yè)用水增加，導致入湖水量減少，水位下降，駱駝脖子與大湖面的連接減弱，甚至成為潟湖，改變了水體的動力條件，造成沉積物粒度的顯著變化。尤其是1970s，由于咸化加劇，影響流域居民的生活，1970年在烏倫古湖東南岸直接引烏倫古河河水入湖，并在湖北部73公里處開通了“引額濟烏”工程，并于1973年在引額濟烏渠上修建節(jié)制閘，額爾齊斯河河水在73公里處引入烏倫古湖，導致入湖物質的改變。湖泊沉積物中黏土組分含量顯著降低(圖3)，而>63 μm粒級組分含量則顯著升高(圖6b)，記錄了引水工程對湖泊沉積物粒度組成的顯著影響。20世紀80年代中期以來，受到區(qū)域氣候向暖濕轉型及人類活動調控入湖水量的影響，入湖水量相對穩(wěn)定，各粒級組分變化也較為平穩(wěn)。2010年以來，>63 μm粒級組分含量又快速上升，2010年以來區(qū)域降水較多，短時間內(nèi)的降水沖刷作用可攜帶較多的粗顆粒物質入湖并沉積下來。據(jù)此，鉆孔粒度記錄了不同時期氣候環(huán)境和流域人類活動對湖泊的影響。

圖6 烏倫古湖沉積物粒度敏感粒度組分與區(qū)域樹輪記錄對比a.組分C2的含量，圖中細實線為中值線; b.>63 μm組分含量，圖中細實線為中值線； c.樹輪記錄的阿勒泰東部1—2月降雪量[19]，圖中粗實線為9年滑動平均，細實線為中值線; d.樹輪記錄的阿勒泰東部6—7月月均溫[20]，圖中粗實線為9年滑動平均，細實線為中值線Fig.6 Correlation of the sensitive grain-size component and the regional tree ring recordsa. the content of sensitive grain-size component C2, thin solid line represent average values； b.the content of >63 μm fraction, thin solid line represent average values； c.the snowfall from January to February recorded by tree-ring in eastern Altay area[19], bold solid line represent 9-year moving average of the snowfall, thin solid line represent average values； d.the mean temperature series from June to July recorded by tree-ring in eastern Altay area[20], bold solid line represent 9-year moving average of the temperature, thin solid line represent average values

5 結論

(1) 通過粒徑—標準偏差方法，提取了沉積物中的敏感粒度組分C2(7～25 μm)。與湖區(qū)器測氣象數(shù)據(jù)的相關性分析表明，組分C2的含量大小受區(qū)域冬、春季溫度及冬季降雪量變化的影響，一定程度上反映了積雪融水入湖的強度。

(2) 烏倫古湖WL孔沉積物粒度總體變化平穩(wěn)，但在約1830～1842 AD、1910 AD前后，組分C2含量偏高，反映入湖水量偏大，湖泊水位偏高；在1970 AD前后，組分C2含量及>63 μm粒級組分含量均顯著上升，與巖芯上、下段粒度各組分的變化截然不同。

(3) 敏感組分含量與區(qū)域樹輪記錄的對比分析表明，約1830～1842 AD、1910 AD前后，組分C2含量偏大，與阿勒泰東部較多的冬季積雪和較高的初夏溫度有關，反映由積雪融水形成的入湖徑流偏大，湖泊水位偏高。約1970 AD，粒度參數(shù)的突變表明受人類引水工程的顯著影響。

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EnvironmentalInformationInferredfromEnvironmentallySensitiveGrain-sizeComponentRecordsinWulunguLake,Xinjiang

ZHOU JianChao1,2, WU JingLu1, ZENG HaiAo1

1.StateKeyLaboratoryofLakeScienceandEnvironment,NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Abstrcact: Analysis of a sediment core from Wulungu Lake of Xinjiang was carried out by using environmental proxy of grain-size. Combining with210Pb and137Cs dating, the characteristics and environmental significance of sensitive grain-size components of Wulungu Lake sediments were studied in Wulungu Lake region. The results showed that the sediment core mainly consisted of clay and fine-silty, however, grain-size displayed a sudden shift before and after 1970 AD: the coarse particle fraction (>16 μm) was significantly increased. The grain size characteristics of the sediments also changed significantly during 1830-1842 AD and in about 1910 AD. The analysis of grain-size frequency distribution curves of the sediment core indicated that the transportation medium or transporting force had changed significantly during corresponding periods. Based on this result, environmentally sensitive grain-size component C2 (7-25 μm) was extracted by the variations of the grain-size standard deviation. Based on correlation analysis between sensitive grain-size component and meteorological data, the environmental significance of sensitive grain-size component C2 was explicated. The results indicated that the content of sensitive grain-size component C2 was related to the regional spring and summer average temperature and winter snowfall, and reflected the intensity of the snow meltwater into the lake. The significant increase of the content of component C2 during 1830～1842 AD and in about 1910 AD thus reflect the increased water inflow and higher lake level. The significant change of grain size characteristics of the sediments during 1960s-70s was related to human activity.

lake sediments; grain size; sensitive component; environmental significance; Wulungu Lake

1000-0550(2017)06-1158-08

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.06.007

2016-09-22；收修改稿日期2016-11-07

國家自然科學基金項目(41671200, 41271205, U1138301)；科技基礎性工作專項(2014FY110400)[FoundationNational Natural Science Foundation of China, No.41671200, 41271205, U1138301; Special Basic Research Funds, No. 2014FY110400]

周建超，男，1989年出生，博士研究生，研究方向為湖泊沉積與環(huán)境演化，E-mail：xidazhouyangyang@163.com

吳敬祿，男，研究員，E-mail：w.jinglu@niglas.ac.cn

P512.2

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