馬 龍 吳敬祿 溫軍會 劉 文，4 吉力力.阿不都外力

(1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 烏魯木齊 830011;2.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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210008;3.陜西省地礦局區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)研究院 陜西咸陽 712000;4.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

湖泊沉積物是陸地環(huán)境變化的天然檔案庫，保存了豐富的環(huán)境演化以及人類活動(dòng)等信息，成為研究過去環(huán)境變化的良好載體［1，2］。沉積物粒度作為重建古環(huán)境的重要指標(biāo)，廣泛應(yīng)用于古環(huán)境研究之中［3～5］。目前主要通過對粒度組分Weibull分布的函數(shù)擬合法［6］、端元模型法［7］、粒徑標(biāo)準(zhǔn)偏差法［8，9］和因子分析法［10］等對沉積物的物質(zhì)來源進(jìn)行分析。河套平原地區(qū)開發(fā)歷史悠久，早在秦漢時(shí)期就開始開渠引水，發(fā)展農(nóng)業(yè)，人類活動(dòng)已經(jīng)深刻影響到區(qū)域環(huán)境的變化［11］。前期已對烏梁素海湖泊沉積物元素含量進(jìn)行了分析，研究了沉積物中元素的變化規(guī)律，探討了沉積物中元素變化的影響因素［12］，本文基于對黃河上游河套平原的烏梁素海湖泊沉積物粒度特征分析，通過粒徑－標(biāo)準(zhǔn)偏差對粒度組分的物質(zhì)來源進(jìn)行分析，并結(jié)合歷史文獻(xiàn)研究資料，探討河套地區(qū)烏梁素海在自然和人類活動(dòng)共同作用下的演變過程，以期為合理利用湖泊資源，協(xié)調(diào)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況

烏梁素海 (N40°47'～41°03'，E108°43'～108°57')地處巴彥淖爾市烏拉特前旗東北約9 km(圖1)，位于河套盆地后套平原最東端，是地球上同一緯度最大的自然濕地，同時(shí)是亞洲濕地公約組織名錄中的大型濕地生物多樣性保護(hù)區(qū)，烏梁素海濕地生態(tài)系統(tǒng)對維護(hù)周邊地區(qū)生態(tài)平衡具有重要的作用［13，14］。2008年測定 pH 值平均 9.04，礦化度平均2.48 g/L，湖泊面積 370 km2左右［12］。該區(qū)屬溫帶大陸性氣候，年均氣溫6.7℃，年降水量為224 mm，全年蒸發(fā)量為2 456 mm［15］。烏梁素海作為河套灌區(qū)水利工程的重要組成部分，直接納入后套黃河灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉退水［11］。根據(jù)文獻(xiàn)記載，公元1850年左右，今烏拉河至烏加河一段長約15 km的河道因泥沙淤塞而斷流，在烏拉山西部，留有兩處積水洼地，即為現(xiàn)今烏梁素海湖區(qū)中較深的“大巴爾洞”和“海壕”，形成總面積只有 2 km2的河跡湖［11］。

圖1 烏梁素海區(qū)域位置及古河跡湖、古河道位置圖Fig.1 The location map of Wuliangsu Lake，former fluvial lake and ancient Yellow River course

2 樣品分析與結(jié)果

2008年8月在烏梁素海北部用活塞采樣器平行采集WLS01(深42 cm)和 WLS02(深56 cm)等2個(gè)湖泊沉積物巖芯，同時(shí)采集W1、W2、W3和W4等4個(gè)不同類型流域沉積物樣品進(jìn)行粒徑－頻率曲線對比，采樣站位見圖1和表1。WLS01和 WLS02等沉積巖芯均在野外現(xiàn)場以1 cm間隔分層，并裝入塑料袋中密封保存，分別用于同位素測年和粒度分析。210Pb的放射性比活度采用γ分析方法，分析儀器為美國ORTEC公司生產(chǎn)的由高純鍺井型探測器(Ortec HPGe GWL)與Ortec 919型譜控制器和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的16K多道分析器所組成的γ譜分析系統(tǒng)。通過恒定補(bǔ)給速率(CRS)模式計(jì)算得到研究剖面的年代序列，見文獻(xiàn)［12］。取沉積物樣品0.3 g左右，經(jīng)過氧化氫以及鹽酸處理后，加入六偏磷酸鈉超聲振蕩，將振蕩后的樣品用英國Malvern Mastersizer 2000型激光粒度儀上進(jìn)行粒度測試［12］。

表1 烏梁素海采樣點(diǎn)信息Table 1 The information of sediment samples in Wuliangsu lake watershed

粒度能夠反映搬運(yùn)介質(zhì)能量的高低和沉積環(huán)境的變化［16，17］，本文根據(jù)傳統(tǒng)沉積學(xué)巖性分類方法將粒度分黏土(4 μm)、細(xì)粉砂(4～16 μm)、中粉砂(16～32 μm)、粗粉砂(32～64 μm)和砂(＞64 μm)等五類［18］。平均粒徑表示粒度分布的集中趨勢，按?？撕臀值碌亩x表達(dá)式計(jì)算平均粒徑φ值。φ16、φ50和φ84分別代表累積曲線上百分含量為5%、50%以及84%三處的粒徑φ值［18］，φ值轉(zhuǎn)換為μm單位表示，粒度分析結(jié)果見圖2。湖泊沉積物中黏土(＜4 μm)的平均含量為28.7%，在6～15 cm黏土含量最大，平均含量達(dá)37.8%;細(xì)粉砂(4～16 μm)的平均含量為34.4%，在5～15 cm為一較低階段，平均為29.3%;中粉砂(16～32 μm)的平均含量為 17.3%，粗粉砂(32～64 μm)的平均含量為14.1%;砂(＞ 64 μm)組分含量整體較低，平均5.5%，在35～40 cm以及20 cm之上存在兩個(gè)含量較大的階段，含量平均分別為7.4%和6.9%。從變化趨勢圖看，烏梁素海湖泊沉積物中不同粒級含量較為復(fù)雜。20 cm之下，黏土質(zhì)(＜4 μm)含量變幅很小，與細(xì)粉砂含量一致，且與平均粒徑呈反向變化;20 cm之上，黏土含量急劇增加，且與細(xì)粉砂以及粉砂等組分含量相反(圖2)。

3 討論

圖2 烏梁素海沉積物粒度垂向分布特征Fig.2 The vertical distribution of different grain size in Wuliangsu Lake

本文采用粒級標(biāo)準(zhǔn)偏差算法提取沉積物中的環(huán)境敏感粒度組分對粒度分析結(jié)果進(jìn)行討論［19，20］。其原理是通過研究激光粒度儀給出的每一粒級所對應(yīng)含量的標(biāo)準(zhǔn)差變化而獲得粒度組分的個(gè)數(shù)和分布范圍。粒級—標(biāo)準(zhǔn)偏差變化曲線主要反映了不同樣品的粒度含量在各粒徑范圍內(nèi)的差異性，高的標(biāo)準(zhǔn)偏差值反映了不同樣品的粒度含量在某一粒徑范圍內(nèi)差異較大，低的標(biāo)準(zhǔn)偏差則反映了粒度含量在某一粒徑范圍內(nèi)差異較小。圖中較高標(biāo)準(zhǔn)偏差值所對應(yīng)的粒級即對沉積環(huán)境敏感的粒度眾數(shù)，據(jù)此可以反映出一系列樣品中粒度變化存在顯著差異的粒度組分的個(gè)數(shù)和分布范圍［8］。但通過相關(guān)分析，在1～20 cm，＜4 μm的粒徑組分和其它粒級含量反相關(guān)(表2);而在20 cm之下，＜4 μm和4～16 μm具有一致的變化趨勢(表3)，上下兩段粒徑組分之間的關(guān)系差異，反映了不同粒徑組分受地質(zhì)作用在20 cm左右發(fā)生了重要變化。與此對應(yīng)，沉積物元素含量也發(fā)生了明顯的變化［12］。因此本文將巖芯分為0～20 cm和20～56 cm兩段分別進(jìn)行粒級－標(biāo)準(zhǔn)偏差的計(jì)算分析。

表2 0～20 cm層位相關(guān)性分析Table 2 The correlation analysis of different size group in the layers 0～20 cm

表3 20～56 cm層位相關(guān)性分析Table 3 The correlation analysis of different size group in the layers 20～56 cm

根據(jù)對20～56 cm層段(1965年之前)沉積物的粒度的分析，粒徑—標(biāo)準(zhǔn)偏差分布曲線中較高標(biāo)準(zhǔn)偏差峰值分別出現(xiàn)在8.71 μm 和45.71 μm(圖3A)，可將粒度組分劃分為組分1(F1)(＜19.95 μm)和組分2(F2)(19.95～181.97 μm)。F1和 F2的含量及其平均粒徑變化如圖4A和圖4B，F(xiàn)1和F2的含量呈反向變化，且F1的平均粒徑變化不顯著(圖4A)，F(xiàn)2的平均粒徑(圖4B)與烏梁素海湖泊沉積物的平均粒徑變化(圖2)趨勢一致，反映F2控制了粒度的變化，是湖泊沉積物的敏感組分。通過F2的粒級范圍與黃河泥沙粒徑頻率曲線(圖3B)的對比，兩者具有相似的粒級范圍，反映了F2主要來源于黃河攜帶的泥沙。對比分析表明，烏梁素海流域退水渠底沉積物(圖3C)與F1的粒級范圍較為一致，F(xiàn)1主要來源與河套地區(qū)灌溉退水?dāng)y帶的流域近源物質(zhì)。從F2的含量和平均粒徑來看(圖4B)，從巖芯底部到約 1910年(35 cm)，粗顆粒泥沙增多，沉積物粒度逐漸變粗，這與黃河水動(dòng)力條件逐漸增強(qiáng)有關(guān)［21，22］，徑流偏多的年份，水動(dòng)力較強(qiáng)，黃河所攜帶的泥沙增多。1910～1965(35～20 cm)這段時(shí)間，F(xiàn)2組分的粒徑變化不明顯，同時(shí)根據(jù)元素分析顯示該階段各種元素含量穩(wěn)定［12］，該時(shí)期是沉積環(huán)境相對穩(wěn)定的時(shí)期。

圖3 不同層位粒徑標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線及典型沉積物粒徑頻率分布曲線Fig.3 Standard deviation values vs.grain size of sediment cores and grain-size distribution curves of typical sediments

20 cm以上層段(1965年以來)沉積物的粒徑—標(biāo)準(zhǔn)偏差分布曲線中，較高標(biāo)準(zhǔn)偏差峰值分別出現(xiàn)在2.19 μm和22.91 μm(圖3D)，反映了組分1(F1)(＜5.71 μm)和組分2(F2)(5.71～60.56 μm)兩個(gè)粒徑組分受不同來源物質(zhì)影響。就F1和F2的含量和平均粒徑來看(圖4C，D)，F(xiàn)1的平均粒徑和粒度總體平均粒徑一致，說明F1為環(huán)境敏感組分，而粗顆粒組分F2應(yīng)主要反映了黃河攜帶泥沙的特征，與1965年以來的黃河粒徑的減少與黃河徑流的持續(xù)減小一致［23，24］。細(xì)顆粒組分 F1主要由于烏梁素海位于河套平原的最低點(diǎn)，接受了大量灌溉退水?dāng)y帶的流域近源物質(zhì)。1965年以來湖岸圍堤及紅圪卜閘的建成，流域侵蝕物質(zhì)不能直接入湖。由于退水中的物質(zhì)組成經(jīng)過了退水渠的再沉積，沉積物粒度組成以細(xì)顆粒物質(zhì)為主。由于從1977年以來入湖水量迅速增大，湖泊水位升高，沉積物中細(xì)顆粒組分F1含量和入湖水量成正相關(guān)(圖5)，1977～1998年細(xì)顆粒組分F1含量明顯增多，與入湖水量的變化趨勢一致，入湖水量的增加伴隨著細(xì)顆粒組分含量的顯著增加。而1998年以來總排干入湖水量在減少，細(xì)粒徑組分顯著減少，同時(shí)2004年以來引黃濟(jì)烏的實(shí)施，導(dǎo)致黃河泥沙直接進(jìn)入烏梁素海，烏梁素海湖泊沉積物中粗顆粒組分含量增加。

圖4 不同深度不同來源組分含量及平均粒徑Fig.4 The content of separated grain-size populations and the average particle size of two grain-size populations.

圖5 1965年以來細(xì)顆粒組分含量與總排干入湖水量對比圖［25］Fig.5 The contents of fine grain-size populations and the runoff of the main drainage canal in Hetao Plain

4 結(jié)論

烏梁素海湖泊沉積物黏土(＜4 μm)平均含量28.7%，在6～15 cm黏土含量最大，平均含量在37.8%。細(xì)粉砂(4～16 μm)含量 34.4%，在 5～15 cm為一較低的階段，平均29.3%。粉砂(16～64 μm)組分平均含量31.5%，砂(＞64 μm)組分含量整體較低，平均5.5%，在35～40 cm，以及20 cm之上存在兩個(gè)含量較大的階段，含量平均分別為7.4%和6.9%。但通過相關(guān)分析，在1～20 cm，＜4 μm 粒徑組分和其他粒徑組分反相關(guān);而在20 cm之下，＜4 μm和4～16 μm具有一致的變化趨勢。

通過粒徑—標(biāo)準(zhǔn)偏差方法，結(jié)合流域沉積物粒徑頻率分布曲線的對比研究，發(fā)現(xiàn)1965年之前，湖泊沉積物粒徑的變化主要受控于黃河入湖泥沙的變化，在此階段，從巖芯底部到1910年黃河徑流呈逐漸增強(qiáng)的狀態(tài)，黃河攜帶的泥沙顆粒較粗，進(jìn)入烏梁素海的粗顆粒泥沙增多，湖泊沉積物粒度逐漸變粗;而1910～1965年進(jìn)入烏梁素海的各種物質(zhì)粒度特征相對比較穩(wěn)定，反映了較為穩(wěn)定的沉積環(huán)境。1965年以來，人類活動(dòng)顯著影響了湖泊的沉積物特征，河套平原灌溉退水?dāng)y帶的大量流域物質(zhì)控制了沉積物的粒度組成，并且該組分的含量與總排干入湖水量的變化一致。在不同的時(shí)期，烏梁素海受人類活動(dòng)和氣候變化的影響程度不盡一致，上世紀(jì)60年代以來，人類活動(dòng)的影響已顯著影響了湖泊沉積物的組成。在短時(shí)間尺度下，分析沉積物的環(huán)境指示意義時(shí)，必須綜合分析各種因素對環(huán)境記錄的影響方式和程度，才能對粒度的環(huán)境指示意義得出可靠結(jié)論。

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