烏梁素海湖泊沉積物粒度特征及其環境指示意義①

馬 龍 吳敬祿 溫軍會 劉 文，4 吉力力.阿不都外力

(1.中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲生態國家重點實驗室 烏魯木齊 830011;2.中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室 南京 210008;3.陜西省地礦局區域地質礦產研究院 陜西咸陽 712000;4.中國科學院大學 北京 100049)

湖泊沉積物是陸地環境變化的天然檔案庫，保存了豐富的環境演化以及人類活動等信息，成為研究過去環境變化的良好載體［1，2］。沉積物粒度作為重建古環境的重要指標，廣泛應用于古環境研究之中［3～5］。目前主要通過對粒度組分Weibull分布的函數擬合法［6］、端元模型法［7］、粒徑標準偏差法［8，9］和因子分析法［10］等對沉積物的物質來源進行分析。河套平原地區開發歷史悠久，早在秦漢時期就開始開渠引水，發展農業，人類活動已經深刻影響到區域環境的變化［11］。前期已對烏梁素海湖泊沉積物元素含量進行了分析，研究了沉積物中元素的變化規律，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－標準偏差對粒度組分的物質來源進行分析，并結合歷史文獻研究資料，探討河套地區烏梁素海在自然和人類活動共同作用下的演變過程，以期為合理利用湖泊資源，協調區域可持續發展提供基礎資料。

1 研究區概況

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，同時是亞洲濕地公約組織名錄中的大型濕地生物多樣性保護區，烏梁素海濕地生態系統對維護周邊地區生態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，全年蒸發量為2 456 mm［15］。烏梁素海作為河套灌區水利工程的重要組成部分，直接納入后套黃河灌區農業灌溉退水［11］。根據文獻記載，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，即為現今烏梁素海湖區中較深的“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個湖泊沉積物巖芯，同時采集W1、W2、W3和W4等4個不同類型流域沉積物樣品進行粒徑－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公司生產的由高純鍺井型探測器(Ortec HPGe GWL)與Ortec 919型譜控制器和計算機構成的16K多道分析器所組成的γ譜分析系統。通過恒定補給速率(CRS)模式計算得到研究剖面的年代序列，見文獻［12］。取沉積物樣品0.3 g左右，經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型激光粒度儀上進行粒度測試［12］。

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

粒度能夠反映搬運介質能量的高低和沉積環境的變化［16，17］，本文根據傳統沉積學巖性分類方法將粒度分黏土(4 μm)、細粉砂(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，按福克和沃德的定義表達式計算平均粒徑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值轉換為μm單位表示，粒度分析結果見圖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37.8%;細粉砂(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雜。20 cm之下，黏土質(＜4 μm)含量變幅很小，與細粉砂含量一致，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

本文采用粒級標準偏差算法提取沉積物中的環境敏感粒度組分對粒度分析結果進行討論［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含量的標準差變化而獲得粒度組分的個數和分布范圍。粒級—標準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的差異性，高的標準偏差值反映了不同樣品的粒度含量在某一粒徑范圍內差異較大，低的標準偏差則反映了粒度含量在某一粒徑范圍內差異較小。圖中較高標準偏差值所對應的粒級即對沉積環境敏感的粒度眾數，據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數和分布范圍［8］。但通過相關分析，在1～20 cm，＜4 μm的粒徑組分和其它粒級含量反相關(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系差異，反映了不同粒徑組分受地質作用在20 cm左右發生了重要變化。與此對應，沉積物元素含量也發生了明顯的變化［12］。因此本文將巖芯分為0～20 cm和20～56 cm兩段分別進行粒級－標準偏差的計算分析。

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

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

根據對20～56 cm層段(1965年之前)沉積物的粒度的分析，粒徑—標準偏差分布曲線中較高標準偏差峰值分別出現在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，F1和F2的含量呈反向變化，且F1的平均粒徑變化不顯著(圖4A)，F2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，F1主要來源與河套地區灌溉退水攜帶的流域近源物質。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，這與黃河水動力條件逐漸增強有關［21，22］，徑流偏多的年份，水動力較強，黃河所攜帶的泥沙增多。1910～1965(35～20 cm)這段時間，F2組分的粒徑變化不明顯，同時根據元素分析顯示該階段各種元素含量穩定［12］，該時期是沉積環境相對穩定的時期。

圖3 不同層位粒徑標準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—標準偏差分布曲線中，較高標準偏差峰值分別出現在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)兩個粒徑組分受不同來源物質影響。就F1和F2的含量和平均粒徑來看(圖4C，D)，F1的平均粒徑和粒度總體平均粒徑一致，說明F1為環境敏感組分，而粗顆粒組分F2應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減小一致［23，24］。細顆粒組分 F1主要由于烏梁素海位于河套平原的最低點，接受了大量灌溉退水攜帶的流域近源物質。1965年以來湖岸圍堤及紅圪卜閘的建成，流域侵蝕物質不能直接入湖。由于退水中的物質組成經過了退水渠的再沉積，沉積物粒度組成以細顆粒物質為主。由于從1977年以來入湖水量迅速增大，湖泊水位升高，沉積物中細顆粒組分F1含量和入湖水量成正相關(圖5)，1977～1998年細顆粒組分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，細粒徑組分顯著減少，同時2004年以來引黃濟烏的實施，導致黃河泥沙直接進入烏梁素海，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之上存在兩個含量較大的階段，含量平均分別為7.4%和6.9%。但通過相關分析，在1～20 cm，＜4 μm 粒徑組分和其他粒徑組分反相關;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—標準偏差方法，結合流域沉積物粒徑頻率分布曲線的對比研究，發現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的狀態，黃河攜帶的泥沙顆粒較粗，進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年進入烏梁素海的各種物質粒度特征相對比較穩定，反映了較為穩定的沉積環境。1965年以來，人類活動顯著影響了湖泊的沉積物特征，河套平原灌溉退水攜帶的大量流域物質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。在不同的時期，烏梁素海受人類活動和氣候變化的影響程度不盡一致，上世紀60年代以來，人類活動的影響已顯著影響了湖泊沉積物的組成。在短時間尺度下，分析沉積物的環境指示意義時，必須綜合分析各種因素對環境記錄的影響方式和程度，才能對粒度的環境指示意義得出可靠結論。

References)

1 沈吉.湖泊沉積研究的歷史進展與展望［J］.湖泊科學，2009，21(3):307-313［Shen Ji.Progress and prospect of palaeolimnology research in China［J］.Journal of Lake Sciences，2009，21(3):307-313］

2 王蘇民，張振克.中國湖泊沉積與環境演變研究的新進展［J］.科學通報，1999，44(6):579-587［Wang Sumin，Zhang Zhenke.New progress of lake sediments and environmental changes research in China［J］.Chinese Science Bulletin，1999，44(6):579-587］

3 陳敬安，萬國江，張峰，等.不同時間尺度下的湖泊沉積物環境記錄-以沉積物粒度為例［J］.中國科學:D輯，2003，33(6):563-568［Chen Jingan，Wan Guojiang，Zhang Feng，et al.Environmental records of lacustrine sediments in different time scales:Sediment grain size as an example［J］.Science in China Series D:Earth Science，2003，33(6):563-568］

4 Peng Y，Xiao J，Nakamura T，et al.Holocene East Asian monsoonal precipitation pattern revealed by grain-size distribution of core sediments of Daihai Lake in Inner Mongolia of north-central China［J］.Earth and Planetary Science Letters，2005，233(3):467-479

5 Noren A J，Bierman P R，Steig E J，et al.Millennial-scale storminess variability in the northeastern United States during the Holocene epoch［J］.Nature，2002，419(6909):821-824

6 Sun D，Bloemendal J，Rea D，et al.Grain-size distribution functions of polymodal sediments in hydraulic and aeolian environments，and numerical partitioning of the sedimentary components［J］.Sedimentary Geology，2002，152(3-4):263-277

7 Weltje G J.End-member modeling of compositional data:numericalstatistical algorithms for solving the explicit mixing problem［J］.Mathematical Geology，1997，29(4):503-549

8 孫有斌，高抒，李軍.邊緣海陸源物質中環境敏感粒度組分的初步分析［J］.科學通報，2003，48(1):83-86［Sun Youbin，Gao Shu，Li Jun.Preliminary analysis of grain-size populations with environmentally sensitive terrigenous components in marginal sea setting［J］.Chinese Science Bulletin，2003，48(1):83-86］

9 肖尚斌，李安春.東海內陸架泥區沉積物的環境敏感粒度組分［J］.沉積學報，2005，23(1):122-129［Xiao Shangbin，Li Anchun.A study on environmentally sensitive grain-size population in inner shelf of the east China Sea［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2005，23(1):122-129］

10 陳國成，鄭洪波，李建如，等.南海西部陸源沉積粒度組成的控制動力及其反映的東亞季風演化［J］.科學通報，2007，52(23):2768-2776［Chen Guocheng，Zheng Hongbo，Li Jianru，et al.Dynamic control on grain-size distribution of terrigenous sediments in the western South China Sea:Implication for East Asian monsoon evolution［J］.Chinese Science Bulletin，2007，52(23):2768-2776］

11 馬龍，吳敬祿.近50年來內蒙古河套平原氣候及湖泊環境演變［J］.干旱區研究，2010，27(6):871-877［Ma Long，Wu Jinglu.Climate and lake environment change in the Hetao Plain of Inner Mongolia in recent 50 years［J］.Arid Zone Research，2010，27(006):871-877］

12 馬龍，吳敬祿.內蒙古烏梁素海湖泊沉積物元素地球化學特征及其影響因素［J］.海洋地質與第四紀地質，2010，30(3):119-125［Ma Long，Wu Jinglu.Element geochemical characteristic of lake sediments and its influence factors in Ulansuhai Lake，Inner Mongolia［J］.Marine Geology ＆ Quaternary Geology，2010，30(3):119-125］

13 李哲.烏梁素海濕地自然保護區的污染治理問題應引起重視［J］.內蒙古環境科學，2007，19(001):71-73［Li Zhe.The pollution treatment problems of Wuliangsuhai wetland nature reserve［J］.Inner Mongolia Environmental Sciences，2007，19(001):71-73］

14 Duan X，Wang X，Mu Y，et al.Seasonal and diurnal variations in methane emissions from Wuliangsu Lake in arid regions of China［J］.Atmospheric Environment，2005，39(25):4479-4487

15 王蘇民，竇鴻身.中國湖泊志［M］.北京:科學出版社，1998:320-322［Wang Sumin，Dou Hongshen.A Directory of Lakes in China［M］.Beijing:Science Press，1998:320-322］

16 蔣慶豐，劉興起，沈吉.烏倫古湖沉積物粒度特征及其古氣候環境意義［J］.沉積學報，2007，24(6):877-882［Jiang Qingfeng，Liu Xingqi，Shen Ji.Grain-size characteristics of Wulugu Lake sediments and its palaeoclimate and palaeoenvironment implication［J］..Acta Sedimentologica Sinica，2007，24(6):877-882］

17 孫千里，周杰，肖舉樂.岱海沉積物粒度特征及其古環境意義［J］.海洋地質與第四紀地質，2001，21(1):93-95［Sun Qianli，Zhou Jie，Xiao Jule.Grain-size characteristics of Lake Daihai sediments and paleoenvironment significance［J］.Marine Geology ＆ Quaternary Geology，2001，21(1):93-95］

18 姜在興.沉積學［M］.北京:科學出版社，2003:74-75［Jiang Zaixing.Sedimentology［M］.Beijing:Petroleum Industry Press，2003:74-75］

19 Liu Z，Colin C，Trentesaux A，et al.Late Quaternary climatic control on erosion and weathering in the eastern Tibetan Plateau and the Mekong Basin［J］.Quaternary Research，2005，63(3):316-328

20 Guan Q，Pan B，Li N，et al.An indicator of sand storms in the south of the Tengger Desert［J］.Theoretical and Applied Climatology，2010，102(1):197-203

21 孫軍艷，劉禹，蔡秋芳，等.以樹木年輪資料重建黃河上游大通河480年以來6-7月徑流變化歷史［J］.海洋地質與第四紀地質，2011，31(3):109-116［Sun Junyan，Liu Yu，Cai Qiufang，et al.Tree-ring based June-July runoff reconstruction for the Datong river watershed，western China since AD1525［J］.Marine Geology＆ Quaternary Geology，2011，31(3):109-116］

22 李偉珮，閆觀清，李保國，等.黃河流域近300年來水文情勢及其變化［J］.人民黃河，2009，31(011):25-26［Li Weipei，Yan Guanqing，Li Baoguo，et al.Recent 300-year hydrological regime and its variations of the Yellow River Basin［J］.Yellow River，2009，31(011):25-26］

23 饒素秋，霍世青，薛建國，等.黃河上中游水沙變化特點分析及未來趨勢展望［J］.泥沙研究，2001，(2):74-77［Rao Suqiu，Huo Shiqing，Xue Jianguo，et al.Analysis on the characteristics of runoff and sediment and the outlook of their tendency in the future in the upper and middle Yellow River［J］.Journal of Sediment Research，2001，(2)74-77］

24 馬柱國.黃河徑流量的歷史演變規律及成因［J］.地球物理學報，2005，48(6):1270-1275［Ma Zhuguo.Historical regular patterns of the discharge in the Yellow River and the cause of their formation［J］.Chinese Journal of Geophysics，2005，48(6):1270-1275］

25 韓翠連，武石軍.總排干溝排退水質變化及對烏梁素海濕地的影響［J］.內蒙古水利，2005，(3):79-82［Han Cuilian，Wu Shijun.Water quality change of main drainage of Hetao plain and its influences on Ulansuhai marsh［J］.Inner Mongolia Water Conservancy，2005，(3):79-82］