云南高原湖泊表層沉積物粒度特征及環(huán)境指示意義

李華勇，張虎才，陳光杰，常鳳琴，段立曾，王教元，盧慧斌,2，吳漢，胡葵

1.云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院高原湖泊生態(tài)與全球變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/高原地理過程與環(huán)境云南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 6505002.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京 210008

云南高原湖泊表層沉積物粒度特征及環(huán)境指示意義

李華勇1，張虎才1，陳光杰1，常鳳琴1，段立曾1，王教元1，盧慧斌1,2，吳漢1，胡葵1

1.云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院高原湖泊生態(tài)與全球變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/高原地理過程與環(huán)境云南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 6505002.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京 210008

選取云南15個(gè)高原湖泊，利用瑞典產(chǎn)HTH重力采樣器提取沉積物短鉆，取頂部0～0.5 cm作為湖泊現(xiàn)代沉積物進(jìn)行粒度分析并利用分析軟件對粒度頻率曲線進(jìn)行擬合，探討各組分的沉積特征和環(huán)境指示意義。結(jié)果顯示，滇池等15個(gè)云南湖泊表層沉積物頻率曲線呈多峰態(tài)，含有2至5個(gè)組分，從細(xì)到粗分別為黏土組分(C1)、細(xì)粉砂組分(C2)、粉砂組分(C3)、細(xì)—中砂組分(C4)、粗砂組分(C5)，擬合眾數(shù)粒徑范圍為0.6～423.0 μm。C1組分來自大氣中長期懸浮的超細(xì)粉塵和氣溶膠，通過自然沉降和降水進(jìn)入湖泊水體，反映西南地區(qū)大氣粉塵背景值；C2和C3是湖泊沉積物中的主要組分，反映流域內(nèi)降水和水動(dòng)力大小；C4和C5組分只出現(xiàn)在洱海、滇池、差黑海等部分湖泊湖心沉積物中，且含量非常低，該組分與湖泊水動(dòng)力密切相關(guān)。對于滇池、撫仙湖等大型湖泊而言，粗顆粒進(jìn)入湖心需兩個(gè)過程：從流域地表進(jìn)入湖泊水體的輸入過程和從湖濱到達(dá)湖心的傳輸過程。湖心沉積物中粗粒含量主要受第二個(gè)過程影響，而該過程的強(qiáng)弱與湖流、水深、湖盆坡度等因素有關(guān)。西南地區(qū)干旱背景下湖泊快速收縮直至消失時(shí)，降水量的大幅減少使得地表徑流動(dòng)力減弱，加之大氣環(huán)流偏弱以及水生植物覆蓋面積比例增大，湖水動(dòng)力減弱，由湖濱向湖心傳輸?shù)奈镔|(zhì)以細(xì)粒碎屑為主。位于山地地區(qū)的小型湖泊，由于匯水面積有限、地形坡度較大，坡面徑流可將地表風(fēng)化碎屑物帶入湖盆甚至湖心位置，這類湖泊沉積物中粗粒物質(zhì)的增加反映流域內(nèi)降水量或降水強(qiáng)度增大。

云南；高原湖泊；表層沉積物；粒度分布特征；物源分析；沉積動(dòng)力

云南地區(qū)地形復(fù)雜，湖泊類型多樣，根據(jù)地質(zhì)學(xué)“將今論古”的原理，選取云南15個(gè)代表性湖泊，通過研究表層沉積物粒度特征來討論現(xiàn)代沉積搬運(yùn)過程及動(dòng)力機(jī)制，提高粒度數(shù)據(jù)解譯的可靠性和可信度，達(dá)到將粒度記錄有效應(yīng)用于古氣候、古環(huán)境變化研究的目的。

1 研究區(qū)自然地理概況

本文所研究的15個(gè)云南高原湖泊包括位于滇西北的瀘沽湖、程海、洱海、海西海、大理西湖等5個(gè)構(gòu)造湖，位于滇東地區(qū)的滇池、陽宗海、撫仙湖、星云湖、杞麓湖等5個(gè)構(gòu)造斷陷湖以及位于滇東南的異龍湖、大屯海、長橋海、差黑海、浴仙湖等5個(gè)巖溶湖[15](圖1)。各湖位置坐標(biāo)及其他相關(guān)信息見表1。15個(gè)湖泊跨南亞熱帶季雨林、亞熱帶常綠林和落葉與針闊混交林三個(gè)植被帶，海拔分布最低不足1 300 m，最高接近2 700 m。既有中國第六大淡水湖滇池，也有接近干涸的浴仙湖(2013年采樣時(shí)湖泊面積30 m2左右，2014年3月再次考察時(shí)已完全干涸)，有中國第二深水湖撫仙湖，同時(shí)也有平均水深不足1 m的差黑海和浴仙湖，有人類活動(dòng)強(qiáng)烈干擾的湖泊，如異龍湖[16]、杞麓湖[17]，也有目前人類活動(dòng)影響比較微弱的瀘沽湖。云南高原湖泊主要受西南季風(fēng)影響，全年分為明顯的干濕兩季，無結(jié)冰期。輸入湖盆的無機(jī)碎屑主要來自流域內(nèi)的風(fēng)化產(chǎn)物，通過河流和地表徑流帶入。除此而外，尚有部分經(jīng)過風(fēng)力搬運(yùn)的遠(yuǎn)源顆粒物質(zhì)。

圖1 云南地形及15個(gè)湖泊位置圖Fig.1 DEM map of Yunnan Province and location of the 15 lakes

湖泊坐標(biāo)位置流域/湖泊面積/km2最大/平均水深/m湖面高程/m年降水量/mm流域植被補(bǔ)給(m3)地表徑流/湖面降水瀘沽湖27°41'～27°45'N,100°45'～100°50'E171.4/57.7105.3/38.42692.2920落葉闊葉與針闊混交林0.62×108/0.48×108程海26°27'～26°38'N,100°38'～100°41'E228.9/75.9735.87/24.981502.0738.6亞熱帶針闊混交林,云南松林0.9×108/0.57×108海西海26°15'～26°17'N,99°57'～99°58'E2.4/*16/1020521048亞熱帶針闊混交林*大理西湖26°00'～26°01'N,100°01'～100°03'E4.7/*8.3/2～319701048亞熱帶針闊混交林*洱海25°36'～25°58'N,100°06'～100°17'E2785.0/251.3219.50/8.81965.81000～1200亞熱帶針闊混交林10.65×108/3.13×108滇池24°40'～25°02'N,102°36'～102°47'E2866.0/298.111.35/5.011887.4946.4亞熱帶季風(fēng)雨林常綠闊葉林9.02×108/2.98×108陽宗海24°51'～24°58'N,102°58'～103°01'E192.0/31.1728.59/21.501769.2963.5亞熱帶常綠針闊混交林0.36×108/0.3×108撫仙湖24°21'～24°38'N,102°49'～102°58'E1084.0/216.6158.9/95.21722.5879.1南亞熱帶常綠針闊葉混交林2.58×108/2.17×108星云湖24°17'～24°23'N,102°45'～102°48'E378.0/34.3310.81/6.011722.5947亞熱帶常綠針闊混交林2.2×108/0.32×108杞麓湖24°08'～24°13'N,102°43'～102°49'E341.0/36.956.84/4.201795.7869.2南亞熱帶常綠闊葉林1.1×108/0.33×108異龍湖23°38'～23°42'N,102°30'～102°38'E303.6/29.595.7/3.91414.0928南亞熱帶常綠闊葉林0.483×108/0.208×108大屯海23°23'～23°27'N,103°17'～103°20'E284.5/12.35.0/3.71280.7717.6亞熱帶雨林、灌叢0.157×108/0.089×108長橋海23°24'～23°27'N,103°20'～103°24'E167.0/10.75.50/3.741284834.2亞熱帶雨林、灌叢0.385×108/0.089×108浴仙湖23°41'N,103°53'E29.2/1.5×10-4(2013)0/01523983亞熱帶雨林、灌叢*差黑海23°41'N,103°53'E34.8/2.4(2013)*/0.21475983亞熱帶雨林、灌叢*

注：*無數(shù)據(jù)。瀘沽湖、程海、洱海、滇池、陽宗海、撫仙湖、星云湖、杞麓湖、異龍湖云南高原九大湖泊面積及對應(yīng)湖面海拔高度數(shù)據(jù)來自《云南省九大高原湖泊水底地形測量成果圖冊》，云南省環(huán)保廳，2010。

2 樣品采集與研究方法

2.1 樣品采集

2012—2013年間利用瑞典產(chǎn)HTH重力采樣器，在滇池、洱海、撫仙湖等15個(gè)云南高原湖泊上提取30～50 cm長度不等的沉積物短鉆，鉆孔地點(diǎn)皆位于各湖湖心區(qū)，取短鉆頂部0～0.5 cm作為湖泊現(xiàn)代沉積物進(jìn)行粒度分析。野外對所采樣品進(jìn)行現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，瀘沽湖等少數(shù)幾個(gè)貧營養(yǎng)型湖泊表層沉積物呈黃棕色，以無機(jī)礦物為主，有機(jī)質(zhì)含量極少；洱海、程海等中營養(yǎng)型湖泊表層沉積物呈棕褐色，有機(jī)質(zhì)層厚度較小且含量不大；大多數(shù)湖泊，諸如滇池、星云湖等均為富營養(yǎng)型湖泊，表層沉積物富含有機(jī)質(zhì)，呈褐色甚至黑色絮狀。

2.2 粒度測試

取凍干后的樣品0.5 g置于燒杯中，加足量10% H2O2并加熱，使其完全反應(yīng)以除去樣品中的有機(jī)質(zhì)；加足量10%稀HCl，加熱使其充分反應(yīng)，除去碳酸鹽；注滿蒸餾水，靜置24 h；倒去上層清液，加10 mL 0.05 mol/L (NaPO3)6，用超聲波震蕩10 min后，用Mastersize2000型激光粒度儀進(jìn)行粒度測量。每個(gè)樣品重復(fù)測量兩次，系統(tǒng)自動(dòng)取平均值。

2.3 粒度組分?jǐn)M合分析

通過上述節(jié)約里程法一系列的計(jì)算與規(guī)劃，現(xiàn)只需使用1輛車型I與兩輛車型II使用人次3次，總車程也將減少21.9KM，這將大大節(jié)約我們的成本，也解決了無序性問題和車輛搭配的問題。

已有研究結(jié)果顯示，經(jīng)過單一動(dòng)力長距離搬運(yùn)的碎屑堆積物，其頻率曲線往往呈近似正態(tài)分布的單峰態(tài)[18]，搬運(yùn)動(dòng)力越強(qiáng)，擬合中值粒徑越大。湖盆作為一個(gè)開放的沉積區(qū)，主要接納來自湖泊流域內(nèi)入湖河流和地表徑流輸入的風(fēng)化碎屑物以及更大范圍內(nèi)風(fēng)力搬運(yùn)的粉塵顆粒[19]。輸入湖盆的碎屑物在湖泊水動(dòng)力作用下重新分選，大致呈現(xiàn)由湖濱到湖心逐漸變細(xì)的同心圓狀[20]。但實(shí)際上由于受控于湖泊面積大小和水動(dòng)力強(qiáng)弱，粒度分布模式在各個(gè)湖泊中不盡相同[8-14]。由于物源的多源性和搬運(yùn)動(dòng)力的復(fù)雜性、多變性，湖泊沉積物粒度頻率曲線往往呈雙峰甚至多峰分布[19]。

利用秦小光等[21]開發(fā)的沉積物粒度分析軟件，對15個(gè)湖泊表層沉積物粒度頻率曲線進(jìn)行擬合，分解為若干正態(tài)分布曲線(圖2)，探討不同組分的沉積機(jī)理和指示意義。該粒度分析軟件公式如下：

(1)式中,n是擬合的粒度組分個(gè)數(shù)，x=ln(d)，d是粒徑值，單位為μm。ci是第i組分的百分含量，ci≥0，c1+··+ci=100%。σi是第i組分的標(biāo)準(zhǔn)差。αi是第i組分對數(shù)粒徑值的中值，單位為μm。αi=ln(di)，αi>0。

擬合誤差用下面公式計(jì)算得出：

(2)

式中，m是粒度間隔的數(shù)目，F(xiàn)(xj)是擬合出的第j個(gè)粒度間隔的百分含量，G(xj)是測量得出的第j個(gè)粒度間隔的百分含量。dF值越低，表示誤差越小，擬合度越高。

3 實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果

分析結(jié)果顯示，滇池等15個(gè)云南高原湖泊表層沉積物粒徑分布范圍為0.24(瀘沽湖、滇池、星云湖)～724.44 μm(洱海)，頻率曲線多呈雙峰或三峰分布(圖2)，主峰出現(xiàn)的位置在2.0(瀘沽湖)～65.5 μm(杞麓湖)之間，具有2至5個(gè)不等的組分，按照由細(xì)到粗的順序，分別命名為C1(黏土)、C2(細(xì)粉砂)、C3(粉砂)、C4(細(xì)—中砂)和C5(粗砂)。其中C1和C2出現(xiàn)在所有15個(gè)湖泊沉積中，中值粒徑和含量范圍分別為0.57～1.1 μm，2.6%～12.2%；1.5～6.4 μm，7.5%～89.8%。C3組分出現(xiàn)在瀘沽湖等10個(gè)湖泊的表層沉積物中，中值粒徑和百分含量范圍分別為4.7～22.8 μm，28.4%～79.6%。C4組分出現(xiàn)在星云湖、程海、滇池、大屯海、大理海西海和杞麓湖等6個(gè)湖泊中，除在杞麓湖表層沉積物中的含量高達(dá)62.1%以外，在其余幾個(gè)湖泊中的含量均低于7%。C5組分出現(xiàn)在星云湖等6個(gè)湖泊中，其中值粒徑均240 μm以上，最高達(dá)到423 μm(洱海)，但含量一般較低，平均值為1.2%。從擬合數(shù)據(jù)可看出，除杞麓湖外，C2和C3是構(gòu)成湖泊沉積物的主要組分，平均含量分別達(dá)到48.4%和56.3%。

就各個(gè)湖泊而言，長橋海和浴仙湖只含有兩個(gè)組分(C1和C2)；瀘沽湖、異龍湖、陽宗海和大理西湖等4個(gè)湖泊只含有C1、C2和C3三個(gè)組分；海西海和大屯海含有除C5以外的其余四個(gè)組分；洱海、撫仙湖和差黑海含有除C4以外的其余四個(gè)組分；滇池和程海含有除C3以外的其余四個(gè)組分；杞麓湖只含有C1、C2、C4三個(gè)組分；而星云湖則含有全部五個(gè)組分。

4 討論

湖泊沉積物中粒度指標(biāo)具有多解性的根本原因在于湖心粒度既反映湖泊流域內(nèi)搬運(yùn)動(dòng)力的變化[22]，也體現(xiàn)湖泊本身水動(dòng)力的強(qiáng)弱波動(dòng)[14,23]。對于所研究的15個(gè)云南湖泊而言，由于受西南季風(fēng)的影響，降水豐富，植被覆蓋度相對較高，全年無結(jié)冰期。湖盆中無機(jī)沉積物主要來自湖泊流域內(nèi)地表徑流和河流攜帶的風(fēng)化碎屑顆粒，其次則是來自大氣中長期懸浮的超細(xì)粉塵和氣溶膠。進(jìn)入湖泊中的顆粒在湖水動(dòng)力作用下，通過躍移和懸移的方式到達(dá)湖心位置沉淀下來。通常而言，越接近湖心深水區(qū)，水動(dòng)力越弱，粗粒組分的含量和峰值都會(huì)隨之減小。

圖2 云南15個(gè)湖泊表層沉積物粒度頻率曲線和擬合結(jié)果A1～A3.瀘沽湖、滇池、星云湖；B1～B3.洱海、陽宗海、撫仙湖；C1～C3.杞麓湖、大理西湖、長橋海；D1～D3.海西海、程海、浴仙湖；E1～E3.異龍湖、大屯海、差黑海Fig.2 Frequency distribution curves of the 15 lakes and their fitting results

另一方面，所研究的15個(gè)湖泊地處云南高原山地，尤其是位于滇西北和滇東的構(gòu)造斷陷湖，流域內(nèi)地形起伏很大和湖盆邊坡較陡，加之降水豐富，搬運(yùn)力很強(qiáng)而且距離相對較短，致使大量粗粒物質(zhì)被搬運(yùn)進(jìn)入湖盆甚至湖心區(qū)域。同時(shí)，由于滇中地區(qū)大型、較大型湖泊，如杞麓湖、異龍湖、星云湖等受人類活動(dòng)影響強(qiáng)烈，通過在出水口處修筑堤壩，炸開落水洞，引水出/入湖等方式[15]人為控制湖面高程和水量平衡模式，在短時(shí)間內(nèi)改變了湖水動(dòng)力，沉積物粒度特征也會(huì)隨之發(fā)生變化。另外，云南中西部地區(qū)幾乎全年盛行偏南風(fēng)，冬半年尤其強(qiáng)烈，南北狹長型湖泊，如洱海、滇池、撫仙湖、程海、陽宗海等，使得南風(fēng)的吹程較長，因而可以形成較強(qiáng)的湖浪和湖流，形成特殊的搬運(yùn)模式和路徑，導(dǎo)致湖流可以將粗顆粒組分通過懸移和躍移的方式帶至湖心深水區(qū)，這也是該區(qū)域湖泊沉積物粒度分布的特點(diǎn)之一。

4.1 C1組分的來源及其意義

分析結(jié)果顯示15個(gè)云南湖泊表層沉積物中都含有C1組分，其擬合中值粒徑和含量范圍分別為0.6～1.1 μm和2.6%～12.2%(圖2、表2)。事實(shí)上，C1作為一種超細(xì)粒組分(擬合中值粒徑小于2 μm)，可以在湖水中長時(shí)間懸浮，并且在湖心區(qū)域按照一定速率沉降到湖盆中[19,24-25]，因此絕大多數(shù)湖泊沉積物中都有該組分出現(xiàn)[22-26]。沉積物中<2 μm顆粒可以通過盆地徑流和大氣沉降兩種方式進(jìn)入湖盆[19,24-25]，而組分?jǐn)M合的目的之一就是將處在同一粒級卻由不同營力搬運(yùn)的組分區(qū)別開[22,26]。本文中，擬合出的C1組分中值粒徑除程海為1.1 μm外，其余皆為0.6～0.8 μm，最大粒徑僅有2～3 μm(圖2)，表明搬運(yùn)該組分的動(dòng)力均很弱，而且在這15個(gè)湖泊流域內(nèi)大致相同，推斷該組分為大氣中長期懸浮的超細(xì)粉塵和氣溶膠，通過重力和降水作用進(jìn)入湖泊水體，構(gòu)成表層沉積物粒度頻率曲線細(xì)端(<2 μm)部分。因此這15個(gè)湖泊中C1組分極有可能代表西南地區(qū)大氣粉塵(氣溶膠)的本底值[27]。同時(shí)，擬合中值粒徑為0.7 μm左右，與中國北方干旱區(qū)相比偏細(xì)[19]。需要指出的是，受湖泊水動(dòng)力影響，沉積物中C1組分的粒度大小和百分含量與大氣背景值并不完全成正比。例如，湖濱區(qū)域和水動(dòng)力較強(qiáng)的過水湖，超細(xì)組分缺乏穩(wěn)定的沉積環(huán)境，沉積物中的C1組分相對較少甚至缺失[23]。沉積速率較慢的湖泊，沉積過程較長，C1組分的含量相對較高[3,9](圖2表2)。從以上討論可以得出，同一個(gè)湖泊沉積巖芯中，C1百分含量與沉積速率成反比，藉此可以建立較可靠的沉積年代序列，但前提是超細(xì)組分的沉降背景值恒定且沉積環(huán)境穩(wěn)定。

表2 15個(gè)湖泊表層沉積物的擬合組分中值粒徑及百分含量

4.2 主要組分

除杞麓湖外，其余14個(gè)湖泊表層沉積物的主要組分為C2或C3，擬合中值粒徑為2.1～22.8 μm，屬細(xì)砂組分，C2+C3含量達(dá)80.1%～96.7%，占湖泊沉積物無機(jī)顆粒的絕大部分。有研究表明該組分主要反映湖盆流域內(nèi)水動(dòng)力強(qiáng)弱[19]。當(dāng)降水充沛、強(qiáng)度較大時(shí)，地表徑流和河流搬運(yùn)能力增強(qiáng)，所攜帶的物質(zhì)顆粒整體偏粗，從而導(dǎo)致湖泊沉積物中主要組分(C2或C3)峰值右移。另一方面，進(jìn)入湖泊水體的顆粒物隨著越向湖心水動(dòng)力越弱，粗粒物質(zhì)最先沉淀，致使湖中心沉積物粒徑主要組分峰值逐漸左移，因此主成分的粒徑大小同時(shí)受流域降水和湖泊水動(dòng)力兩者的影響。

從圖2、表2可看出，洱海、撫仙湖主成分最粗，擬合中值粒徑分別達(dá)到20.4 μm、22.8 μm，其次為星云湖、大屯海、大理西湖，而浴仙湖、瀘沽湖、陽宗海、海西海、差黑海等5個(gè)湖泊的主成分?jǐn)M合中值粒徑較細(xì)，均小于5 μm。由此可以得出，湖泊面積大小并不是控制沉積物主要組分粗細(xì)的決定性因素。這15個(gè)湖泊中，洱海、撫仙湖的面積僅次于滇池(表1)，而主成分粒徑卻最粗，表明由水力作用帶入這兩個(gè)湖盆的風(fēng)化顆粒總體較粗，這可能與洱海和撫仙湖流域的徑流和地形有關(guān)：洱海、撫仙湖均屬于構(gòu)造斷陷湖[15]，流域內(nèi)高差巨大，降水形成的坡面匯流具有較強(qiáng)的能量，可以攜帶粗粒物質(zhì)進(jìn)入湖盆，另外，發(fā)源于點(diǎn)蒼山的十余條常年性河流，水量(表1)與水能都足以攜帶大量粗粒物質(zhì)進(jìn)入洱海，在年際尺度上具有湖心粗粒物質(zhì)含量與流域降水量成正比的關(guān)系[28]。差黑海和浴仙湖面積和水深在這15個(gè)湖泊中最小(表1)，擬合主成分中值粒徑也較小，分別只有4.7 μm和4.9 μm(圖2、表2)。2013年對這兩個(gè)湖泊進(jìn)行考察采樣時(shí)，西南地區(qū)正經(jīng)歷一次嚴(yán)重干旱事件[29]，湖泊面積急劇收縮，浴仙湖更是接近干涸。有研究認(rèn)為干旱時(shí)期湖泊收縮，粒度分布同心圓模式影響到湖心，使湖心沉積物變粗[30]。浴仙湖和差黑海表層沉積物粒度擬合結(jié)果可能給出另外一種解釋：西南地區(qū)干旱時(shí)期，小型湖泊劇烈收縮甚至干涸，入湖水流大量減少，攜帶進(jìn)入湖泊的顆粒少而且偏細(xì)，同時(shí)，大氣環(huán)流偏弱[29]，湖泊收縮導(dǎo)致水生植物覆蓋比例增大，湖水動(dòng)力減弱，向湖心輸送的顆粒物同樣偏細(xì)。因此，不同外部條件下導(dǎo)致的湖泊收縮，沉積物中粒度的響應(yīng)是不同的。在借助湖泊巖芯重建古氣候和古環(huán)境的研究中，一般認(rèn)為湖泊收縮導(dǎo)致粒度變粗，而粒度變細(xì)對應(yīng)深水相沉積[31]，現(xiàn)在看來并不適用于所有湖泊，特別是云南高原湖泊，在這里湖心沉積物粒度是對流域水動(dòng)力/風(fēng)力的直接響應(yīng)，與水深大小關(guān)系較弱。

杞麓湖表層沉積物粒度擬合結(jié)果顯示C4為其主要組分，中值粒徑為65.5 μm，含量達(dá)到62.1%，并顯示出與其他14個(gè)湖泊不同的頻率曲線特征(圖2-C-1)，表明有大量粗顆粒組分進(jìn)入湖盆且輸送到湖心位置。結(jié)合湖泊流域降水，入湖徑流及湖盆特征綜合分析認(rèn)為由地表徑流和河流輸入的可能性較小。遙感影像資料表明杞麓湖自1988年以來面積縮小了40%以上，除氣候因素外，人為采用河流泥沙沖淤造田和挖湖泥造田也是一個(gè)重要方面[17,32]。大量粗粒泥沙通過這種方式進(jìn)入杞麓湖，影響了湖心沉積物粒度頻率曲線形態(tài)。除杞麓湖外，填湖造陸在滇池、異龍湖也較為普遍[16]，勢必會(huì)對湖泊某一區(qū)域，甚至是全湖的沉積物粒度組成產(chǎn)生影響。

4.3 砂組分的輸入途徑

分析結(jié)果顯示，C5(粗砂)組分出現(xiàn)在差黑海、洱海、滇池、撫仙湖、程海、星云湖6個(gè)湖泊中，擬合中值粒徑和含量分別為242.4～423.0 μm、0.4%～2.0%，除差黑海外，其余5個(gè)湖泊均屬于云南9大高原湖泊(表1)。大型湖泊湖心表層沉積物粒度中出現(xiàn)砂組分，說明湖水本身具有較強(qiáng)的搬運(yùn)動(dòng)力，將地表徑流輸入到湖盆的粗粒物質(zhì)運(yùn)至湖心并沉淀。受南北走向構(gòu)造斷裂影響[33]，諸如滇池、撫仙湖等云南幾大構(gòu)造斷陷湖也多東西窄，南北長[15]，加之云南地區(qū)多數(shù)時(shí)間盛行偏南風(fēng)，在南北狹長型湖面形成較長的吹程，使得這一類湖泊普遍具有顯著的湖流：表層湖水向北運(yùn)動(dòng)，下層湖水向南進(jìn)行補(bǔ)償。據(jù)野外觀測，撫仙湖湖流循環(huán)深度可達(dá)20 m以上，滇池、星云湖、洱海[34]可影響到湖底，強(qiáng)烈的湖流運(yùn)動(dòng)為C4和C5組分的懸移或者躍移搬運(yùn)提供了可能。

相比之下，小型湖泊，如海西海、大屯海、差黑海中砂組分的來源可能有多種解釋。海西海(表1)是位于洱海之北的一個(gè)小型湖泊，周圍地形陡峭，流域面積僅有2.4 km2。由于湖泊面積較小，流速較快的地表徑流可將大量泥沙帶入湖盆，并引起整個(gè)湖水渾濁，這也是山地地區(qū)小型湖泊湖心沉積物中粗粒組分輸入的主要途徑[13]。因此這類湖泊中C4和C5組分含量的增加指示流域內(nèi)降水量和降水強(qiáng)度增大。大屯海(表1)南北長5.0 km，東西寬2.46 km[15]，其湖心表層沉積物中的砂組分成因可能與洱海和撫仙湖類似：強(qiáng)烈的湖流將部分湖濱粗顆粒物質(zhì)攜帶至湖心，證明粗顆粒組分的擬合中值粒徑和含量與湖流強(qiáng)度相關(guān)。

4.4 兩個(gè)過程

研究表明，湖泊流域內(nèi)的風(fēng)化碎屑物進(jìn)入湖盆并到達(dá)湖心位置沉淀下來需要如下兩個(gè)過程，即從湖泊流域地表到湖盆的輸入過程和從湖濱至湖心的傳輸過程。第一個(gè)過程主要受流域內(nèi)降水和地表徑流控制[23]，同時(shí)地形，植被覆蓋情況以及人類活動(dòng)也會(huì)對碎屑物的輸入產(chǎn)生影響[13,35]；第二個(gè)過程主要由湖泊大小，水深以及水動(dòng)力強(qiáng)弱決定[36]。研究認(rèn)為在年際和十年尺度上，降水增多會(huì)導(dǎo)致沉積物中粒度整體偏粗，而在百年甚至更長時(shí)間尺度上降水增多則會(huì)導(dǎo)致粒徑偏細(xì)[28]。其原因在于百年以上時(shí)間尺度上的降水增加，勢必會(huì)導(dǎo)致湖泊面積和水深的增大(同時(shí)受出水口高程控制)，湖心到湖岸距離增大，從而弱化第二個(gè)過程，導(dǎo)致傳輸?shù)胶牡念w粒偏細(xì)。從這個(gè)意義上講，在地質(zhì)歷史時(shí)期，兩個(gè)過程是相互影響的。但就本文研究的湖泊表層沉積物粒度特征而言，兩個(gè)過程是相對獨(dú)立的。第一個(gè)過程影響湖泊沉積物主成分(主要為C2或C3)粒徑大小，第二個(gè)過程影響湖心粗粒組分(C4和C5)含量。對于面積較小的湖泊，這兩個(gè)過程有時(shí)會(huì)合并為一個(gè)過程：當(dāng)降水強(qiáng)度較大時(shí)，水流將地表風(fēng)化碎屑直接輸入到湖心，如海西海。但對于洱海，滇池，程海等面積較大湖泊而言，第一個(gè)過程一般只能將粗顆粒輸入到湖濱，其后在湖水動(dòng)力作用下輸送到湖心。從以上分析可以得出，對于湖泊沉積粒度環(huán)境指示意義的解譯需持謹(jǐn)慎態(tài)度，同時(shí)，需要其它指標(biāo)的支持與佐證，這樣才能建立一個(gè)合理而可靠的環(huán)境指標(biāo)。

5 結(jié)論

通過對云南高原15個(gè)湖泊表層沉積物粒度組成的分析研究可以得出，其C1組分來自大氣中長期懸浮的超細(xì)粉塵和氣溶膠，通過自然沉降和降水進(jìn)入湖泊水體，反映西南地區(qū)大氣粉塵背景值，通常而言，該組分含量與沉積速率成反比；C2和C3組分則是湖泊沉積物中的主要組分，該組分?jǐn)M合粒徑反映流域內(nèi)降水和水動(dòng)力大小；C4和C5組分只出現(xiàn)在部分湖泊湖心沉積物中，且含量非常低，該組分與湖泊水動(dòng)力密切相關(guān)。

對于多數(shù)湖泊而言，沉積物顆粒，尤其是粗顆粒進(jìn)入湖心需兩個(gè)過程：從流域地表進(jìn)入湖濱的輸入過程和從湖濱到達(dá)湖心的傳輸過程。對于滇池、洱海等大型湖泊而言，第二個(gè)過程決定其湖心沉積物中粗粒物質(zhì)含量，而該過程的強(qiáng)弱與湖流、水深、湖盆坡度等因素有關(guān)。

西南地區(qū)干旱背景下湖泊快速收縮直至消失時(shí)，降水量的大幅減少使得地表徑流攜帶進(jìn)入湖泊的顆粒物具有偏細(xì)的特征，大氣環(huán)流偏弱加上水生植物覆蓋面積比例增大，湖水動(dòng)力減弱，由湖濱向湖心傳輸?shù)奈镔|(zhì)以細(xì)粒碎屑為主，例如浴仙湖。因此在利用湖相沉積物重建區(qū)域古環(huán)境時(shí)須仔細(xì)甄別粒度的指示意義。位于山地地區(qū)的小型湖泊，由于匯水面積有限，湖面高程受地貌限制，流域地形坡度較大，在這種情況下坡面徑流可將地表風(fēng)化碎屑物帶入湖盆甚至湖心位置，這類湖泊沉積物中粗粒物質(zhì)的增加反映流域內(nèi)降水量和降水強(qiáng)度增大。

致謝 感謝中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的秦小光研究員提供粒度分析軟件，華中師范大學(xué)博士研究生鄭茜，云南師范大學(xué)高原湖泊生態(tài)與全球變化實(shí)驗(yàn)室的王熊飛、陳小林、陳思思、劉東升、施海彬、劉圓圓、陶建霜等共同參與了野外采樣和實(shí)驗(yàn)室工作，在此一并致謝！

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The Grain Size Distribution Characteristics of Surface Sediments from Plateau Lakes in Yunnan Province and Their Environmental Significances

LI HuaYong1,ZHANG HuCai1,CHEN GuangJie1,CHANG FengQin1,DUAN LiZeng1,WANG JiaoYuan1,LU HuiBin1,2,WU Han1,HU Kui1

1. Key Laboratory of Plateau Lake Ecology & Global Change, Yunnan Provincial Key Laboratory of Geographical Process and Environmental Change on the Plateau, College of Tourism and Geography Science, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China2. Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China

To investigate the distribution pattern and significance of grain size and provide accurate analogues for grain size records from lake cores, we analyzed surface sediments from 15 lakes of Yunnan Province, China for grain size. Meanwhile, the grain size components of the surface sediments of the 15 lakes were partitioned using the log-normal distribution function method. The results showed that frequency curves of samples indicated polymodal and consisted of two to five grain-size components with the modal size varying within ranges of 0.6～423.0 μm. These components are specified from fine to coarse modes as clay (C1), fine silt (C2), silt (C3), fine to medium sand (C4) and coarse sand (C5). The grain size analysis reveals that the C1 components were the long-term superfine dust and aerosol in the atmosphere which entered the lake water body through the process of gravity and precipitation, and may have represented the background level of atmospheric dust and aerosols in southwest China; C2 and C3 were the main components of surface sediments, the modal size of which reflected the precipitation intensity of the watershed; C4 and C5 components only appeared in minority surface sediments of lakes with the contents were extremely low, and were significantly related to the lake hydrodynamic force. For the large lakes, such as Dianchi and Fuxian Lakes, it requires two processes for the sand components to reach the central part of lakes: process of from drain basin to lakes and from lakeshore to the middle of lakes, and the second one plays a main role, affected by lake current, water depth, gradient of lake basin and so on. Under the background of the drought in southwest China, some small lakes in Yunnan shrinked and even disappeared. However, because of the decrease of precipitation and weakening of general circulation, surface runoff and hydrodynamics of lakes recede, thus the material which transmit to the center of the lakes were primarily fine grain. Small lakes located in the mountainous region, with the limited catchment area and conspicuous terrain slope, can be affected by the surface runoff directly and strongly. Therefore, the increase of coarse grain in the sediments of this kind of lakes reflected the enhancement of precipitation or the precipitation intensity.

Yunnan Province; plateau lakes; surface sediments; grain size distribution characteristics; source analysis; sedimentary dynamics

1000-0550(2017)03-0499-09

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.03.008

2016-01-14； 收修改稿日期： 2016-07-27

國家自然科學(xué)基金(41361008)，云南省領(lǐng)軍人才計(jì)劃(2015HA024)，云南省高端人才引進(jìn)項(xiàng)目(2010CI111)[Foundation: National Natural Science Foundation of China, No.41361008; Leading Talents Program of Yunnan Province , No.2015HA024; Senior Talent Program of Yunnan Province, No.2010CI111]

李華勇，男，1986年出生，博士研究生，湖泊沉積與氣候變化，E-mail: lihuayong2010@hotmail.com

張虎才，男，教授，E-mail: hucaizhang@yahoo.com

P512.2

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