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)與全球變化重點實驗室/高原地理過程與環(huán)境云南省重點實驗室，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)與全球變化重點實驗室/高原地理過程與環(huán)境云南省重點實驗室，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)代沉積物進行粒度分析并利用分析軟件對粒度頻率曲線進行擬合，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個云南湖泊表層沉積物頻率曲線呈多峰態(tài)，含有2至5個組分，從細到粗分別為黏土組分(C1)、細粉砂組分(C2)、粉砂組分(C3)、細—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粉塵和氣溶膠，通過自然沉降和降水進入湖泊水體，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)降水和水動力大??；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，該組分與湖泊水動力密切相關(guān)。對于滇池、撫仙湖等大型湖泊而言，粗顆粒進入湖心需兩個過程：從流域地表進入湖泊水體的輸入過程和從湖濱到達湖心的傳輸過程。湖心沉積物中粗粒含量主要受第二個過程影響，而該過程的強弱與湖流、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，降水量的大幅減少使得地表徑流動力減弱，加之大氣環(huán)流偏弱以及水生植物覆蓋面積比例增大，湖水動力減弱，由湖濱向湖心傳輸?shù)奈镔|(zhì)以細粒碎屑為主。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)代沉積搬運過程及動力機制，提高粒度數(shù)據(jù)解譯的可靠性和可信度，達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個巖溶湖[15](圖1)。各湖位置坐標及其他相關(guān)信息見表1。15個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年采樣時湖泊面積30 m2左右，2014年3月再次考察時已完全干涸)，有中國第二深水湖撫仙湖，同時也有平均水深不足1 m的差黑海和浴仙湖，有人類活動強烈干擾的湖泊，如異龍湖[16]、杞麓湖[17]，也有目前人類活動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)力搬運的遠源顆粒物質(zhì)。

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

湖泊坐標位置流域/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)代沉積物進行粒度分析。野外對所采樣品進行現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，瀘沽湖等少數(shù)幾個貧營養(yǎng)型湖泊表層沉積物呈黃棕色，以無機礦物為主，有機質(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型激光粒度儀進行粒度測量。每個樣品重復(fù)測量兩次，系統(tǒng)自動取平均值。

2.3 粒度組分擬合分析

通過上述節(jié)約里程法一系列的計算與規(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)過單一動力長距離搬運的碎屑堆積物，其頻率曲線往往呈近似正態(tài)分布的單峰態(tài)[18]，搬運動力越強，擬合中值粒徑越大。湖盆作為一個開放的沉積區(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)力搬運的粉塵顆粒[19]。輸入湖盆的碎屑物在湖泊水動力作用下重新分選，大致呈現(xiàn)由湖濱到湖心逐漸變細的同心圓狀[20]。但實際上由于受控于湖泊面積大小和水動力強弱，粒度分布模式在各個湖泊中不盡相同[8-14]。由于物源的多源性和搬運動力的復(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個湖泊表層沉積物粒度頻率曲線進行擬合，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組分的標準差。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個粒度間隔的百分含量，G(xj)是測量得出的第j個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 實驗分析結(jié)果

分析結(jié)果顯示，滇池等15個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個不等的組分，按照由細到粗的順序，分別命名為C1(黏土)、C2(細粉砂)、C3(粉砂)、C4(細—中砂)和C5(粗砂)。其中C1和C2出現(xiàn)在所有15個湖泊沉積中，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個湖泊中，除在杞麓湖表層沉積物中的含量高達62.1%以外，在其余幾個湖泊中的含量均低于7%。C5組分出現(xiàn)在星云湖等6個湖泊中，其中值粒徑均240 μm以上，最高達到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，平均含量分別達到48.4%和56.3%。

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

4 討論

湖泊沉積物中粒度指標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)搬運動力的變化[22]，也體現(xiàn)湖泊本身水動力的強弱波動[14,23]。對于所研究的15個云南湖泊而言，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粉塵和氣溶膠。進入湖泊中的顆粒在湖水動力作用下，通過躍移和懸移的方式到達湖心位置沉淀下來。通常而言，越接近湖心深水區(qū)，水動力越弱，粗粒組分的含量和峰值都會隨之減小。

圖2 云南15個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，搬運力很強而且距離相對較短，致使大量粗粒物質(zhì)被搬運進入湖盆甚至湖心區(qū)域。同時，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影響強烈，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，在短時間內(nèi)改變了湖水動力，沉積物粒度特征也會隨之發(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，因而可以形成較強的湖浪和湖流，形成特殊的搬運模式和路徑，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之一。

4.1 C1組分的來源及其意義

分析結(jié)果顯示15個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)。事實上，C1作為一種超細粒組分(擬合中值粒徑小于2 μm)，可以在湖水中長時間懸浮，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?？梢酝ㄟ^盆地徑流和大氣沉降兩種方式進入湖盆[19,24-25]，而組分擬合的目的之一就是將處在同一粒級卻由不同營力搬運的組分區(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)，表明搬運該組分的動力均很弱，而且在這15個湖泊流域內(nèi)大致相同，推斷該組分為大氣中長期懸浮的超細粉塵和氣溶膠，通過重力和降水作用進入湖泊水體，構(gòu)成表層沉積物粒度頻率曲線細端(<2 μm)部分。因此這15個湖泊中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，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[19]。需要指出的是，受湖泊水動力影響，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)域和水動力較強的過水湖，超細組分缺乏穩(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，但前提是超細組分的沉降背景值恒定且沉積環(huán)境穩(wěn)定。

表2 15個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，屬細砂組分，C2+C3含量達80.1%～96.7%，占湖泊沉積物無機顆粒的絕大部分。有研究表明該組分主要反映湖盆流域內(nèi)水動力強弱[19]。當降水充沛、強度較大時，地表徑流和河流搬運能力增強，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，進入湖泊水體的顆粒物隨著越向湖心水動力越弱，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受流域降水和湖泊水動力兩者的影響。

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個湖泊的主成分擬合中值粒徑較細，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的決定性因素。這15個湖泊中，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湖盆的風(fēng)化顆?？傮w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的能量，可以攜帶粗粒物質(zhì)進入湖盆，另外，發(fā)源于點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年對這兩個湖泊進行考察采樣時，西南地區(qū)正經(jīng)歷一次嚴重干旱事件[29]，湖泊面積急劇收縮，浴仙湖更是接近干涸。有研究認為干旱時期湖泊收縮，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)干旱時期，小型湖泊劇烈收縮甚至干涸，入湖水流大量減少，攜帶進入湖泊的顆粒少而且偏細，同時，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，湖水動力減弱，向湖心輸送的顆粒物同樣偏細。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，一般認為湖泊收縮導(dǎo)致粒度變粗，而粒度變細對應(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，含量達到62.1%，并顯示出與其他14個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重要方面[17,32]。大量粗粒泥沙通過這種方式進入杞麓湖，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的搬運動力，將地表徑流輸入到湖盆的粗粒物質(zhì)運至湖心并沉淀。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：表層湖水向北運動，下層湖水向南進行補償。據(jù)野外觀測，撫仙湖湖流循環(huán)深度可達20 m以上，滇池、星云湖、洱海[34]可影響到湖底，強烈的湖流運動為C4和C5組分的懸移或者躍移搬運提供了可能。

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度相關(guān)。

4.4 兩個過程

研究表明，湖泊流域內(nèi)的風(fēng)化碎屑物進入湖盆并到達湖心位置沉淀下來需要如下兩個過程，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。第一個過程主要受流域內(nèi)降水和地表徑流控制[23]，同時地形，植被覆蓋情況以及人類活動也會對碎屑物的輸入產(chǎn)生影響[13,35]；第二個過程主要由湖泊大小，水深以及水動力強弱決定[36]。研究認為在年際和十年尺度上，降水增多會導(dǎo)致沉積物中粒度整體偏粗，而在百年甚至更長時間尺度上降水增多則會導(dǎo)致粒徑偏細[28]。其原因在于百年以上時間尺度上的降水增加，勢必會導(dǎo)致湖泊面積和水深的增大(同時受出水口高程控制)，湖心到湖岸距離增大，從而弱化第二個過程，導(dǎo)致傳輸?shù)胶牡念w粒偏細。從這個意義上講，在地質(zhì)歷史時期，兩個過程是相互影響的。但就本文研究的湖泊表層沉積物粒度特征而言，兩個過程是相對獨立的。第一個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，這兩個過程有時會合并為一個過程：當降水強度較大時，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，第一個過程一般只能將粗顆粒輸入到湖濱，其后在湖水動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慎態(tài)度，同時，需要其它指標的支持與佐證，這樣才能建立一個合理而可靠的環(huán)境指標。

5 結(jié)論

通過對云南高原15個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粉塵和氣溶膠，通過自然沉降和降水進入湖泊水體，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，該組分擬合粒徑反映流域內(nèi)降水和水動力大??；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，尤其是粗顆粒進入湖心需兩個過程：從流域地表進入湖濱的輸入過程和從湖濱到達湖心的傳輸過程。對于滇池、洱海等大型湖泊而言，第二個過程決定其湖心沉積物中粗粒物質(zhì)含量，而該過程的強弱與湖流、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，降水量的大幅減少使得地表徑流攜帶進入湖泊的顆粒物具有偏細的特征，大氣環(huán)流偏弱加上水生植物覆蓋面積比例增大，湖水動力減弱，由湖濱向湖心傳輸?shù)奈镔|(zhì)以細粒碎屑為主，例如浴仙湖。因此在利用湖相沉積物重建區(qū)域古環(huán)境時須仔細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)與全球變化實驗室的王熊飛、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驗室工作，在此一并致謝！

References)

[1] Wu Duo, Zhou Aifeng, Liu Jianbo, et al. Changing intensity of human activity over the last 2,000 years recorded by the magnetic characteristics of sediments from Xingyun Lake, Yunnan, China[J]. Journal of Paleolimnology, 2015, 53(1): 47-60.

[2] Liu Guimin, Liu Zhengwen, Gu Binhe, et al. How important are trophic state, macrophyte and fish population effects on cladoceran community? A study in Lake Erhai[J]. Hydrobiologia, 2014, 736(1): 189-204.

[3] Zhang Wenxiang, Ming Qingzhong, Shi Zhengtao, et al. Lake sediment records on climate change and human activities in the Xingyun Lake catchment, SW China[J]. PLoS One, 2014, 9(7): e102167.

[4] 鄭茜，張虎才，明慶忠，等. 瀘沽湖記錄的西南季風(fēng)區(qū)15000a B.P.以來植被與氣候變化[J]. 第四紀研究，2014，34(6)：1314-1326. [Zheng Qian, Zhang Hucai, Ming Qingzhong, et al. Vegetational and environmental changes since 15ka B.P. Recorded by Lake Lugu in the southwest monsoon domain region[J]. Quaternary Sciences, 2014, 34(6): 1314-1326.]

[5] 張振克，吳瑞金，沈吉，等. 近1800年來云南洱海流域氣候變化與人類活動的湖泊沉積記錄[J]. 湖泊科學(xué)，2000，12(4)：297-303. [Zhang Zhenke, Wu Ruijin, Shen Ji, et al. Lacustrine records of climatic change and human activities in the catchment of Erhai Lake, Yunnan province since the past 1800 years[J]. Journal of Lake Sciences, 2000, 12(4): 297-303.]

[6] Ashley G M. Interpretation of polymodal sediments[J]. The Journal of Geology, 1978, 86(4): 411-421.

[7] Rea D K. The paleoclimatic record provided by eolian deposition in the deep sea: the geologic history of wind[J]. Reviews of Geophysics, 1994, 32(2): 159-195.

[8] 陳榮彥，宋學(xué)良，張世濤，等. 滇池700年來氣候變化與人類活動的湖泊環(huán)境響應(yīng)研究[J]. 鹽湖研究，2008，16(2)：7-12. [Chen Rongyan, Song Xueliang, Zhang Shitao, et al. Dianchi Lake sediment records of climate changes and humane activities in the past 700 years[J]. Journal of Salt Lake Research, 2008, 16(2): 7-12.]

[9] 周靜，王蘇民，呂靜. 洱海地區(qū)一萬多年以來氣候環(huán)境演化的湖泊沉積記錄[J]. 湖泊科學(xué)，2003，15(2)：104-111. [Zhou Jing, Wang Sumin, Lü Jing. Climatic and environmental changes from the sediment record of Erhai Lake over the past 10000 years[J]. Journal of Lake Sciences, 2003, 15(2): 104-111.]

[10] 王小雷，楊浩，趙其國，等. 云南撫仙湖近現(xiàn)代環(huán)境變化的沉積物粒度記錄[J]. 沉積學(xué)報，2010，28(4)：776-782. [Wang Xiaolei, Yang Hao, Zhao Qiguo, et al. Recent environmental change inferred from grain-size records in Fuxian Lake, Yunnan province[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2010, 28(4): 776-782.]

[11] 陳敬安，萬國江，黃榮貴. 云南程海沉積物粒度研究[J]. 環(huán)境科學(xué)進展，1999，7(4)：76-82. [Chen Jing’an, Wan Guojiang, Huang Ronggui. Study of sediment particle sizes in Lake Chenghai, Yunnan province[J]. Advances in Environmental Science, 1999, 7(4): 76-82.]

[12] 姚遠，張恩樓，沈吉，等. 云南屬都湖沉積物金屬元素地球化學(xué)[J]. 湖泊科學(xué)，2008，20(4)：486-491. [Yao Yuan, Zhang Enlou, Shen Ji, et al. Metals geochemistry of the sediments of Lake Shudu, Yunnan province[J]. Journal of Lake Sciences, 2008, 20(4): 486-491.]

[13] 楊建強，崔之久，易朝露，等. 云南點蒼山全新世以來的冰川湖泊沉積[J]. 地理學(xué)報，2004，59(4)：525-533. [Yang Jianqiang, Cui Zhijiu, Yi Chaolu, et al. Glacial lacustrine sediment’s response to climate change since Holocene in Diancang Mountain[J]. Acta Geographica Sinica, 2004, 59(4): 525-533.]

[14] 劉亞生，常鳳琴，張虎才，等. 云南騰沖青海湖泊沉積物物化參數(shù)的特點、環(huán)境意義及末次冰消期以來氣候環(huán)境變化[J]. 第四紀研究，2015，35(4)：922-933. [Liu Yasheng, Chang Fengqin, Zhang Hucai, et al. Environmental significance of physicochemical parameters of sediment and climate changes since the Late Glacial at Qinghai Lake of Tengchong county, Yunnan province[J]. Quaternary Sciences, 2015, 35(4): 922-933.]

[15] 王蘇民，竇鴻身. 中國湖泊志[M]. 北京：科學(xué)出版社，1998：368-389. [Wang Sumin, Dou Hongshen. Chinese lakes[M]. Beijing: Science Press, 1998: 368-389.]

[16] 陳思思，張虎才，常鳳琴，等. 異龍湖湖泊沉積對流域人類活動的響應(yīng)[J]. 山地學(xué)報，2016，34(3)：274-281.[Chen Sisi, Zhang Hucai, Chang Fengqin, et al. Human activities indicated by the sediments at the Yilong Lake[J]. Mountain Research, 2016,34(3):274-281.]

[17] 吳小君，吳鵬海，劉紫涵，等. 利用時序Landat數(shù)據(jù)的杞麓湖面積年變化時空分析[J]. 遙感信息，2016，31(4)：89-94.[Wu Xiaojun, Wu Penghai, Liu Zihan, et al. A spatio-temporal analysis of water body area annual changes in Qilu Lake based on time series Landset data[J]. Remote Sensing Information, 2016,31(4):89-94.]

[18] Bagnold R A, Barndorff-Nielsen O. The pattern of natural size distributions[J]. Sedimentology, 1980, 27(2): 199-207.

[19] 肖舜，陳發(fā)虎，強明瑞，等. 青海蘇干湖表層沉積物粒度分布模式與大氣粉塵記錄[J]. 地理學(xué)報，2007，62(11)：1153-1164. [Xiao Shun, Chen Fahu, Qiang Mingrui, et al. Distribution pattern of grain size in surface sediments from Sugan Lake and its potential in recording aeolian dust in arid China[J]. Acta Geographica Sinica, 2007, 62(11): 1153-1164.]

[20] 殷志強，秦小光，吳金水，等. 湖泊沉積物粒度多組分特征及其成因機制研究[J]. 第四紀研究，2008，28(2)：345-353. [Yin Zhiqiang, Qin Xiaoguang, Wu Jinshui, et al. Multimodal grain-size distribution characteristics and formation mechanism of lake sediments[J]. Quaternary Sciences, 2008, 28(2): 345-353.]

[21] Qin Xiaoguang, Cai Binggui, Liu Tungsheng. Loess record of the aerodynamic environment in the east Asia monsoon area since 60,000 years before present[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2005, 110(B1): B01204.

[22] Xiao Jule, Chang Zhigang, Fan Jiawei, et al. The link between grain-size components and depositional processes in a modern clastic lake[J]. Sedimentology, 2012, 59(3): 1050-1062.

[23] 侯新花，吳艷宏，楊麗原. 全新世鏡泊湖粒度特征記錄的該地區(qū)古降水變化歷史[J]. 湖泊科學(xué)，2006，18(6)：605-614. [Hou Xinhua, Wu Yanhong, Yang Liyuan. The paleo-precipitation history recorded by the characteristics of grain-size of Lake Jingpo during Holocene[J]. Journal of Lake Sciences, 2006, 18(6): 605-614.]

[24] Chen Fahu, Qiang Mingrui, Zhou Aifeng, et al. A 2000‐year dust storm record from Lake Sugan in the dust source area of arid China[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2013, 118(5): 2149-2160.

[25] Qiang Mingrui, Liu Yingying, Jin Yanxiang, et al. Holocene record of eolian activity from Genggahai Lake, northeastern Qinghai‐Tibetan Plateau, China[J]. Geophysical Research Letters, 2014, 41(2): 589-595.

[26] Xiao Jule, Fan Jiawei, Zhou Lang, et al. A model for linking grain-size component to lake level status of a modern Clastic Lake[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2013, 69: 149-158.

[27] 梁濤，史正濤，劉志國. 昆明市街道灰塵粒度特征及其環(huán)境意義[J]. 長江流域資源與環(huán)境，2011，20(1)：122-128. [Liang Tao, Shi Zhengtao, Liu Zhiguo. Grain size characteristics of street dust in Kunming and its environmental significance[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2011, 20(1): 122-128.]

[28] 陳敬安，萬國江，張峰，等. 不同時間尺度下的湖泊沉積物環(huán)境記錄—以沉積物粒度為例[J]. 中國科學(xué)(D輯)：地球科學(xué)，2003，33(6)：563-568. [Chen Jing’an, Wan Guojiang, Zhang Feng, at al. Environmental records of lacustrine sediments in different time scales: sediment grain size as an example[J]. Science China (Seri.D): Earth Sciences, 2003, 33(6): 563-568.]

[29] 黃榮輝，劉永，王林，等. 2009年秋至2010年春我國西南地區(qū)嚴重干旱的成因分析[J]. 大氣科學(xué)，2012，36(3)：443-457. [Huang Ronghui, Liu Yong, Wang Lin, et al. Analyses of the causes of severe drought occurring in Southwest China from the fall of 2009 to the spring of 2010[J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2012, 36(3): 443-457.]

[30] 類延斌，張成君，尚華明，等. 青藏高原東北部希門錯湖巖心粒度特征及其環(huán)境意義[J]. 海洋地質(zhì)與第四紀地質(zhì)，2006，26(3)：31-38. [Lei Yanbin, Zhang Chengjun, Shang Huaming, et al. The grain size characteristics of Ximencuo Lake core in the Northeast Tibet Plateau and its environmental significance[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2006, 26(3): 31-38.]

[31] 明慶忠，蘇懷，史正濤，等. 云南小中甸盆地湖相沉積記錄的最近5次Heinrich事件[J]. 地理學(xué)報，2011，66(1)：123-130. [Ming Qingzhong, Su Huai, Shi Zhengtao, et al. Last five Heinrich events revealed by lacustrine sediments from Xiaozhongdian Basin in Yunnan province[J]. Acta Geographica Sinica, 2011, 66(1): 123-130.]

[32] 劉陽，吳鋼，高正文. 云南省撫仙湖和杞麓湖流域土地利用變化對水質(zhì)的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2008，27(3)：447-753. [Liu Yang, Wu Gang, Gao Zhengwen. Impacts of land-use change in Fuxian and Qilu basins of Yunnan province on lake water quality[J]. Chinese Journal of Ecology, 2008, 27(3): 447-753.]

[33] 張宗祜. 川滇南北構(gòu)造帶中段晚新生代地質(zhì)研究[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，1994：3-8. [Zhang Zonghu. Late Cenozoic geology in middle segment of Sichuan-Yunnan South-North tectonic belt[M]. Beijing: China Petroleum Press, 1994: 3-8.]

[34] 李原，李任偉，尚榆民，等. 云南洱海的環(huán)境沉積學(xué)研究——表層沉積物的粒度分布、水流方向和能量[J]. 沉積學(xué)報，1999，17(增刊1)：769-774. [Li Yuan, Li Renwei, Shang Yumin, et al. The environment sedimentological study on Erhai Lake, Yunnan Province——Sediments particle size distribution, flow direction and energy distribution[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 1999, 17(Suppl.1): 769-774.]

[35] 魏強，漢景泰，李東. 32ka B.P.以來東北二龍灣瑪珥湖沉積序列的粒度特征及其古環(huán)境意義[J]. 第四紀研究，2008，28(5)：957-958. [Wei Qiang, Han Jingtai, Li Dong. Grain size distribution patterns and paleoenvironmental implications of the sedimentary sequence in the Erlongwan maar lade, North East China for the last 32 ka[J]. Quaternary Sciences, 2008, 28(5): 957-958.]

[36] 陳碧珊，潘安定，張元芳. 柴達木盆地尕海湖沉積物粒度特征及其古氣候意義[J]. 海洋地質(zhì)與第四紀地質(zhì)，2010，30(2)：111-119. [Chen Bishan, Pan Anding, Zhang Yuanfang. Grain-size characteristics and their environmental significance of Gahai Lake sediments in Qaidam Basin[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2010, 30(2): 111-119.]

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)軍人才計劃(2015HA024)，云南省高端人才引進項目(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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