2019, Vol.40
沉积物粒度是沉积学研究中非常重要的指标之一[1]，沉积物的粒度具有实验室分析过程简单、对气候的变化较为敏感、指示意义明确等特点，在古环境重建研究中广为应用[2~4]。在河流沉积物的研究中，通过分析沉积物的粒度来反映沉积物的物质来源、搬运机制以及沉积环境等信息，已经逐渐成为环境变化研究的重要手段之一[5]。例如，刘静玲等[6]通过对滦河流域表层沉积物粒度指标的研究，展示了滦河沉积物粒度的空间分布规律并提出了管理建议，对于揭示水库的修建对河流污染物沉积和分布的影响具有重要意义；王勇等[7]研究西辽河平原西部响水河两岸的河岸沙丘沉积物粒度特征，探究了河岸沙丘粒度分布规律。对于湖泊而言，湖泊沉积物粒径空间分布也具有一定的规律，不同湖泊盆地构造以及流域水文过程的差异导致湖泊沉积物粒度的指示意义有所不同。蒲佳等[8]通过对新疆博斯腾湖表层沉积物的粒度组成、粒度参数、粒度频率曲线等粒度特征进行分析，解释了博斯腾湖表层沉积物粒度空间分布特征及其影响因素；叶远达等[9]以云南程海表层岩芯为研究对象，分析了沉积物粒度和碳酸盐含量与水深的空间相关性，并结合过去半个世纪的湖泊水位记录探讨了粒度与水深的时间相关性。此外，粒度的研究也可以应用到河口区、冲积扇等的特征分析中，如付超等[10]通过对岱海湖园子沟-半滩子地区的粗砾冲积扇剖面进行现场粒度筛析、剖面描述和沉积特征研究，描述了冲积扇不同层位的颗粒大小和排列方式并建立了相应的沉积序列。
本文选择祁连山地区的4条内流河——石羊河、石油河、丰乐河与布哈河以研究其流域表层和终端湖剖面沉积物粒度特征，分析不同海拔的环境差异和全新世以来的沉积环境特征。祁连山地区周围分布着石羊河、疏勒河、黑河等典型的内流河，这些内流河流域以及其终端湖的剖面沉积物的研究被广泛用来进行古气候和古环境重建[11]，如隆浩等[12]对石羊河古终端湖猪野泽进行沉积物粒度等指标的综合分析，重建了季风边缘区9~3 cal.ka B.P.的古气候演化序列；袁杰等[13]通过对环青海湖区表层沉积物进行粒度特征分析来研究青海湖区粒度分布特征及其环境意义；胡刚等[14]研究花海风成砂粒度特征，揭示了风成砂的特征并初步分析了其形成原因；Li等[15]通过对盐池古湖泊沉积物进行粒度等指标的分析，重现了盐池古湖泊的演化过程并证实了夏季风北部边界摆动的事实。用表层沉积物特征或剖面沉积物的特征来反映环境变化的研究较多，但将终端湖全新世剖面沉积物与流域土壤表层沉积物的粒度特征相结合，分析全新世以来的环境变化还略显不足。本文选取祁连山地区石羊河、石油河、丰乐河以及布哈河4个内流河流域，研究其表层沉积物粒度随海拔变化的特征，分析4条内流河流域不同海拔的沉积环境并定性描述其影响因素。同时分析对应的终端湖——青土湖、花海、盐池、青海湖的全新世剖面沉积物粒度特征，将其与表层沉积物粒度特征及其指示意义进行对比，探讨祁连山地区4条典型内流河流域全新世以来的环境变化情况并分析该地区全新世以来影响因素的变化。
1 研究区概况祁连山脉位于青海省东北部与甘肃省西部交界地带，青藏高原的东北边缘地区(35°50′~39°19′N，94°10′~103°04′E)，东西长约800 km，南北宽200~400 km，海拔4000 m以上，众多的高山都发育着冰川。石羊河、疏勒河、黑河、布哈河为祁连山地区内的4条内流河(图 1)，其中，对于疏勒河与黑河两流域，本文主要研究二者支流——石油河与丰乐河。
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图 1 采样点及引用剖面点位置 Fig. 1 Locations of samples and referenced sections |
石羊河位于甘肃省河西走廊东端，与黑河、疏勒河并称为河西走廊3大内陆河。石羊河发源于祁连山脉东段冷龙岭北侧的大雪山，地势南高北低，自西向东北倾斜。流域上游的祁连山山前广泛覆盖着第四纪风成沉积物，这些沉积物主要来自于亚洲冬季风和西风输送的亚洲尘埃[16]。中游冲积平原由第四纪松散湖泊冲积物形成，厚度可达300 m[17]。流域的末端为裂谷盆地，属于祁连山山麓断陷盆地。第四纪以来，沉积物随河流不断汇入流域末端盆地，最终形成猪野泽古湖泊[17~19]，即现在的青土湖。流域下游是我国典型的干旱地区，包括沙丘、沙漠草原、草原和广泛分布在地质构造环境中的灌丛林地环境[20]。研究区气候主要受西风控制；亚洲尘埃输送也主要受西风影响，同时受亚洲夏季风的影响[21~23]。石羊河全长约250 km，流域面积约4.16 km2，属大陆性干旱气候，太阳辐射强、日照充足、昼夜温差大、降水少、蒸发强烈、空气干燥，且流域内旱灾多发，平均每年造成经济损失超5460万元[24]。
疏勒河位于甘肃省河西走廊西部，发源于祁连山深处的托来南山与疏勒南山之间的沙果林那穆吉木岭，干流流域面积约4.13 km2，海拔1100~2010 m，年蒸发量可达3000 mm以上，属于大陆荒漠干旱型气候。流域上游为祁连山-阿尔金山，上游海拔4500 m以上终年积雪，发育现代冰川，是流域的水源涵养区和径流的产流区，中下游为走廊平原[25~26]。疏勒河山间谷地较开阔，河谷较宽。疏勒河流域下游东部为花海盆地，地处季风-西风过渡带，地势低平，降水较少，多风沙天气，下游的湖泊剖面兼有风水两相沉积[25]。疏勒河流域干旱严重，生态环境脆弱，强烈的风沙活动和下游农业灌溉等人类活动的不断发展已经导致了植被衰败、土地退化、沙漠化等环境问题[14, 27]。
作为中国西北地区第二大内陆河，黑河是西北地区灌溉农业大规模开发最早的流域，也是中亚内陆干旱区形成演化和西部水土资源开发利用具有良好代表性的流域[17~18]。黑河发源于祁连山北麓中段，全长约810 km，流域面积约14.29 km2，黑河下游水量丰沛，形成了众多的湖泊。由于地势平坦开阔，河流落差小，水流缓弱，黑河流域的中上游主要由山地、梯状高平原和低山丘陵等构成的准平原以及由冲积洪积和风积等作用形成的平原这3种地貌形态组成。而下游主要是由冲洪积平原、冲湖积平原、湖积平原、洪积倾斜平原等组成的堆积地貌以及由固定半固定、垄状、波状及复合式沙丘以及其他风蚀地貌组成的风成地貌，其中堆积地貌和风成地貌是主要地貌类型，黑河流域全新世沉积物成因较为复杂，且零星分布，主要包括洪积相，湖积相和风积相三大类，但厚度均不大[28~30]。
布哈河位于祁连山南坡，发源于疏勒南山的岗格尔雪合力冰峰，流向大致呈西北-东南方向，干流全长300 km，流域面积约1.6 km2，流域内平均年降水量约350 mm。布哈河是青海湖主要补给水源，布哈河多年平均径流量为7.85×108 m3，约占入湖总径流量的67 % [31~32]，青海湖的沉积物也主要来源于布哈河的输送和补给。布哈河口是湖区内规模最大的三角洲，该地区水动力条件复杂，影响因素众多，沉积相分布模式为河流-三角洲相渐变为湖滨浅水相[33]。
2 研究方法 2.1 样品采集样品采集自4条内流河流域的表土以及地下30 cm的沉积物。所有采样点均位于河岸一级阶地以内靠近河流的位置，距离河流1 km以内；表土采样时去除表面1~2 cm的表层土。石羊河流域共采集样品46×2个(每个采样点均采集表土和地下30 cm的沉积物共两套样品，所以实际采样数为采样点数量的两倍)，疏勒河支流石油河共采集样品20×2个，黑河支流丰乐河共采集样品28×2个，布哈河流域共采集样品35×2个(表 1)。
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表 1 采样点及剖面位置 Table 1 Description and source of the samples |
剖面粒度数据来源于前人研究，选择4条河流的终端湖剖面，它们分别是青土湖(QTH01)[34~35]、青海湖(QH-2000)[36~37]、花海(HH)[14, 38~41]、盐池(YC)[15, 23]的全新世剖面数据，岩性见图 2，并附有4个剖面的各自年龄数据；表土采样点及剖面位置如图 1和表 1。
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图 2 QTH01、YC、HH剖面和QH-2000钻孔岩性及年代示意图(剖面旁的数字为年龄) Fig. 2 Schematic diagram of lithology and chronology of the QTH01, YC, HH sedimentary sections and the core QH-2000 |
所有样品均需要自然风干，挑出石块和较大的草根。每个样品称取约0.5 g放入烧杯中，在样品中加入10 ml浓度为30 %过氧化氢煮至无明显泡沫(4~5 h，除去有机质)，中间需不断观察烧杯，烧杯中水烧干前加入蒸馏水。之后再加入10 ml 10 %的盐酸煮约5 min(除去碳酸盐)，再加蒸馏水至满，静置12 h，倒掉上层清液后加入10 ml六偏磷酸钠((NaPO3)6)溶液(0.05 mol/L)作为分散剂，在超声波振荡器上震荡7~8 min以供测量。测量仪器为Malvern公司生产的Mastersizer2000激光粒度分析仪，仪器测量范围为0.02~2000 μm，重复误差小于3 % [2, 5, 7~8, 35, 42~43]。所有样品处理与测量均在兰州大学西部环境教育部重点实验室进行。
2.2.2 研究指标本文使用的描述沉积物的粒度参数有平均粒径、中值粒径等。其中，平均粒径即粒度的平均值，它用来描述粒度分布的集中趋势，代表搬运营力的平均动能[44]，中值粒径d50为粒度频率累积曲线上频率为50 %时的粒径大小，大致反映了粒度组成的平均状况[43]，中值粒径与平均粒径均可以用来反映沉积物平均粒度[45]。除此之外，还用粒径频率曲线分析粒径分布情况和沉积物特征。
3 结果与分析 3.1 表层沉积物粒度特征分析 3.1.1 表层沉积物粒度随海拔变化特征每条河流均选用河流沉积物的中值粒径与平均粒径来分析河流沉积物的粒度特征，进而分析河流的搬运营力的强弱。粒度随海拔变化分析表明，4条内流河表土粒度与地下30 cm粒度变化情况一致，平均粒径与中值粒径变化趋势也相同。
石羊河(图 3a)在海拔1445 m以上粒径较小，表土平均粒径变化范围在16.377~56.217 μm之间，中值粒径变化范围在11.159~33.704 μm之间，沉积物以粉砂为主，变化趋势较平稳；地下30 cm平均粒径变化范围在16.625~80.343 μm之间，中值粒径变化范围在10.141~41.109 μm之间。粒径随海拔降低而减小。在海拔1445 m以下平均粒径与中值粒径均增大，且有较大波动，表土平均粒度变化范围在20.278~219.489 μm之间，中值粒径变化范围在8.742~188.991 μm之间，地下30 cm的平均粒径变化范围在37.535~338.539 μm之间，中值粒径变化范围在14.804~314.614 μm之间，沉积物粒径明显变大。
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图 3 表土及地下30 cm平均粒径与中值粒径随海拔变化图 (a)石羊河(Shiyang River)；(b)石油河(Shiyou River)；(c)丰乐河(Fengle River)；(d)布哈河(Buha River) Fig. 3 Mean and median grain size changes of surface and underground 30 cm soils with elevation |
石油河(图 3b)表土平均粒径和中值粒径随海拔的变化较为明显。其中石油河表土平均粒径变化范围在37.309~244.161 μm之间，中值粒径在18.182~177.05 μm之间，变化区间较大，粒径较石羊河偏大。石油河地下30 cm沉积物平均粒径在39.355~387.642 μm之间，中值粒径在19.099~275.147 μm之间。石油河粒径在海拔约1750 m以上变化幅度较小但粒径较大，在海拔1750 m以下粒径由小变大。
丰乐河(图 3c)表土沉积物在海拔1750 m以上平均粒径变化范围在25.014~112.792 μm之间，中值粒径变化范围在13.53~43.007 μm之间，以粉砂为主，变化幅度小且粒径较小；在海拔1750 m以下平均粒径变化范围在28.915~316.246 μm之间，中值粒径在5.12~296.417 μm之间，变化范围大，粒径较大。表土与地下30 cm在海拔1750 m以上粒径有减小趋势，在海拔1750 m以下波动较大。
布哈河(图 3d)表土平均粒径在32.251~228.277 μm之间，中值粒径在19.625~206.25 μm之间，地下30 cm平均粒径在23.764~349.351 μm之间，中值粒径在15.316~332.324 μm之间。布哈河表土与地下30 cm的平均粒径和中值粒径随海拔降低均呈现减小的现象，地下30 cm相较表土波动幅度更小，但在海拔3200 m左右(河口处)均存在一个平均粒径和中值粒径突然增大的情况。
4条河流粒度随海拔的变化均可以分为2个阶段，即在高海拔的中上游地区是沉积物以粉砂为主、粒度波动较小的阶段，在下游或者中下游的低海拔地区是粒度波动变大、且粒度增大的阶段。
3.1.2 粒径频率分布曲线由图 3发现每条河流流域内粒径随海拔变化较大，每条河均存在两个差别较大的部分，因此将每条河流Ⅰ、Ⅱ区域分开讨论，分别分析其沉积物粒度特征及差别。观察发现河流Ⅰ、Ⅱ区域影响因素有较大差别，分开讨论也可以降低物源对于粒径分析的影响。
沉积物的频率曲线特征是判断沉积作用形式的重要手段，频率分布图可直观地显示样品中各粒级的相对含量及其对总样的贡献，反映了粒度分布的集中趋势，是反映搬运介质动力大小和特征的直接标志[1, 13, 45~46]，频率曲线的峰态(KG)变化常反映了沉积作用形式的变化[46~50]，在单一搬运介质和动力的条件下，粒度频率分布曲线呈单一组分的单峰模式，但是在自然条件下沉积物大多受多种搬运方式和动力类型的控制，呈现多组分、多模态粒度分布特征，在粒度频率曲线上表现为多峰光滑曲线[51]。
从整体来看，4条河流Ⅰ区域和Ⅱ区域粒径频率曲线的特征存在明显差别，表明河流Ⅰ区域和Ⅱ区域沉积物主要影响因素不同：
石羊河(图 4a)Ⅰ区域(海拔1445 m以上)表土与地下30 cm沉积物粒度频率曲线均呈现双峰特征，粒径分布范围较宽，粒径主要分布在20~63 μm区间之内，以粉砂为主，具有典型的河流沉积的特征[2, 45, 50]。表土粒度与地下30 cm相比粒度偏小。石羊河Ⅱ区域(海拔1445 m以下)表土粒度呈现多峰态特征，粒度分布最多的区间大约在63~250 μm之间，以大颗粒的砂组分为主，主峰较窄。与之相比，石羊河Ⅱ区域地下30 cm粒径主要分布在＞63 μm的区间，且具有较为明显的单峰特征，主峰较窄，沉积物以砂为主。
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图 4
石羊河、石油河、丰乐河、布哈河流域不同区域沉积物粒径频率分布图
(a)石羊河流域；(b)石油河流域；(c)丰乐河流域；(d)布哈河流域 Ⅰ、Ⅱ分别对应图 3中的Ⅰ、Ⅱ区域 Fig. 4 Frequency distribution of sediment grain sizes in Shiyang River, Shiyou River, Fengle River and Buha River. (a)Shiyang River basin; (b)Shiyou River basin; (c)Fengle River basin; (d)Buha River Basin. Ⅰ and Ⅱ respectively correspond to the Ⅰ and Ⅱ regions in Fig. 3 |
石油河(图 4b)Ⅰ区域(海拔1750 m以上)表土粒度同样具有明显的双峰特征，第一个峰粒径在0.4~1.2 μm之间，为粘土成分，第二主峰沉积物粒径主要分布在40~100 μm区间内，以粉砂和砂组分为主，粒径较大。地下30 cm沉积物粒度比表土整体偏小，呈现多峰态特征，同样第一个峰粒径与表土相同，第二主峰粒径主要分布在10~70 μm之间，以粉砂为主。石油河Ⅱ区域(海拔1750 m以下)表土粒径频率曲线单峰特征较为明显，主峰粒径在63~250 μm之间，百分含量约占75 %，沉积物主要由砂组分组成，主峰较窄且有较好对称性。地下30 cm沉积物则呈现双峰特征，第一主峰粒径在10~15 μm之间，第二主峰粒径在63~250 μm之间，仍然以大颗粒的砂组分为主，63~250 μm的沉积物组分占比达到52 %左右。
丰乐河(图 4c)Ⅰ区域(海拔1750 m以上)表土粒度与地下30 cm沉积物粒度均呈现多峰态特征，且粒径分布范围较广，粒径在0.6~300 μm之间均有较大比重，其中最高峰粒径在10~63 μm之间，主要为粉砂组分。丰乐河Ⅱ区域(海拔1750 m以下)表土粒径呈现多峰态特征，但粒径有80 %以上分布在100 μm以上的粒径范围内，砂含量占绝对优势。地下30 cm粒径略小于表土，但仍然是砂含量为主。
布哈河(图 4d)Ⅰ区域表土粒度频率曲线显示多峰态特征，粒径以10~63 μm区间为主，百分含量达到60 %以上，粉砂为主要成分。地下30 cm也呈现较为明显的多峰特征，粒径分布范围较大，以粉砂为主。布哈河Ⅱ区域(河口区)表土与地下30 cm粒度频率曲线均呈现明显的单峰特征，且粒径主要以＞63 μm为主，主峰对称性较好。
比较4条河流域的沉积物粒度特征，河流Ⅰ区域沉积物主要以粉砂组分为主，峰态以双峰和多峰特征为主，粒径分布范围较宽；河流Ⅱ区域则以砂组分为主，沉积物粒径偏大且以单峰特征为主。
3.2 终端湖剖面粒度特征 3.2.1 剖面粒度特征分析对终端湖4个全新世沉积剖面的中值粒径、粘土含量、粉砂含量和砂含量等进行整体的分析，进而由其粒径变化来对比分析全新世以来各湖泊区域的环境变化情况。其中，QYH01、YC剖面的数据来自于本研究团队[15, 23, 34~35]的成果，QH-2000钻孔以及HH剖面数据来自于刘兴起等[36~37]、胡刚等[14]以及李卓仑等[38~40]和王乃昂等[41]的研究成果。利用4个剖面的中值粒径、平均粒径、粒度组分等粒度特征数据绘制成图(图 5)，分析4个剖面的粒径特征，结果如下：
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图 5 QTH01剖面、YC剖面、QH-2000钻孔和HH剖面中值粒径、平均粒径、粘土(＜4 μm)含量、粉砂(4~63 μm)含量、砂(＞63 μm)含量随深度变化曲线图 (a)QTH01剖面(QTH01section)；(b)YC剖面(YC section)；(c)QH-2000钻孔(QH-2000 borehole)；(d)HH剖面(HH section) Fig. 5 QTH01, YC, HH sedimentary sections and the borehole QH-2000 median grain size, average grain size, clay(< 4 μm)content, silt(4~63 μm)content, sand(> 63 μm)content with depth |
李育等[34]和Li等[35]的QTH01剖面位于石羊河终端湖猪野泽中部，海拔1309 m，剖面深度约为6.92 m。QTH01剖面(图 5a)在深度500~600 cm之间，沉积物中值粒径、平均粒径均随深度减少而呈现减小的趋势，粘土(＜4 μm)含量和粉砂(4~63 μm)含量呈现上升趋势，砂(＞63 μm)含量有下降趋势，粒度特征表明沉积物粒径随时间有变小的趋势，细颗粒物质增多。在445~500 cm之间出现一次粒径增大的现象，并且粒径波动幅度较小，中值粒径达到105~146 μm，平均粒径101~155 μm，此时期对应的粘土和粉砂含量较少，砂含量为主，占比达到80 %以上，也印证了这段时间内沉积物粒径较大。在170~445 cm之间中值粒径与平均粒径均较小，且波动相对较小，中值粒径变化范围在0.4~119 μm之间，平均粒径变化范围在7~127 μm之间，从粒度组分来看，粘土含量较少，在219 cm左右粘土含量出现增加又减少的特征，粉砂和砂的含量较多，波动较大，在接近200 cm时粉砂含量增加，砂含量减少。深度小于170 cm沉积物中值粒径、平均粒径均呈现先减小后增加的趋势，波动幅度略有不同，粘土含量变化较为平稳，粉砂含量呈现先增加后减少的趋势，砂含量变化趋势则与之相反。
YC剖面(图 5b)位于黑河中游冲积平原内盐池的湖盆中部，Li等[15, 23]的研究剖面海拔1200 m，剖面深度4.15 m。分析YC剖面沉积物的粒度特征发现，在深度大于270 cm时，剖面沉积物粒径较小，到270 cm时粒径增大，对应的粘土、粉砂含量减小，砂含量增加。深度在145~270 cm时，中值粒径、平均粒径均有逐渐减小的趋势，只是波动幅度不同，粘土含量有所上升，粉砂含量下降。在70~145 cm之间，中值粒径、平均粒径较大，粉砂含量有波动但趋势稳定，粘土含量减少，砂含量增加。在深度30~70 cm时粒径较小且较为稳定，粘土和粉砂含量较高，砂含量特别小。深度小于30 cm平均粒径与中值粒径均大幅度增大，粘土和粉砂含量减少，砂含量增加。
QH-2000钻孔是刘兴起等[36~37]在青海湖东南部水深22.3 m处利用奥地利产的UWITEC水上平台采得的长795 cm的完整岩芯，本文选取0~500 cm进行研究。QH-2000钻孔(图 5c)在370~500 cm深度时中值粒径呈现变大的趋势，对应的粘土含量降低，砂含量增加，粉砂含量变化相对较小，但也有减少的趋势。在150~370 cm时中值粒径呈现减小趋势，对应的粘土含量增加，砂含量减少，粉砂含量在67 %左右上下波动。小于150 cm时沉积物中值粒径呈增大趋势，在50~150 cm时，粘土含量减少，粉砂和砂呈增加趋势，在地表附近粘土含量与砂含量增加，粉砂含量减少。
HH剖面位于我国西北河西走廊花海盆地的沙漠干盐湖(疏勒河东支流的终端湖)的最低处，海拔约1195 m，选取胡刚等[14]、李卓仑等[38~40]、王乃昂等[41]的花海剖面靠近顶层的约厚8.05 m的剖面数据。HH剖面(图 5d)在600 cm以下中值粒径变化不明显，平均粒径有减小趋势，对应的各粒度组分含量也波动不大，粘土含量略有增加。深度在520~600 cm之间中值粒径、平均粒径均呈现增大的趋势，对应的粘土、粉砂含量降低，砂含量增加。深度在520 cm左右沉积物粒径较大，以大于63 μm的砂组分为主，含量高达80 %以上。深度在55~520 cm之间，中值粒径、平均粒径均存在减小的趋势，对应的粘土、粉砂含量增加，砂含量减少。深度小于55 cm中值粒径、平均粒径均先增大后减小再增大，对应的粘土和粉砂含量先减少后增加再减少，砂含量与粘土、粉砂变化相反。在小于55 cm时粒径变化频率变高，大颗粒物质明显较多。
3.2.2 相同年代框架下剖面中值粒径对比QTH01、YC、HH剖面和QH-2000钻孔的中值粒径统一到相同年代框架下，分析其相同时间段内中值粒径的变化趋势，从而得出祁连山地区粒径变化趋势。由图 6观察发现，在3 cal.ka B.P.之前，剖面中值粒度变化差别较大，变化趋势相似度较小，其中QTH01剖面中值粒径变化幅度相对较大，QH-2000钻孔和HH剖面在9 cal.ka B.P.左右中值粒径经历过一次明显的先变大又变小的过程，其余时间变化相对较小，YC剖面中值粒径变化幅度较小，环境变化较小；从1 cal.ka B.P.开始到现代，剖面中值粒径均呈现变大的趋势，QH-2000钻孔和HH剖面粒径在1 cal.ka B.P.后粒径变化频率变大，1 cal.ka B.P.之后的粒径变化与之前明显不同。
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图 6 QTH01、YC、HH剖面和QH-2000钻孔中值粒径变化对比图(单位：μm) Fig. 6 Comparison of QTH01, YC, HH profiles and QH-2000 borehole median grain size changes(Unit:μm) |
沉积物粒径可以反映搬运介质的动力大小与搬运特征[52~54]。在短时间尺度的研究中，河流中游地区，粒径大小往往和水流大小成正比，沉积物粒径较粗即说明水动力较强，搬运的陆源物质较多，对应着湿润的气候[11, 33, 49]。由图 3观察发现表土和地下30 cm沉积物粒径变化几乎相同，Ⅰ区域粒径随海拔的变化也较为平缓，推测物源并未发生变化，物源对于沉积物影响的差别较小。
石羊河表层沉积物粒径(图 3a)在Ⅰ区域以粉砂为主，粒度随海拔变化较小，呈现粒径大小变化不大或不明显的减小的趋势，粒度频率曲线(图 4)呈现双峰态特征，有明显的河流沉积物的特征[2, 45, 50]。由图 3a发现，石羊河Ⅰ区域粒径随海拔变化不明显且粒径偏小，可能是因为石羊河流域干旱化情况较为严重，旱灾多发，旱灾频率呈现由上游到下游逐渐增加的趋势[24, 55]，此外，还可能与河流上游修建油田、水库等人类活动有关，人类生产活动使石羊河用水量增加[56]，河流水量变小，水库对流水的阻拦也会使河流流速变慢，但不同的人类活动也会对粒径变化产生不同的影响[33, 36, 50]。4条河流Ⅰ区域均呈现相同特征，反映沉积物粒径主要受到河流水动力条件的影响，石羊河Ⅰ区域水动力条件较强并随海拔降低而逐渐减弱。石羊河Ⅱ区域粒径较Ⅰ区域大，一般来说[57]，河流中上游比降、流速、水动力均较下游大，河流沉积物颗粒较大，河流的水力分选对沉积物的搬运和沉积作用会导致沉积物粗颗粒比例向下游逐渐减小、细颗粒比例增加[52, 58]，但石羊河与一般规律不同，这与人类活动和干旱的环境有关：石羊河Ⅱ区域靠近人类活动地区，频繁的人类活动可能会导致沉积物粒度增大；此外，由于气候干旱，下游地区水量较小接近干涸，受到河流水动力影响变小，由图 3发现其粒径明显变大并且存在较大的波动，由粒度频率曲线(图 4)看出沉积物粒径以＞63 μm(63~250 μm)为主，主峰较窄且有对称性，具有风力沉积的特点[45~46, 59]，风力的近源沉积会导致颗粒较大，沉积物主要来自于采样点周围。因此初步判断石羊河Ⅱ区域沉积物粒径受到人类活动和风力沉积共同影响，受河流影响较小。
丰乐河(图 3c)与石羊河相似，丰乐河表土及地下30 cm粒径在Ⅰ区域粒度特征指示河流水动力条件较强，并随海拔降低而逐渐减弱，沉积环境稳定。Ⅱ区域粒径变大，有较大波动，粒度频率曲线具有较为明显的风成特征，沉积物以砂为主，沉积物粒径受到风力近源沉积影响较大，此外，中下游沉积粒径变大也可能与人类活动有关。地下30 cm粒度频率曲线具有多峰特征，同时也具有风成沉积物的特征，因此推测丰乐河Ⅱ区域除受风力影响外，也受到人类活动的影响。人类活动导致黑河水土流失严重，从而导致进入河流的陆源物质增多，沉积物粒径变大[21]。丰乐河是黑河的一条支流，郑炳林等[28]在对黑河的研究中指出黑河上游地区虽然主要受自然因素影响，但人类活动效应已经逐渐明显；尤其中下游则受人类活动影响较为强烈[60]，这也印证了上述观点。
石油河(图 3b)Ⅰ区域以砂和粉砂为主，反映中上游水动力条件强，水流强度大，进入河流的陆源物质较多。石油河Ⅰ区域粒径较其他河流偏大，原因可能是石油河流域相邻采样地点河流落差较大，导致河流流速相对较大，将更多的粗颗粒物质带入河流，因此河流沉积物粒径普遍偏大，但符合河流粒径随海拔变化的一般规律[57]。石油河Ⅱ区域沉积物具有风力沉积的特征，风力近源沉积为主，但也存在较多细颗粒组分，具备河流沉积特征，反映下游河流搬运能力弱，水动力小，并且受到风力的影响，海拔越低河流水量越少，受风力影响变大，粒径逐渐变大。
布哈河(图 3d)符合一般河流粒径变化特征，上中下游河流水动力条件较强，海拔越低河流水动力条件越弱。布哈河Ⅱ区域粒径变大较为明显，与河口区的频繁的人类活动的影响有关，不合理的人类活动加剧了土地沙化和水土流失，导致粒径突增[33, 36]。此外，布哈河Ⅱ区域粒度频率曲线呈现明显的风力沉积特征，与青海湖附近强烈的风沙活动有关。河口区沉积物受青海湖区近地表风沙活动以及人类活动的影响，沉积物粒度明显增大[5]。
祁连山地区处于气候干旱的季风边缘区，河流下游水量较少，且区域内降水较少，蒸发量大，通常导致河流下游地区(对应本文提到的Ⅱ区域)河流干涸、断流，因此下游的沉积物通常受风力影响较为明显，且主要为近源沉积[11, 14, 40~41, 46]。祁连山特殊的地理位置，导致祁连山内流河流域内沉积物可能受到季风与西风的共同影响。此外，在干旱区风水交互作用也会影响流域内物质的沉积，沙漠分布以及风沙活动制约河道发育和泥沙输移，影响沉积物的沉积环境[61~62]，加上强烈的人类活动对环境的改造作用，这些因素均会导致粒度频率分布曲线呈现多峰态特征。上述流域沉积物粒度频率曲线均没有呈现完美的河流沉积或风力沉积特征，是由于受到较多因素的影响，但影响程度各不相同。
4.2 终端湖剖面粒度特征反应的全新世以来的环境变化已有的湖泊沉积学研究表明，终端湖沉积物粒径的粗细代表了水动力的强弱、湖泊输入水量的相对大小，在一定程度上可以指示流域的干湿变化[46~47]，即终端湖的剖面沉积物可以反应整个流域内的环境变化情况[17, 35, 63]。在不同的时间尺度下，沉积物的粒度指示的环境意义也不相同[3]。在长时间尺度下，低分辨率(百年、千年)的研究中，如湖泊沉积记录与古气候模拟，在气候湿润的时期，湖泊水位上升，湖面扩张导致剖面采样点与湖岸的距离变大，粗颗粒物质难以到达采样点，此时深水弱动力条件有利于细颗粒物质沉降，因而导致沉积物粒径变细；反之，气候干旱时期，湖泊处于低水位、湖面收缩，导致湖泊沉积物的粒径较粗[3, 33]。在相对较短的时间尺度下，高分辨率(年际或十年)的研究中，沉积物的粗粒指示的是气候湿润，降水量较多的时间段，反之，细粒指示的是气候干旱，降水较少的时间段[3, 33]。本研究中4个全新世沉积剖面粒度反映的均是长时间尺度上的区域环境变化。在之前的研究中，针对祁连山内流河终端湖剖面沉积物物源的研究已经较多[17, 35]，这里不再赘述。
依据上述描述，QTH01剖面(图 5a)在深度500~600 cm之间粒径由粗变细，细颗粒物质含量增加，指示由干旱逐渐变湿润的环境变化，湖泊水位上升。在445~500 cm之间粒度特征显示湖泊处于低水位的干旱时期，湖泊面积收缩甚至干涸，沉积物受水动力影响较小，从粒度组成来看有风成特征，此阶段可能受到风力影响，沉积物主要为风成沉积，且沉积环境较为稳定。在170~445 cm之间粒径小且波动小，湖泊处于一段长时间的气候相对湿润的时期，湖泊水位较高。青土湖剖面中顶层的部分(深度小于约170 cm的部分)沉积物粒径影响因素发生变化，由图 6可以发现170 cm深处对应约3 cal.ka B.P.，由岩性(图 2)来看，在约22~170 cm之间沉积物为风成沉积物，结合此处粒径变大的趋势，显示了风力影响的特征或受风水共同影响的特征，表示湖泊水量减少，湖泊收缩，气候向进一步干旱化的方向发展[62]。除此之外，3 cal.ka B.P.以来(深度小于170 cm的部分)该区域已经有人类的活动并对沉积环境产生影响。湖泊中粗颗粒物质增多往往反映了人类活动的增强[64]，人类最初的活动会导致土壤抗侵蚀能力降低，水土流失加剧，进入湖泊的粗颗粒物质增多，从而导致沉积物中粗颗粒物质含量增加[33, 36, 64]。在约22 cm以上沉积物为灰黄色或褐黄色粘土，并存在植物碎屑及昆虫等，为典型的耕作层；越靠近剖面顶部人类活动的影响越明显，耕作层的出现表示人类活动的影响已经占主要地位。自20世纪50年代以来湖泊就接近干涸，因此沉积物受湖泊与河流的影响变小。青土湖的环境呈现由河湖相沉积逐渐变为湖相沉积、浅湖相沉积，最终变成风成沉积的过程[11]，总体上呈现逐渐变干的规律，影响因素由湖泊水动力逐渐变为风力，并伴随着逐渐增强的人类活动的影响[64~67]。
QTH01剖面在深度为100 cm左右有一段砂含量明显减小，粘土和粉砂含量占主体的阶段，此阶段粒径较小，粉砂含量占主体，砂含量较小，风力影响的特征不明显，反映了湖泊经历了一段短时间的水量增加、水位较深的时期，此时期内气候变湿润，沉积物主要来自于河流搬运，使得沉积物粒径偏小[64]。考虑到此阶段岩性具有风成特征，所以此阶段虽然气候较为湿润，但受湖泊水动力和风力共同影响。这种气候相对湿润时期持续了一段时间，在深度小于50 cm时粒径变大，湖泊水量变小，河流对于湖泊沉积物的影响减小，人类活动和风力的影响开始占主要地位，尤其是人类活动的影响已经越来越明显[66]。
YC剖面粒度特征显示深度大于270 cm时气候较为湿润，在270 cm左右气候较干旱，湖泊水位低，在145~270 cm气候由干变湿，此阶段干湿变化幅度较小；在70~145 cm环境逐渐变干，变化幅度也较小；在深度30~70 cm之间，沉积物粒度较小，粘土含量高，考虑到其泥沼相岩性，推测该阶段沉积环境为泥沼相沉积环境，对应图 6可以推测在70 cm处为3 cal.ka B.P.左右，湖泊退缩，气候进一步干旱，沉积物中的矿物成分也印证了该阶段泥沼相沉积的特征[42]。由岩性(图 2)看来，深度小于30 cm(时间约为1 cal.ka B.P.以来)的沉积物为现代风成沉积物，主要受风力影响，指示干旱的环境特点。总的来说，盐池剖面在深度小于145 cm时气候就一直在变干旱。
QH-2000钻孔粒度特征显示深度在370~500 cm时气候由湿润变干燥，在150~370 cm时由干燥变湿润，深度小于150 cm时，时间上对应图 6的3 cal.ka B.P.以来，粒径开始变大，指示环境开始逐渐变干，同时其粒度变化与之前不同，各个粒径曲线变化频率变高，波动频繁，这种变化特征与近代逐渐增多的人类活动有关[36]，20世纪50年代以来，青海湖区大规模开垦草场，后因新垦田无法收获而弃耕，后来陆续的耕地面积扩大以及过度放牧等不合理的人类活动，导致土地沙化和水土流失，进而导致沉积物粒径变大[33, 36]。
HH剖面显示深度在600 cm以下气候一直较为湿润，湖泊水位较高，在520~600 cm时气候变干，湖泊水量一直在减小，到深度520 cm时湖泊可能干涸，环境干旱情况较为严重，导致沉积物主要受风力影响，呈现风成的特征。深度在55~520 cm之间时气候又逐渐转湿，小于55 cm时(约1 cal.ka B.P.以来)粒度变化较为复杂，局部有现代风沙层，夹有粉砂，约厚38 cm，沉积物受到风水交互作用影响以及洪泛堆积影响，约38 cm以上的风成砂是湖泊在接近或完全干涸情况下沉积形成，指示气候干旱程度逐渐增加[14]。此外，过于频繁的粒径变化和剖面上部风成砂组分的出现也反映了人类活动的影响[67]。
综合来说，以上剖面粒度特征均指示了逐渐变干的环境变化趋势，从约3 cal.ka B.P.开始环境干旱化逐渐加剧，这种变化主要体现在粒径和岩性的变化上，由主要受湖泊水动力条件影响逐渐变为受风水交互作用影响，最后变成主要受风力影响。4个剖面显示人类活动可能开始于3 cal.ka B.P.或1 cal.ka B.P.，因此推测在1~3 cal.ka B.P.之间人类活动对于沉积物的影响在不断加剧，人类活动对于自然环境的影响已经成为导致环境变化的一个重要的影响因素。
4.3 流域表土与剖面粒度特征对比将流域表土和剖面粒度特征结合起来分析，可以从时间角度和空间角度分别分析流域内环境的变化：从时间角度来说，剖面岩性显示了由湖相沉积逐渐变为风成沉积的过程，即均揭示了环境干旱化的趋势，图 6显示流域沉积物在3 cal.ka B.P.左右开始受到人类活动的影响并开始逐渐加剧；从空间角度来说，由图 3和图 4发现4条河下游均呈现不同程度的干旱化，下游地区人类活动的影响也较为明显，但不同的地区干旱化开始时间并不相同，青土湖、青海湖和盐池的干旱化开始较早，粒径的异常波动与人类活动有关[33, 36]，青海湖的表土粒径主要受到当地的风沙活动的影响，同时也受到人类活动的影响，花海显示在1 cal.ka B.P.左右才开始的干旱化。流域粒径时空分析结果共同显示了区域干旱化的趋势和人类活动不断加剧的过程，人类活动对于流域的影响由终端湖逐渐向中上游扩张，即影响程度和范围在不断扩大[28, 33~34, 54, 57]。结合研究区域过去3 cal.ka B.P.以来的环境变化与现在流域内的空间环境变化规律来看，4个内流区终端湖区干旱化情况可能会延续，人类活动对于环境的影响逐渐加强，影响范围也在进一步扩大，采取相应的措施来应对环境变化，并减少人类活动对于环境的改造作用，是现阶段的主要目标。
5 结论通过对祁连山地区石羊河、石油河、丰乐河以及布哈河流域表层沉积物及终端湖全新世剖面沉积物进行粒度指标的测量与分析，得到以下结论：
(1) 祁连山4条内流河流域根据粒径变化可分为Ⅰ区域和Ⅱ区域，Ⅰ区域沉积物以粉砂为主，粒度频率曲线呈现双峰特征，具有河流沉积特征，受河流水动力的影响，河流水动力较强，粒径随海拔逐渐减小指示随海拔降低水动力逐渐减弱；流域Ⅱ区域沉积物以砂为主，粒度频率曲线具有风成沉积特征，主要受风力影响，说明了干旱的环境特点，同时受人类活动影响；
(2)终端湖剖面沉积物粒度显示了全新世以来复杂的干湿变化，在约3 cal.ka B.P.之后均呈现不同程度的干旱化现象，在1~3 cal.ka B.P.之间出现人类活动的影响并逐渐加剧，未来环境干旱化情况还将延续；
(3)人类活动对于环境的影响范围逐渐扩大，影响程度不断加深，人类活动对环境的影响将继续作为研究重点。
致谢: 感谢审稿专家的宝贵修改意见和建议。
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Abstract
Four typical closed basins of Qilian Mountains, Shiyang River basin, Fengle River basin, Shiyou River basin and Buha River basin are selected as the study areas. Surface soil and 30 cm underground soil samples along both sides of the river are collected to analyze the grain size characteristics of these regions. Median grain size and average grain size of the soil samples, combined with the terminal lakes records of these basins (including median grain size, average grain size, and grain size composition) are used to analyze the characteristics of the environmental changes in these four river basins during the Holocene. The results show:(1) Soil grain size in these basins has obvious spatial differentiation along with changing altitudes, which roughly divides the basin into two parts of the upstream and downstream depending on the position of the river flowing out of the mountain. Except for the Shiyou river basin, silt component takes advantage in the upstream, and the grain size frequency curve shows the double peak characteristics of river deposition with low fluctuation. However, sand component prevails in the downstream parts, the grain size frequency curve has the characteristics of aeolian deposition with more and higher fluctuation, indicating strong influence by human activities;(2) The grain size records from terminal lakes show complex dry-wet changes during the Holocene. However, a consistent change that the mean grain size and fluctuation both increased since about 3000 years ago in these records is confirmed. The increase of grain size indicates that the terminal lake area has experienced different aridity process, and the fluctuation anomaly indicates that the deposition process may be affected by modern human activities which gradually increases between 1 cal.ka B.P. and 3 cal.ka B.P.;(3) The modern process analysis shows that the grain size of terminal lake sections in the closed basins over Qilian mountains can indicate the change of dry and wet climate in the past and identify the intensity of human activities, and the regional environment is strongly disturbed by human activities under the background of long-term drought. In the future, the process of aridity will continue, and the extent and intensity of human activities will be further enhanced.