云南高原和横断山脉地区湖泊众多，其中部分湖泊已经被证明是研究季风演化和人地关系历史的理想载体^[1-5]。在湖泊研究中，无机碎屑颗粒是湖泊沉积物中主要成分，其颗粒大小(即粒度)反映了湖泊流域水动力状况^[6]，在古气候和古环境的研究中应用广泛^[7]。前人利用粒度指标在滇池^[8]、洱海^[9]、抚仙湖^[10]、程海^[11]、星云湖^[3]、属都湖^[12]、点苍山冰川湖^[13]、腾冲青海火山口湖^[14]等开展研究，重建了几百至上万年以来的区域环境演化。然而，越来越多的研究证明，粒度参数的气候环境意义一直以来存在多解性，不同类型的湖泊中粒度指标可能存在完全相反的解释^{[11, 13]}，这就要求我们进行对比研究，以期能够对粒度参数进行分别解译，从而准确、可靠的揭示粒度的气候环境指示意义。

云南地区地形复杂，湖泊类型多样，根据地质学“将今论古”的原理，选取云南15个代表性湖泊，通过研究表层沉积物粒度特征来讨论现代沉积搬运过程及动力机制，提高粒度数据解译的可靠性和可信度，达到将粒度记录有效应用于古气候、古环境变化研究的目的。

1 研究区自然地理概况

本文所研究的15个云南高原湖泊包括位于滇西北的泸沽湖、程海、洱海、海西海、大理西湖等5个构造湖，位于滇东地区的滇池、阳宗海、抚仙湖、星云湖、杞麓湖等5个构造断陷湖以及位于滇东南的异龙湖、大屯海、长桥海、差黑海、浴仙湖等5个岩溶湖^[15](图 1)。各湖位置坐标及其他相关信息见表 1。15个湖泊跨南亚热带季雨林、亚热带常绿林和落叶与针阔混交林三个植被带，海拔分布最低不足1 300 m，最高接近2 700 m。既有中国第六大淡水湖滇池，也有接近干涸的浴仙湖(2013年采样时湖泊面积30 m²左右，2014年3月再次考察时已完全干涸)，有中国第二深水湖抚仙湖，同时也有平均水深不足1 m的差黑海和浴仙湖，有人类活动强烈干扰的湖泊，如异龙湖^[16]、杞麓湖^[17]，也有目前人类活动影响比较微弱的泸沽湖。云南高原湖泊主要受西南季风影响，全年分为明显的干湿两季，无结冰期。输入湖盆的无机碎屑主要来自流域内的风化产物，通过河流和地表径流带入。除此而外，尚有部分经过风力搬运的远源颗粒物质。

2 样品采集与研究方法 2.1 样品采集

2012—2013年间利用瑞典产HTH重力采样器，在滇池、洱海、抚仙湖等15个云南高原湖泊上提取30~50 cm长度不等的沉积物短钻，钻孔地点皆位于各湖湖心区，取短钻顶部0~0.5 cm作为湖泊现代沉积物进行粒度分析。野外对所采样品进行现场观察发现，泸沽湖等少数几个贫营养型湖泊表层沉积物呈黄棕色，以无机矿物为主，有机质含量极少；洱海、程海等中营养型湖泊表层沉积物呈棕褐色，有机质层厚度较小且含量不大；大多数湖泊，诸如滇池、星云湖等均为富营养型湖泊，表层沉积物富含有机质，呈褐色甚至黑色絮状。

2.2 粒度测试

取冻干后的样品0.5 g置于烧杯中，加足量10% H₂O₂并加热，使其完全反应以除去样品中的有机质；加足量10%稀HCl，加热使其充分反应，除去碳酸盐；注满蒸馏水，静置24 h；倒去上层清液，加10 mL 0.05 mol/L (NaPO₃)₆，用超声波震荡10 min后，用Mastersize2000型激光粒度仪进行粒度测量。每个样品重复测量两次，系统自动取平均值。

2.3 粒度组分拟合分析

已有研究结果显示，经过单一动力长距离搬运的碎屑堆积物，其频率曲线往往呈近似正态分布的单峰态^[18]，搬运动力越强，拟合中值粒径越大。湖盆作为一个开放的沉积区，主要接纳来自湖泊流域内入湖河流和地表径流输入的风化碎屑物以及更大范围内风力搬运的粉尘颗粒^[19]。输入湖盆的碎屑物在湖泊水动力作用下重新分选，大致呈现由湖滨到湖心逐渐变细的同心圆状^[20]。但实际上由于受控于湖泊面积大小和水动力强弱，粒度分布模式在各个湖泊中不尽相同^[8-14]。由于物源的多源性和搬运动力的复杂性、多变性，湖泊沉积物粒度频率曲线往往呈双峰甚至多峰分布^[19]。

利用秦小光等^[21]开发的沉积物粒度分析软件，对15个湖泊表层沉积物粒度频率曲线进行拟合，分解为若干正态分布曲线(图 2)，探讨不同组分的沉积机理和指示意义。该粒度分析软件公式如下：

式中, n是拟合的粒度组分个数，x=ln(d)，d是粒径值，单位为μm。c_i是第i组分的百分含量，c_i≥0，c₁+··+c_i=100%。σ_i是第i组分的标准差。α_i是第i组分对数粒径值的中值，单位为μm。α_i=ln(d_i)，α_i > 0。

拟合误差用下面公式计算得出：

式中，m是粒度间隔的数目，F(x_j)是拟合出的第j个粒度间隔的百分含量，G(x_j)是测量得出的第j个粒度间隔的百分含量。dF值越低，表示误差越小，拟合度越高。

3 实验分析结果

分析结果显示，滇池等15个云南高原湖泊表层沉积物粒径分布范围为0.24(泸沽湖、滇池、星云湖)~724.44 μm(洱海)，频率曲线多呈双峰或三峰分布(图 2)，主峰出现的位置在2.0(泸沽湖)~65.5 μm(杞麓湖)之间，具有2至5个不等的组分，按照由细到粗的顺序，分别命名为C1(黏土)、C2(细粉砂)、C3(粉砂)、C4(细—中砂)和C5(粗砂)。其中C1和C2出现在所有15个湖泊沉积中，中值粒径和含量范围分别为0.57~1.1 μm，2.6%~12.2%；1.5~6.4 μm，7.5%~89.8%。C3组分出现在泸沽湖等10个湖泊的表层沉积物中，中值粒径和百分含量范围分别为4.7~22.8 μm，28.4%~79.6%。C4组分出现在星云湖、程海、滇池、大屯海、大理海西海和杞麓湖等6个湖泊中，除在杞麓湖表层沉积物中的含量高达62.1%以外，在其余几个湖泊中的含量均低于7%。C5组分出现在星云湖等6个湖泊中，其中值粒径均240 μm以上，最高达到423 μm(洱海)，但含量一般较低，平均值为1.2%。从拟合数据可看出，除杞麓湖外，C2和C3是构成湖泊沉积物的主要组分，平均含量分别达到48.4%和56.3%。

就各个湖泊而言，长桥海和浴仙湖只含有两个组分(C1和C2)；泸沽湖、异龙湖、阳宗海和大理西湖等4个湖泊只含有C1、C2和C3三个组分；海西海和大屯海含有除C5以外的其余四个组分；洱海、抚仙湖和差黑海含有除C4以外的其余四个组分；滇池和程海含有除C3以外的其余四个组分；杞麓湖只含有C1、C2、C4三个组分；而星云湖则含有全部五个组分。

4 讨论

湖泊沉积物中粒度指标具有多解性的根本原因在于湖心粒度既反映湖泊流域内搬运动力的变化^[22]，也体现湖泊本身水动力的强弱波动^{[14, 23]}。对于所研究的15个云南湖泊而言，由于受西南季风的影响，降水丰富，植被覆盖度相对较高，全年无结冰期。湖盆中无机沉积物主要来自湖泊流域内地表径流和河流携带的风化碎屑颗粒，其次则是来自大气中长期悬浮的超细粉尘和气溶胶。进入湖泊中的颗粒在湖水动力作用下，通过跃移和悬移的方式到达湖心位置沉淀下来。通常而言，越接近湖心深水区，水动力越弱，粗粒组分的含量和峰值都会随之减小。

另一方面，所研究的15个湖泊地处云南高原山地，尤其是位于滇西北和滇东的构造断陷湖，流域内地形起伏很大和湖盆边坡较陡，加之降水丰富，搬运力很强而且距离相对较短，致使大量粗粒物质被搬运进入湖盆甚至湖心区域。同时，由于滇中地区大型、较大型湖泊，如杞麓湖、异龙湖、星云湖等受人类活动影响强烈，通过在出水口处修筑堤坝，炸开落水洞，引水出/入湖等方式^[15]人为控制湖面高程和水量平衡模式，在短时间内改变了湖水动力，沉积物粒度特征也会随之发生变化。另外，云南中西部地区几乎全年盛行偏南风，冬半年尤其强烈，南北狭长型湖泊，如洱海、滇池、抚仙湖、程海、阳宗海等，使得南风的吹程较长，因而可以形成较强的湖浪和湖流，形成特殊的搬运模式和路径，导致湖流可以将粗颗粒组分通过悬移和跃移的方式带至湖心深水区，这也是该区域湖泊沉积物粒度分布的特点之一。

4.1 C1组分的来源及其意义

分析结果显示15个云南湖泊表层沉积物中都含有C1组分，其拟合中值粒径和含量范围分别为0.6~1.1 μm和2.6%~12.2%(图 2、表 2)。事实上，C1作为一种超细粒组分(拟合中值粒径小于2 μm)，可以在湖水中长时间悬浮，并且在湖心区域按照一定速率沉降到湖盆中^{[19, 24-25]}，因此绝大多数湖泊沉积物中都有该组分出现^[22-26]。沉积物中＜2 μm颗粒可以通过盆地径流和大气沉降两种方式进入湖盆^{[19, 24-25]}，而组分拟合的目的之一就是将处在同一粒级却由不同营力搬运的组分区别开^{[22, 26]}。本文中，拟合出的C1组分中值粒径除程海为1.1 μm外，其余皆为0.6~0.8 μm，最大粒径仅有2~3 μm(图 2)，表明搬运该组分的动力均很弱，而且在这15个湖泊流域内大致相同，推断该组分为大气中长期悬浮的超细粉尘和气溶胶，通过重力和降水作用进入湖泊水体，构成表层沉积物粒度频率曲线细端(＜2 μm)部分。因此这15个湖泊中C1组分极有可能代表西南地区大气粉尘(气溶胶)的本底值^[27]。同时，拟合中值粒径为0.7 μm左右，与中国北方干旱区相比偏细^[19]。需要指出的是，受湖泊水动力影响，沉积物中C1组分的粒度大小和百分含量与大气背景值并不完全成正比。例如，湖滨区域和水动力较强的过水湖，超细组分缺乏稳定的沉积环境，沉积物中的C1组分相对较少甚至缺失^[23]。沉积速率较慢的湖泊，沉积过程较长，C1组分的含量相对较高^{[3, 9]}(图 2表 2)。从以上讨论可以得出，同一个湖泊沉积岩芯中，C1百分含量与沉积速率成反比，藉此可以建立较可靠的沉积年代序列，但前提是超细组分的沉降背景值恒定且沉积环境稳定。

4.2 主要组分

除杞麓湖外，其余14个湖泊表层沉积物的主要组分为C2或C3，拟合中值粒径为2.1~22.8 μm，属细砂组分，C2+C3含量达80.1%~96.7%，占湖泊沉积物无机颗粒的绝大部分。有研究表明该组分主要反映湖盆流域内水动力强弱^[19]。当降水充沛、强度较大时，地表径流和河流搬运能力增强，所携带的物质颗粒整体偏粗，从而导致湖泊沉积物中主要组分(C2或C3) 峰值右移。另一方面，进入湖泊水体的颗粒物随着越向湖心水动力越弱，粗粒物质最先沉淀，致使湖中心沉积物粒径主要组分峰值逐渐左移，因此主成分的粒径大小同时受流域降水和湖泊水动力两者的影响。

从图 2、表 2可看出，洱海、抚仙湖主成分最粗，拟合中值粒径分别达到20.4 μm、22.8 μm，其次为星云湖、大屯海、大理西湖，而浴仙湖、泸沽湖、阳宗海、海西海、差黑海等5个湖泊的主成分拟合中值粒径较细，均小于5 μm。由此可以得出，湖泊面积大小并不是控制沉积物主要组分粗细的决定性因素。这15个湖泊中，洱海、抚仙湖的面积仅次于滇池(表 1)，而主成分粒径却最粗，表明由水力作用带入这两个湖盆的风化颗粒总体较粗，这可能与洱海和抚仙湖流域的径流和地形有关：洱海、抚仙湖均属于构造断陷湖^[15]，流域内高差巨大，降水形成的坡面汇流具有较强的能量，可以携带粗粒物质进入湖盆，另外，发源于点苍山的十余条常年性河流，水量(表 1)与水能都足以携带大量粗粒物质进入洱海，在年际尺度上具有湖心粗粒物质含量与流域降水量成正比的关系^[28]。差黑海和浴仙湖面积和水深在这15个湖泊中最小(表 1)，拟合主成分中值粒径也较小，分别只有4.7 μm和4.9 μm(图 2、表 2)。2013年对这两个湖泊进行考察采样时，西南地区正经历一次严重干旱事件^[29]，湖泊面积急剧收缩，浴仙湖更是接近干涸。有研究认为干旱时期湖泊收缩，粒度分布同心圆模式影响到湖心，使湖心沉积物变粗^[30]。浴仙湖和差黑海表层沉积物粒度拟合结果可能给出另外一种解释：西南地区干旱时期，小型湖泊剧烈收缩甚至干涸，入湖水流大量减少，携带进入湖泊的颗粒少而且偏细，同时，大气环流偏弱^[29]，湖泊收缩导致水生植物覆盖比例增大，湖水动力减弱，向湖心输送的颗粒物同样偏细。因此，不同外部条件下导致的湖泊收缩，沉积物中粒度的响应是不同的。在借助湖泊岩芯重建古气候和古环境的研究中，一般认为湖泊收缩导致粒度变粗，而粒度变细对应深水相沉积^[31]，现在看来并不适用于所有湖泊，特别是云南高原湖泊，在这里湖心沉积物粒度是对流域水动力/风力的直接响应，与水深大小关系较弱。

杞麓湖表层沉积物粒度拟合结果显示C4为其主要组分，中值粒径为65.5 μm，含量达到62.1%，并显示出与其他14个湖泊不同的频率曲线特征(图 2-C-1)，表明有大量粗颗粒组分进入湖盆且输送到湖心位置。结合湖泊流域降水，入湖径流及湖盆特征综合分析认为由地表径流和河流输入的可能性较小。遥感影像资料表明杞麓湖自1988年以来面积缩小了40%以上，除气候因素外，人为采用河流泥沙冲淤造田和挖湖泥造田也是一个重要方面^{[17, 32]}。大量粗粒泥沙通过这种方式进入杞麓湖，影响了湖心沉积物粒度频率曲线形态。除杞麓湖外，填湖造陆在滇池、异龙湖也较为普遍^[16]，势必会对湖泊某一区域，甚至是全湖的沉积物粒度组成产生影响。

4.3 砂组分的输入途径

分析结果显示，C5(粗砂)组分出现在差黑海、洱海、滇池、抚仙湖、程海、星云湖6个湖泊中，拟合中值粒径和含量分别为242.4~423.0 μm、0.4%~2.0%，除差黑海外，其余5个湖泊均属于云南9大高原湖泊(表 1)。大型湖泊湖心表层沉积物粒度中出现砂组分，说明湖水本身具有较强的搬运动力，将地表径流输入到湖盆的粗粒物质运至湖心并沉淀。受南北走向构造断裂影响^[33]，诸如滇池、抚仙湖等云南几大构造断陷湖也多东西窄，南北长^[15]，加之云南地区多数时间盛行偏南风，在南北狭长型湖面形成较长的吹程，使得这一类湖泊普遍具有显著的湖流：表层湖水向北运动，下层湖水向南进行补偿。据野外观测，抚仙湖湖流循环深度可达20 m以上，滇池、星云湖、洱海^[34]可影响到湖底，强烈的湖流运动为C4和C5组分的悬移或者跃移搬运提供了可能。

相比之下，小型湖泊，如海西海、大屯海、差黑海中砂组分的来源可能有多种解释。海西海(表 1)是位于洱海之北的一个小型湖泊，周围地形陡峭，流域面积仅有2.4 km²。由于湖泊面积较小，流速较快的地表径流可将大量泥沙带入湖盆，并引起整个湖水浑浊，这也是山地地区小型湖泊湖心沉积物中粗粒组分输入的主要途径^[13]。因此这类湖泊中C4和C5组分含量的增加指示流域内降水量和降水强度增大。大屯海(表 1)南北长5.0 km，东西宽2.46 km^[15]，其湖心表层沉积物中的砂组分成因可能与洱海和抚仙湖类似：强烈的湖流将部分湖滨粗颗粒物质携带至湖心，证明粗颗粒组分的拟合中值粒径和含量与湖流强度相关。

4.4 两个过程

研究表明，湖泊流域内的风化碎屑物进入湖盆并到达湖心位置沉淀下来需要如下两个过程，即从湖泊流域地表到湖盆的输入过程和从湖滨至湖心的传输过程。第一个过程主要受流域内降水和地表径流控制^[23]，同时地形，植被覆盖情况以及人类活动也会对碎屑物的输入产生影响^{[13, 35]}；第二个过程主要由湖泊大小，水深以及水动力强弱决定^[36]。研究认为在年际和十年尺度上，降水增多会导致沉积物中粒度整体偏粗，而在百年甚至更长时间尺度上降水增多则会导致粒径偏细^[28]。其原因在于百年以上时间尺度上的降水增加，势必会导致湖泊面积和水深的增大(同时受出水口高程控制)，湖心到湖岸距离增大，从而弱化第二个过程，导致传输到湖心的颗粒偏细。从这个意义上讲，在地质历史时期，两个过程是相互影响的。但就本文研究的湖泊表层沉积物粒度特征而言，两个过程是相对独立的。第一个过程影响湖泊沉积物主成分(主要为C2或C3) 粒径大小，第二个过程影响湖心粗粒组分(C4和C5) 含量。对于面积较小的湖泊，这两个过程有时会合并为一个过程：当降水强度较大时，水流将地表风化碎屑直接输入到湖心，如海西海。但对于洱海，滇池，程海等面积较大湖泊而言，第一个过程一般只能将粗颗粒输入到湖滨，其后在湖水动力作用下输送到湖心。从以上分析可以得出，对于湖泊沉积粒度环境指示意义的解译需持谨慎态度，同时，需要其它指标的支持与佐证，这样才能建立一个合理而可靠的环境指标。

5 结论

通过对云南高原15个湖泊表层沉积物粒度组成的分析研究可以得出，其C1组分来自大气中长期悬浮的超细粉尘和气溶胶，通过自然沉降和降水进入湖泊水体，反映西南地区大气粉尘背景值，通常而言，该组分含量与沉积速率成反比；C2和C3组分则是湖泊沉积物中的主要组分，该组分拟合粒径反映流域内降水和水动力大小；C4和C5组分只出现在部分湖泊湖心沉积物中，且含量非常低，该组分与湖泊水动力密切相关。

对于多数湖泊而言，沉积物颗粒，尤其是粗颗粒进入湖心需两个过程：从流域地表进入湖滨的输入过程和从湖滨到达湖心的传输过程。对于滇池、洱海等大型湖泊而言，第二个过程决定其湖心沉积物中粗粒物质含量，而该过程的强弱与湖流、水深、湖盆坡度等因素有关。

西南地区干旱背景下湖泊快速收缩直至消失时，降水量的大幅减少使得地表径流携带进入湖泊的颗粒物具有偏细的特征，大气环流偏弱加上水生植物覆盖面积比例增大，湖水动力减弱，由湖滨向湖心传输的物质以细粒碎屑为主，例如浴仙湖。因此在利用湖相沉积物重建区域古环境时须仔细甄别粒度的指示意义。位于山地地区的小型湖泊，由于汇水面积有限，湖面高程受地貌限制，流域地形坡度较大，在这种情况下坡面径流可将地表风化碎屑物带入湖盆甚至湖心位置，这类湖泊沉积物中粗粒物质的增加反映流域内降水量和降水强度增大。

致谢: 感谢中国科学院地质与地球物理研究所的秦小光研究员提供粒度分析软件，华中师范大学博士研究生郑茜，云南师范大学高原湖泊生态与全球变化实验室的王熊飞、陈小林、陈思思、刘东升、施海彬、刘圆圆、陶建霜等共同参与了野外采样和实验室工作，在此一并致谢！