2021, Vol.41
2 云南师范大学旅游与地理科学学院, 高原湖泊生态与全球变化实验室, 云南 昆明 650500)
湖泊作为区域相对独立的自然有机体，参与自然界的物质和能量循环，记录了区域气候和环境变化的综合信息，是十分理想的古环境储存库[1~3]。湖泊沉积对环境变化极为敏感，具有其他地质记录(石笋、黄土、孢粉、冰芯)无法替代的优势[3]。封闭或半封闭的山地湖泊沉积物具有沉积速率大、连续性好、蕴含信息量大、分辨率高等特点，是揭示湖区古气候和古环境变化的敏感指示器[4~5]。湖泊表层沉积物是研究湖泊现代沉积过程的载体，能反映短期内湖泊综合要素的变化，广泛应用于各种湖泊水生态系统评估、区域环境特征分析等[6]。粒度指标因其测定简单、费用少、不受生物干扰等特点，被广泛应用于湖泊沉积环境研究[7~9]。沉积物粒度特征具有有效追踪物源、识别水动力环境、判断水界面污染物扩散等作用[10~12]。因此，对表层沉积物进行粒度分布空间特征研究，将有助于了解湖泊现代沉积过程以及对区域气候变化和流域人类活动的响应。同时，通过对湖泊现代沉积过程的认识，有助于开展湖泊演化历史及区域气候环境重建的研究。
云南高原地处低纬度地区，受南亚季风、东亚季风和青藏高原环流系统的影响，特殊的地理位置使其对全球变化反馈极为敏感，是国内外学者研究湖泊沉积学的理想场所之一[13]。在沉积学研究中，湖泊沉积物粒度是分析物源和水能分布的有效指标，是重建古环境的常用指标之一[14]。20世纪90年代以来，国内外学者针对湖泊的古气候和古环境研究开展了许多工作。如陈敬安等[15]、周静等[16~17]、沈吉等[18]陆续开展了全新世以来洱海的湖泊沉积记录；郑茜等[19]和刘颖等[20]开展了中晚全新世以来抚仙湖古环境变化研究；陈敬安等[21]、路志明[22]通过粒度指标对程海进行研究，崔巧玉和赵艳[23]、盛恩国[24]开展了全新世以来的湖泊沉积与环境变化；张虎才以及团队[1, 25~26]对云南主要湖泊开展了大规模的考察和长尺度的岩芯提取。研究者们也对星云湖[4, 27]、阳宗海[28]、异龙湖[12, 14, 29]等湖泊进行古生态和沉积地球化学的研究，并在此基础上重建了百年尺度乃至万年尺度的区域气候环境演化。到目前为止，该区域表层沉积物系统研究相对较少。因此，星云湖现代粒度空间分布特征及变化趋势的研究，有助于剖析湖泊演化过程中的人类活动影响分量，了解湖泊空间演化趋势及其与气候、环境的变化的关系。
本文通过对星云湖84个表层沉积物样品进行现代化过程的研究，分析沉积物粒度的空间分布特征，探讨其影响因素，并结合湖泊沉积特征，为重建湖泊沉积环境提供现代过程依据，这可以为进一步开展星云湖环境地球化学和生态演化研究提供科学依据。
1 研究区概况星云湖(24°17′~24°23′N，102°45′~102°48′E)位于滇中腹地玉溪市江川县境内(图 1a)，北邻澄江，南望通海，为云南九大高原湖泊之一。湖泊呈茄型南北展布(图 1b)，其南北轴线长9.08 km，东西最宽为4.72 km，湖面面积34.5 km2，整个流域面积约378 km2。湖泊最大水深为10.8 m，平均水深约6 m。星云湖地处北回归线附近的高原地区，具有夏季多雨凉爽、冬季干燥、干湿两季明显的亚热带季风气候的特点[30]，流域内主导风向为偏南风，年平均气温15.5 ℃。流域多年平均降雨量约863 mm，降水主要集中在5~10月份，多年平均入湖径流量6.2×107 m3，占陆面径流量的76 % [31]。星云湖属南盘江水系，主要的入湖河流有东西大河、螺蛳铺河、大龙潭河、小街河等12条季节性河流，其中出水河流为隔河，位于星云湖东北部，该河流与抚仙湖相连，最终流入南盘江，随着地质运动和人类活动的影响，河床不断被抬高，径流逐年减弱，成为半封闭高原断陷型浅水湖。
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图 1 星云湖在云南省的位置(a)及星云湖流域图(b) Fig. 1 The locality of Lake Xinyun(a)and drainage of Lake Xingyun basin(b) |
星云湖素有“滇中鱼米之乡”的美誉[32]。星云湖畔早在东汉时期就有人类活动的印记，星云湖北岸的李家山墓葬群上出土大量的精美青铜器，该地是古滇国灿烂文明的发祥地之一。20世纪50年代以来星云湖流域植被遭受毁灭性的破坏，造成严重的水体流失，影响表层沉积物-水界面过程。
2 材料与方法 2.1 样品采集2018年5月，利用瑞典产的HTH重力钻采样器在湖泊不同位置取得现代表层1 cm厚沉积样品共84个，可客观反映整个湖区沉积状况(图 2)。从表征来看，沉积物呈褐色甚至黑色絮体状，富含有机质。所有样品进行编号装入封口聚乙烯塑料袋中，带回实验室用冷冻干燥机干燥后，密封保存，并进行相关指标测试。
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图 2 星云湖采样点、水深分布图 Fig. 2 The water depth(shadowed)of Lake Xingyun and sampling sites(black dots) |
将烘干后的样品均匀混合，从样品袋取出0.35 g左右样品放入100 ml烧杯中，然后按照以下步骤进行处理：1)加入10 ml 10 %的双氧水(H2O2)去除有机质，放到加热板上加热至反应平静；2)加入10 ml 10 %的盐酸(HCl)充分反应后去除碳酸盐；3)在烧杯中加入蒸馏水，静止24 h；4)将上清液抽出，加入10 ml浓度0.05 mol/L的六偏磷酸钠((NaPO3)6)分散剂并置于超声波震荡仪中2~3 min使其充分分散，然后上机测试。样品测试均在云南师范大学高原湖泊生态与全球变化实验室用Mastersizer 2000型激光粒度仪测试完成，3次重复测量的误差小于±2 %。
2.3 数据处理本文采用谢帕德(Shepard，1954)[33]三角图分类法对沉积物进行分类和命名，粒度参数的计算用图解法通过Wentworth[34]、Folk等[35]得出，包括中值粒径(Md)、平均粒径(MZ)、分选系数(σI)、偏度(SkI)、峰态(KG)等。其公式为：
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将粒度数据整理结果用ArcGIS MAP 10.5软件进行克里金插值和Grapher9得到粒度组分与参数空间分布图以及粒度频率曲线，用于反映沉积环境和物质搬运方式。
3 结果与分析 3.1 表层沉积物粒度组成及空间分布粒度组成是碎屑类沉积物特征的重要物理指标之一，粒度指标可以用来追溯沉积物的物质来源、沉积环境、搬运方式等，并可根据沉积物粒度构成的变化鉴别人类活动的影响[12, 36~37]。本文依据粒径大小将星云湖表层沉积物按照Udden-Went-worth标准[34]划分为粘土(＜4 μm)、粉砂(4~64 μm)、砂(> 64 μm)这3种组分来反映表层沉积物粒度组成的变化。粒度各粒级百分含量空间分布如图 3所示。其中粘土组分的百分含量介于23.81 % ~ 37.65 %，平均值为30.68 %。粘土粒级百分比含量的空间展布具有区域空间分布特点(图 3a)，然而在本研究区南端靠近湖岸地方，也存在高值区(呈舌状)。总体来看，粘土高值区主要分布在深水-次深水区和沉积环境相对稳定区域，而湖水最深处，粘土含量较低，低值区主要分布在湖滨地带。
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图 3 星云湖表层沉积物粘土(a)、粉砂(b)、砂(c)分布图(%) Fig. 3 The distribution of sediment clay (a), silt (b), sand (c) in Lake Xingyun (%) |
粉砂组分为本研究区的优势粒级，其变化范围为54.49 % ~ 70.22 %，平均值为62.48 %，粉砂组分的百分含量空间分布特征如图 3b所示。粉砂组分含量的空间分布总趋势类似扇形分布，且与粘土组分呈负相关，其中东部湖区赵家湾沿岸和旧州河为高值区，与此区域湖岸狭窄、地形较陡、受人类活动(耕地、滥砍滥伐等)影响较强有关；湖区东北部周官河和海门村附近粉砂组分处于低值区且变化较为缓和。
砂组分的百分含量空间分布特征如图 3c所示，波动于0.95 % ~ 19.57 %，平均值为7.04 %，其中南部湖区低值地带(< 3 %呈舌状向南部延伸)与粘土的含量高值区分布趋势相反；海门村附近高值地区与粉砂含量的低值区呈此消彼长的变化关系，与此区水动力较强相关。除海门村和周官河附近外，绝大区域的砂组分含量都小于6 %。
以上分析表明，星云湖表层沉积物84个样品以粉砂和粘土为主，其中粉砂为研究区的优势粒级，砂含量较低，部分砂含量高值区主要分布在海门村和周官河附近(图 3c)。根据沉积物命名规则[35]，星云湖表层沉积物样品主要分布在粘土和粉砂两轴范围之间(图 4)，即主要类型为粘土质粉砂，部分样品为砂质粉砂、粉砂质砂。
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图 4 星云湖表层沉积物谢帕德三角分类示意图 Fig. 4 Classification of surface sediments by Shepard triangle classification method in Lake Xingyun |
沉积物粒度是反映沉积物形成时的沉积环境和基本特征，主要受沉积动力、沉积地形、物质来源以及输送介质等因素的影响[10~12, 36~37]。在湖泊沉积物粒度研究中，常用的粒度参数有中值粒径(Md)、平均粒径(MZ)、分选系数(σI)、偏度(SkI)、峰态(KG)[3]，其中MZ代表粒度分布的集中趋势，反映搬运介质动力大小，可以指示物源，MZ越大，离物源越近；σI用标准差表示，反映沉积物颗粒大小均匀程度，其值越大，分选越差，与沉积物MZ呈正相关关系；SkI反映频率曲线的不对称程度，表示各种粒度的比例；KG用来测量粒度频率曲线的尖锐程度，与SkI、关系密切，反映沉积物的分选程度，判断水动力状况[2, 11, 38~39]。
从图 5a可以看出，研究区表层沉积物的MZ在8.82~57.71 μm之间波动，平均值为19.43 μm，变幅较大。分析数据表明，大约有1/ 2的区域沉积物的MZ在8~15 μm之间，主要分布在湖泊中部并向南部延伸；粗粒在靠近湖岸水动力较强的区域沉积下来，而细粒沉积物分布通过悬移、跃移的方式在深水区沉积环境较稳定的区域沉积下来，其中湖泊东北部颗粒呈现出由西向东迅速变细的趋势，其分布特征明显受到风向、物源供给、水下地形和水动力条件的影响。
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图 5 星云湖表层沉积物平均粒径(a)、分选系数(b)、偏态(c)和峰度(d)的空间分布示意图 Fig. 5 Spatial distribution of mean size (a), sorting coefficient (b), skewness (c), and kurtosis (d) in the surface sediments of Lake Xingyun |
星云湖表层沉积物的σI介于3.96~11.49，平均值为4.86。σI越大，其分选性越差，颗粒越不均匀，沉积环境越不稳定，指示水动力比较复杂[3, 40~41]。根据σI等级可知，星云湖表层沉积分选度极差(图 5b)，其中东北部为高值区，达到8以上。通过调查分析发现，该研究区湖泊为南北走向，常年盛行偏南风，入湖河较多，在风浪和湖流的作用下，导致沉积环境复杂，沉积物质分选性也极差。结合σI与砂组分百分含量进行了对比分析，发现两者有明显的正相关关系(r=0.901，p < 0.01)。
沉积物SkI变化范围为0.49~0.62，平均值为0.57，变化较小。根据SkI分类[3, 40~41]，属正偏(图 5c)，偏向细粒，其中西南部相对较粗，这是因为该区域有大街河、大庄河等入湖河流。由于星云湖现代沉积物粉砂和粘土含量较高，使得沉积物粒径偏向细粒。
沉积物的KG波动于1.09~3.04，平均值为1.56。从表层沉积物KG等值线分布图 5d可以看出，研究区除周官河附近(2.55~3.70)外，绝大部分区域的KG都 < 2.55，其中北部和部分南部区域 < 1.70。
为进一步探讨星云湖表层沉积物的粒度参数随沉积动力和沉积环境变化趋势，本文沿着研究区绘制了两条剖面(L1和L2)，共选取12个采样点(见图 2)。沿剖面L1(样品编号9→12(剖面最深点)→20→29→39→50)由湖滨到湖心再到湖滨，根据星云湖表层沉积物粒度参数的空间变化(图 6)，样品粒度频率由颗粒较粗逐渐变为颗粒较细再逐渐变粗，随着沉积动力的增减，沉积环境发生改变。沿剖面L2(样品编号47→54→64→59→76→83)由湖心到湖滨，样品粒度频率由细颗粒单峰到粗颗粒双峰的变化，平均粒径逐步增大，这说明，越往湖滨地区，随着深度的减少，沉积动力增强，物质的搬运能力加强。
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图 6 星云湖表层沉积物粒度参数的空间变化(剖面L1和L2) Fig. 6 The spatial variation of grin size parameters in the surface sediments of Lake Xingyun(profiles L1 and L2) |
星云湖流域面积是湖泊面积的10倍，拥有较多的湖湾，有12条河流，不同河口沉积物所对应采样点的粒度频率分布(图 7)，星云湖入湖口沉积物粒度的频率曲线表现出不同的特征。河流影响入湖口的沉积环境，使得入湖区粒度存在不同的沉积特征。
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图 7 星云湖北部入湖口(a)、东部入湖口(b)以及西南入湖口(c)的粒度频率分布曲线 Fig. 7 Particle size distribution curve of north into the lake (a), east into the lake (b) and southwest into the lake of Lake Xingyun |
北部入湖口龙潭河、东大河、西大河的粒度峰值为8.7~22.9 μm，主峰不明显，呈主峰和多峰态相结合特征。其中，隔河是研究区唯一的出水河流，该河口粒度频率曲线为多峰态，在478.6 μm处出现一个最高峰值，频率曲线明显靠右，出湖口样品沉积物粒径偏粗。螺蛳铺河口的频率曲线为双峰态，主峰峰值介于11.4~26.3 μm，频率曲线在208.9 μm处突然跃迁，在416.8 μm粒径又出现一个峰值。
西南各入湖口的主峰在8.7~26.3 μm之间波动，呈单、双峰结合特征。其中大寨河和旧州河第一峰值均出现在0.83 μm处，细颗粒成分较高；大庄河、小街河、周官河在478.6~630.9 μm粒径处又出现峰值，样品中有较大颗粒存在，反映受人类活动较为强烈。
4 讨论在区域地形、植被覆盖度等环境要素和人类活动的背景下，现代湖泊沉积物粒度扩散、迁移和富集规律主要受沉积物源和沉积环境的影响[10]。湖泊沉积物物源主要由陆源沉积和湖内沉积组成，并造成粒度各组分的空间分布特征；沉积环境的水动能、水下地形、搬运介质等条件的共同作用下最终决定沉积类型[11~12, 42]。
总体来看，星云湖现代沉积物粒度空间变化具有以下特点：靠近湖心深水区细颗粒含量较高；靠近湖滨浅水区粗颗粒含量较高，其中，湖区南端湖滨地带，出现明显的细颗粒含量较高(图 3a和5a)。在研究区最西端和海门村附近，粘土、粉砂和砂含量具有明显的规律分布，其中粘土含量由西向东逐渐增加，砂含量由西向东减少，这也符合沉积学的基本原理。
一般而言，在现代湖泊理想沉积过程中，从湖滨到湖心，随着水深、离岸距离逐步增加，水动力逐渐变弱，沉积环境逐渐稳定，湖泊沉积物呈同心圆分布，即从湖滨到湖心出现砂、粉砂、粘土分布规律[3, 42]，但由于不同湖泊受到本区域自然环境要素和人类活动的双重影响，会出现与理想模式下不一致的变化。因此，需要综合研究影响沉积过程的各个要素，如风向、河流注入、搬运介质、人类活动等。从图 3c和5a可以看出，在海门村附近粒径指数相对较大。从自然环境要素来看，该区域分布3处入水口和一个出水口，其中隔河出水口离山较近，湖盆较陡峭，河流纵比大，大量碎屑物被搬运至湖滨带，提供了大量的粗粒物质，加上盛行偏南风，容易影响沉积物，直接掀起较粗颗粒，造成二次悬移。另一方面，该地区人类活动较强烈，开山取石(矿)、修路以及植被破坏严重，粗粒物源通过河流进入北部湖区。
在研究区南端，出现明显的细颗粒含量呈舌状高值区。南端这种较细的粒径分布与星云湖湖盆结构、人类活动等因素有关。星云湖盆地东西陡峭，南北缓平，这种分布导致东西河流纵降大，南北小，进而导致沉积物东西粗，南部细。南部靠近江川城区，平原面积大，物源丰富，相关部门重视环境保护，建立湿地公园和护湖河，使得大量的细粒物质入湖。另一方面，星云湖常年盛行偏南风，南端有湿地和大量水草，造成南端湖浪较弱，水动力较弱，沉积环境相对稳定，影响物源的颗粒大小，因此在研究区南端出现粘土高值区。
在研究区东部赵家湾河口附近，砂含量较低，粉砂和粘土的含量较高。螺蛳铺河流域面积大，河道较长，河流纵比小，在入湖前粗粒已经渐渐沉积下来，此外，盛行风致使的偏南湖流对于河流有顶托作用。另一方面，受人类活动的影响，湖区营养物质持续增加，致使湖滨地带水草茂盛，最终受河流作用较小。
5 结论本文通过对星云湖84个表层沉积物样品的粒度组分特征、沉积环境和入湖口沉积物特征的分析，得出以下结论：
(1) 星云湖表层沉积物平均粒径在8.82~57.71 μm范围内，粘土、粉砂、砂含量的平均值分别为30.68 %、62.48 %和7.04 %，粉砂为该研究区的优势粒级。
(2) 研究区表层沉积物粒度空间分布特征的主要受物质来源、河流、水动力等影响。星云湖北部受地形、入湖河流(龙潭河、东大河、西大河)和人类活动的影响，砂含量较高；南部由于受到盛行风、湖流和湿地的影响，造成呈舌状细粒沉积；东部虽然有螺蛳铺河，但由于受到湖流的顶托作用和人类活动，粉砂和粘土的含量较高。粒度参数研究表明，星云湖表层沉积物除海门村外普遍较细，整体分选极差，偏向细粒级，北部湖区呈现为正偏态。
(3) 从频率分布曲线来看，星云湖入湖口沉积物具有不同的特征，北部入湖口呈主峰和多峰相共同出现为特征，东部入湖口则呈双峰态，西南各入湖口呈单、双峰结合特征。单峰反映了注入星云湖各水系物源单一，双峰和多峰反映物源复杂。
(4) 区域环境要素对湖泊沉积环境的变化具有重要作用，星云湖表层沉积物可以记录湖泊沉积环境和物源，是研究滇中地区现代环境演化的潜在载体，可作为研究湖泊沉积和环境变化的理想场所。
致谢: 李婷、蔡萌、张扬等参加了野外采样和部分实验；感谢审稿人提出宝贵修改建议，杨美芳、赵淑君编辑对此稿进行了认真、负责的审阅和建议，在此一并致谢。
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,
CHANG Fengqin1
,
ZHANG Hucai1,
ZHANG Xiaonan1,
WU Han1,
DUAN Lizeng1,
FENG Yizhe2,
CHEN Yang2
2 Key Laboratory of Plateau Lake Ecology & Global Change, College of Tourism and Geography Science, Yunnan Normal University, Kunming 650504, Yunnan)
Abstract
Lake Xingyun(24°17'~24°23'N, 102°45'~102°48'E), one of the nine large lakes in Yunnan Plateau with a lake surface area of 34.5 km2 and drainage area of about 378 km2, is located in south of Kunming of Yunnan Province, southwestern China. The maximum water depth of the lake is ca.10.8 m, with an average water depth of about 6 m. Located in the plateau area near the Tropic of Cancer, Lake Xingyun has the characteristics of subtropical monsoon climate with rainy season lasted from May to October and dry season from December to April of following year. The drainage is dominated by southwestern winds almost yearly, especially during the dry seasons. The annual average temperature is about 15.5 ℃ and the annual average rainfall is about 863 mm that mainly concentrated from May to October.Based on the analysis of 84 surface sediment samples, this paper discussed the relationship between anthropogenic impact and geographical environment reflected by the spatial variation characteristic of grain size in Lake Xingyun. The results show that the average components value of silt, clay and sand in surface sediment are 30.68%, 62.48%and 7.04%respectively It is revealed that the components of sediments are mainly ranged from silt to clay. The type of grain size of northern lake is mainly sand because of the effect of river input by Longtan River, Dongda River and Xida River. Meanwhile, the southern lake is mainly fine materials due to the impact of prevailing winds, lake flows and wetlands. The sediment in eastern are mainly silt and clay, reflecting the effects of the powerful lake flows, moreover, the grain size is also influenced by the human activities from the surrounding farmlands and Luosi River. The northern part of the lake is characterized by the combination of both main-peak and multi-peak features, and the eastern is characterized by double-peak, and the southwestern is characterized by the combination of both main-peak and double-peak. Generally, except the southern part closed to Gehe, the sorting separation of the grain size in Lake Xingyun is poor which tend to be fine-grained, while the northern area is positive bias. The modern sediments of Lake Xingyun are of great significance to the changes of sedimentary environment and provenances, and can be used as a suitable record to study lake sediments and environmental changes.