1985—2016年南漪湖湖泊面积变化对沉积速率及泥沙输移通量的影响

2021-11-24王小雷薛滨姚书春程龙娟朱洪伟殷露赵子涵

环境工程技术学报 2021年6期

王小雷，薛滨，姚书春，程龙娟，朱洪伟，殷露，赵子涵

1.南京晓庄学院环境科学学院2.湖泊与环境国家重点实验室，中国科学院南京地理与湖泊研究所3.南京师范大学地理科学学院

湖泊是在复杂的地质、地理环境条件下形成的比较宽阔的水域，通常被誉为“地球之肾”[1]。湖泊一旦形成，便参与自然界大气圈、生物圈和岩石圈之间的物质循环和能量流动，是研究全球气候环境变化的重要载体[2-3]。除了受构造运动和气候变化影响之外，复杂的人类活动也是影响湖泊环境变化的主要驱动因素。对全球面积大于100 km2的1 709个湖泊的研究结果表明，气候变化和人类活动驱动下的污染负荷增加、面积萎缩、水质酸化、过度捕捞和物种入侵等是导致全球湖泊环境退化的共性问题，应该引起高度重视[4]。因此，研究湖泊面积、沉积速率和泥沙输移通量变化对理解湖泊的生态演化过程和预测湖泊的未来变化趋势，具有重要的现实意义[5]。

我国幅员辽阔，湖泊众多，长江下游地区是湖泊分布密度较大的地区之一，加之地势低平且多浅洼地，常形成串珠状分布的湖泊[6]。全新世初期，石臼湖、固城湖、南漪湖和丹阳湖(现已消失)同属于古丹阳湖[7]。长时间以来，由于严重的土壤侵蚀形成的泥沙淤积，加之入湖河流三角洲的不断发育，古丹阳湖盆逐渐被堆积充填，分化为当前3个相对独立的湖泊(石臼湖、固城湖和南漪湖)。该地区1960—2015年强烈的人类活动(围湖造田)导致湖泊面积萎缩甚至消失[8]。据统计，20世纪50—90年代长江安徽沿江湖泊围垦面积已达 1 302.53 km2，占原有湖泊面积的46.49%，有些湖泊甚至全部被开垦为农田[9]。湖泊面积减小导致湖泊流速降低、沉积速率增加、泥沙淤积加快以及水体富营养化加重等一系列生态问题，严重威胁区域经济的可持续发展[10-14]。

南漪湖作为皖南第一大湖，20世纪80年代以来，流域内土地利用变化明显，土壤侵蚀程度加剧，造成湖泊生态系统结构退化，水体中总磷浓度超标[13]，湖泊、蓝藻水华频繁暴发[14]，重金属污染也呈现增加趋势[15]。已有研究[16]表明，在长时间尺度下(8.0 ka)，基于湖泊沉积记录的正构烷烃及其单体碳同位素指标变化表明，南漪湖自2.4 ka BP以来，自然植被受到人类活动的强烈影响，陆源高等植物输入比例增加，草本植物占据优势，木本植物生物量相对减少。相反，在短时间尺度下(20世纪50年代以来)，南漪湖沉积速率下降则与该流域耕地面积减少有着密切联系[17]。与此同时，强烈的土壤侵蚀导致20世纪90年代南漪湖湖盆底部淤高0.5～0.8 m，厚的地方甚至达到1 m[18-19]。过去40多年间，南漪湖的泥沙总量更是达到330万m3[9]。人类活动影响下的水体富营养化不仅导致浮游植物群落结构[20]、水体中叶绿素a浓度[21]以及沉积物中的枝角类卵鞍密度[22]等发生不同程度的变化，同时湖泊环境因子的改变也提高了湖泊沉积物中的反硝化作用[23]。然而，有关南漪湖近些年面积变化是否会影响湖泊沉积速率及泥沙输移通量的研究鲜有报道。鉴于此，笔者以南漪湖为研究对象，基于放射性核素210Pbex和137Cs定量估算南漪湖过去百余年的沉积速率变化，结合遥感影像数据获取1985—2016年逐年的湖泊水面面积大小及时空变化特征，构建沉积泥沙质量平衡模型，并定量估算南漪湖泥沙输移通量，以期为长江下游地区的湖泊环境保护与治理提供理论基础和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

南漪湖横跨安徽省宣城市和郎溪县，系新构造断陷洼地经泥沙长期淤积而成(图1)。该区域属亚热带湿润季风气候，雨量充沛，四季分明，年均气温为15.8 ℃，年均降水量为 1 168 mm，降水主要集中在6—8月。湖泊最大宽度为8.4 m，平均宽5.7 m，最大水深为3.25 m，平均水深为2.25 m，湖泊面积为148.4 km2，流域集水面积为 3 368.7 km2[6]。湖水主要依赖入湖河川径流及湖面降水补给，主要河流为湖泊东部的老郎川河及新郎川河，其多年平均入湖流量、入湖水量分别为36.0 m3/s、11.4×108m3。据统计，南漪湖多年平均入湖总水量为19.65×108m3，湖面降水量为1.83×108m3，合计21.48×108m3；多年平均出湖总水量为19.14×108m3，湖面蒸发量为2.34×108m3，合计21.48×108m3，水量收支基本平衡。汛期当水阳江干流水位高于南漪湖时，江水会经双桥河、油炸沟和蔡庄河分流入湖；非汛期位于湖西北部的北山河是唯一的出湖河流，在新河庄附近注入水阳江[7]。

图1 南漪湖水系及采样点位置示意Fig.1 Location of water system and sampling sites of Nanyi Lake

1.2 样品采集与分析

湖泊沉积物样品分别采集于2008年(NY08)、2014年(NY14)和2015年(NY15)(图1)。采集过程中使用柱状采样器，首先将嵌套的PVC管随采样器垂直压入湖盆底部，然后双手左右螺旋式缓慢拔出得到沉积物柱芯。拆卸PVC管后用橡皮塞将上下两端密封紧实，在运输过程中尽量避免对样品产生扰动，所有沉积物柱芯保存完好，且上覆悬浮层未受扰动，界面水清澈透明。沉积物样品运回实验室，静置48 h后，采用顶托分样器将沉积物柱芯按照1 cm 间距自表层至底层进行截分。随后，样品转入蒸发皿置于105 ℃烘箱中烘干后放入密封罐中，待测。

沉积物样品中210Pbex和137Cs比活度采用γ分析方法。测量样品放入与标准源同样规格的塑料容器中，蜡封至少21 d使226Ra与210Pb处于永久衰变平衡体系，采用美国EG & GORTEC公司生产的高纯锗伽马谱仪(由高纯锗探测器、数字化谱仪及多通道分析系统组成)测定放射性核素210Pbex和137Cs的含量。每个样品的测量时间为40 000 s(实时)，测试误差为±10%(90%置信度)。其中137Cs的比活度由661.6 keV处的γ射线谱峰面积获得，210Pb的比活度根据46.5 keV处的γ射线谱峰面积计算，226Ra比活度根据214Pb的谱峰面积(351.9 keV)计算，半衰期极短的214Pb是226Ra的衰变产物。样品的210Pbex比活度为210Pb的比活度与226Ra比活度的差值。137Cs 和226Ra 标准样品由中国原子能研究所提供，210Pb 标准样品与英国利物浦大学提供的标准样品进行比对校准。

1.3 遥感数据来源及处理

受遥感影像数据所限，选取1985—2016年的32个时间节点，所使用的遥感数据均下载于91位图助手的Landsat Copernicus的高分辨率Google Earth影像数据平台，共有14级，分辨率为8.19 m。为使数据具有可比性，统一下载冬季遥感影像数据。将遥感影像数据导入ENVI 5.3和ArcGIS 10.2软件，采取目视解译的方法提取南漪湖湖泊面积信息，建立南漪湖1985—2016年湖泊面积数据库。在此基础上，借助Excel软件分析南漪湖湖泊面积变化趋势。

1.4 泥沙输移模型构建

河流作为泥沙搬运的主要动力条件，既可以搬运泥沙进入湖泊，也可以输移泥沙出湖泊[24-26]。湖泊是流域侵蚀产沙的主要汇聚场所，在枯水期或者水动力条件较弱的时期，泥沙最终以堆积的形式蓄积于湖泊地区；相反，在丰水期或者水动力较强的时期，湖泊沉积泥沙则会被出湖河流搬运输出。

鉴于此，假定本研究区域的郎川河流域土壤侵蚀产沙和南漪湖沉积泥沙处于动态平衡，符合物质平衡理论。同时，假定1954—2016年和1985—2016年的沉积速率相近。为此，建立了简易的泥沙输移模型：

E=Eout×Sarea=(Ein-EDep)×Sarea(1)

式中：E为南漪湖出湖河流年均输沙量，t/a；Eout为南漪湖出湖河流平均泥沙运移速率，t/(hm2·a)；Sarea为南漪湖年均湖泊面积减小值，hm2；Ein为流域年均土壤侵蚀量，t/(hm2·a)；EDep为湖泊年均沉积速率，t/(hm2·a)。

2 结果与讨论

2.1 沉积物柱芯中210Pbex和137Cs比活度分布及沉积年代

不同年份南漪湖沉积物柱芯的210Pbex和137Cs比活度垂直分布如图2所示。由图2可知，由于采样点都位于湖泊东部区域，3个沉积物柱芯中210Pbex和137Cs比活度分布特征相似。210Pbex比活度最大值均出现在表层，且随深度增加呈下降趋势，此波动变化趋势预示湖泊环境受到不同历史时期外界的强烈干扰[27]。210Pbex比活度分别在距沉积物表层45 cm(NY08)、75 cm(NY14)和70 cm(NY15)处接近平衡。与之对应，3个沉积物柱芯中均有137Cs比活度最大峰值存在，分别出现在17(NY08)、16(NY14)和17 cm(NY15)处，表明南漪湖沉积物柱芯17 cm左右记录了全球公认的1963年核素最大散落沉降。与此同时，3个沉积物柱芯分别在22、24和25 cm处首次出现137Cs，其对应于1954年137Cs在全球的首次核爆炸试验。结合137Cs定年时标获得的年代和各沉积物柱芯的质量深度(样品质量与采样器横截面积比值)，计算出自1954年以来南漪湖3个沉积物柱芯的平均沉积速率为分别为 0.013 6、0.014 6 和 0.019 5 g/(cm2·a)。

图2 不同年份南漪湖沉积物柱芯中210Pbex和137Cs比活度垂直分布Fig.2 Vertical distribution of 210Pbex and 137Cs specific activity in lake sediments of Nanyi Lake in different years

基于210Pbex比活度在各沉积物柱芯中的分布特征，结合文献[28]，选用210Pb CRS模式进行沉积物定年相对较为合理。同时结合137Cs定年时标(1954年和1963年)校正210Pb CRS模式得到210Pb校正CRS(210Pb C-CRS)定年结果，基于此精确年代结果获取了南漪湖各沉积物柱芯的沉积年代，结果如图3 所示。由图3可知，NY08、NY14和NY15沉积物柱芯所代表的年代跨度分别为1898—2008年、1871—2014年和1880—2015年。

结合质量深度和沉积年代，获取了南漪湖东部区域不同年份沉积物柱芯的沉积速率(图4)。与中国其他浅水湖泊类似[17]，南漪湖历史时期以来沉积速率呈现波动变化特征，且不同湖区沉积速率略有差异。整体上，南漪湖在20世纪50年代左右湖泊沉积速率出现极大值，近年来呈缓慢增加趋势。已有研究报道[7]，南漪湖沉积速率变化受到自然因素和人为活动的双重影响。自然因素方面，主要通过降水强度影响沉积速率，降水量高的年份湖泊沉积速率相对较大。通过对流域1957—2016年降水量(数据来自宣城市气象局)和沉积速率变化进行相关性分析(图5)可知，尽管年均降水量与沉积速率之间相关性不大，但是相对增加的年均降水量仍然会影响湖泊沉积速率。在短时间尺度下，降水量较大的年份，流域的粗粒物更容易进入湖泊[29]。人为活动方面，流域内森林砍伐、劈山开荒及农业土地利用活动加强使得雨季水土流失严重，增加泥沙沉积。

图4 不同年份南漪湖沉积物柱芯沉积速率Fig.4 Variation of sedimentation rates of sediment columncores in Nanyi Lake in different years

图5 1957—2016年南漪湖沉积速率与流域年均降水量相关关系Fig.5 Correlation between the sedimentation rate of Nanyi Lake and the average annual precipitation of Xuancheng City in 1957-2016

2.2 南漪湖湖泊面积时空变化

2.2.1时间变化

根据南漪湖不同时期遥感影像，基于ENVI 5.3和ArcGIS 10.2软件对南漪湖1985—2016年各年份的面积进行界定与计算，结果如图6所示。1985—2016年南漪湖湖泊面积变化趋势如图7所示。由图6、图7可知，1985—2016年南漪湖湖泊面积整体上呈现波动减少的趋势，这与我国其他地区(京津冀、云贵高原、东北地区和长江中下游地区)过去近30 a湖泊面积均出现降低的变化趋势相似[30-35]。

图6 1985—2016年南漪湖湖泊面积变化Fig.6 Variation of lake areas in Nanyi Lake in 1985-2016

图7 南漪湖湖泊面积变化趋势Fig.7 Trend of lake areas changes from 1985 to 2016 in Nanni Labe

南漪湖过去31 a湖泊面积的平均值为109.29 km2，其中，1985年湖泊面积最大，为147.74 km2，与平均值的差值为39 km2；2016年湖泊面积最小，为90.37 km2，与平均值的差值为-18.37 km2。

从南漪湖1985—2016年湖泊面积年际差变化趋势(图8)可以看出，过去31 a南漪湖湖泊面积年际变化大致划分为2个阶段：第Ⅰ阶段(1985—1999年)湖泊面积变化幅度较大，最大值为1985年的147.74 km2，最小值为1997年的101.00 km2，差值为46.74 km2，该阶段1988年与1987年的面积差反映的年际变化最大(-21.61 km2)；第Ⅱ阶段(1999—2016年)湖泊面积变化幅度较为和缓，最大值为2004年的109.24 km2，最小值为2016年的90.37 km2，差值为18.37 km2，该阶段2005年与2004年的面积差反映的年际变化最大(8.10 km2)。

图8 1985—2016年南漪湖湖泊面积年际差变化Fig.8 Interannual variation of lake areas of Nanyi Lake from 1985 to 2016

对比南漪湖1985—2016年湖泊面积和降水量相邻年份年际变化相关关系(图9)可以看出，尽管二者相关系数(R2=0.119)相对偏小，但是湖泊面积的年际变化与降水量变化仍呈线性相关。相邻年份降水量差越大，其湖泊面积年际差也相对较大，反之亦然。这也意味降水量是决定湖泊面积的关键因素，降水量充沛相对湿润，则湖泊面积扩张；降水量稀少相对干旱，湖泊面积减小[29]。此结果进一步表明湖泊作为环境变化的良好载体，对全球气候干湿变化研究起着重要的指示作用[3]。

图9 1985—2016年南漪湖湖泊面积和降水量年际差相关关系Fig.9 Correlation between interannual variation of lake surface area and precipitation in Nanyi Lake in 1985-2016

2.2.2空间变化

已有研究表明，湖泊面积变化不仅表现在数值的变化上，也会存在空间上的差异[35]。通过将1985年与2016年的遥感影像进行叠加分析(图10)发现，南漪湖湖泊面积缩小部分存在着明显的空间差异。与1985年相比，2016年南漪湖湖泊面积缩小了57.37 km2，平均每年减少1.85 km2。南漪湖湖泊面积缩小的部分主要集中于湖泊的西北、东北和东南部，且是从周边区域向中心开始萎缩。与长江中下游地区其他湖泊类似，人类活动(围垦养殖、围湖造田、泥沙淤积及闸坝建设等)是导致湖泊面积变小的另一原因[34-35]。如在围垦建圩等主导因素影响下，1988—2002年太湖湖泊面积减少了28.9 km2[33]，1989—2012年龙感湖、黄大湖、泊湖、武昌湖、破罡湖和白荡湖等湖泊面积分别减少126.9、54.2、46.0、32.1、15.0和11.1 km2[34]，1975—2015年千岛湖湖泊面积减少14.1 km2[35]。南漪湖在历史时期同样经历了围垦养殖，据记载，2004—2006年围网养殖示范区面积达36.7 km2[36]，导致湖泊水面面积极大缩减。根据遥感调查与监测研究结果[9]，南漪湖1949年湖泊面积为190.6 km2，而2020年前后面积减至117.5 km2，围垦区占原湖泊面积的38.4%。围垦导致湖泊沼泽和滩涂遭到破坏，原本丰富的湿地资源被单一的农作物替代，食物链结构简单，生态系统趋于脆弱。

注：深灰色、浅灰色分别为1985年、2016年南漪湖的湖面。图10 1985—2016年南漪湖湖泊面积空间变化示意Fig.10 Spatial change of lake area of Nanyi Lake in 1985-2016

2.2.3湖泊沉积速率与湖泊面积关系

对比南漪湖1986—2015年沉积速率和湖泊面积之间的相关关系(图11)发现，二者之间的相关系数不大，但湖泊面积与沉积速率之间呈现指数降低的趋势(y=0.602 9e-0.02x，R2=0.371 8，n=10)。该结果也暗示湖泊面积较大时，流域的侵蚀物质不易到达湖心位置，湖泊沉积速率相对较慢；相反湖泊面积较小时，流域的侵蚀物质更容易到达湖泊近湖心位置，湖泊沉积速率相对较大。这进一步说明了随着湖泊面积的增加，湖泊的沉积速率相对降低。

图11 1985—2016年南漪湖的沉积速率和湖泊面积相关关系Fig.11 Correlation between sedimentation rate and lake area of Nanyi Lake in 1985-2016

2.3 南漪湖泥沙输移模型构建及输移通量估算

湖泊蒸发量和出湖水量是影响湖泊面积减小的2个主要因素，已有研究表明，南漪湖出湖总水量和湖面蒸发量分别占湖泊水量总支出的89.1%和10.9%[6]。1985—2016年南漪湖湖泊总面积减小了57.37 km2，通过计算得出南漪湖出湖河流(北山河)出水和湖面蒸发致使湖泊水面面积分别减小51.12和6.25 km2。基于上述分析，本模型中的各参数取值如表1所示。

表1 南漪湖泥沙输移模型参数取值Table 1 Parameters of sediment transport fluxes models in Nanyi Lake

通过式(1)计算出南漪湖1985—2016年通过北山河年均输出泥沙约为 1 904.60 t/a。结合南漪湖流域年均土壤侵蚀速率〔13.5 t/(hm2·a)〕[37]和相应年份湖泊沉积速率(由于2014年沉积速率大于该流域年均土壤侵蚀速率，故不统计2014年数据)，基于泥沙输移模型估算获得了1986年、1988年、1992年、1996年、1999年、2001年、2004年、2007年、2015年的泥沙输移通量，并分析相应年份的沉积速率与湖泊面积的相关关系，结果如图12所示。由图12可知，湖泊面积与泥沙输移通量之间呈线性增加的趋势(y=0.037 9x-3.544 7，R2=0.823 9，n=9)。湖泊面积增大时，加大了湖泊水体中悬浮颗粒物搬运量，增大了湖泊泥沙的搬运能力，导致湖泊沉积泥沙更容易被搬运出湖；相反，湖泊面积缩小甚至干涸，降低了湖泊内部的水动力搬运能力，导致湖泊泥沙输移通量降低甚至消失。因此，湖泊面积变化对泥沙输移通量的变化具有重要的影响。