不同气候区湖泊地球化学记录的近现代环境演化过程及机理

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近几十年来,随着社会经济快速发展、城市化规模扩大及人口增加,我国不同区域湖泊均出现不同程度的环境问题,如东部湿润地区湖泊水体的富营养化和污染,西北地区湖泊的干旱咸化及污染问题,并影响了区域社会经济的可持续发展。由于不同区域自然和人类活动等驱动因子的差异,导致不同湖泊环境演化的过程和机理较为复杂,给湖泊环境治理、修复及科学管理带来较大困难。另一方而,有限的湖泊监测资料,也增加了正确认识湖泊环境演化规律、全面理解其变化机理的难度。为此,有必要拓展湖泊环境演化的序列,比较不同类型湖泊环境变化特征,进而剖析不同时期不同类型湖泊环境演化的过程及规律,并探究其机理,以便为区域湖泊环境管理和保护提供科学依据。  湖泊沉积物记录了流域自然和人类活动的多重信息,具有信息量大,分辨率高的特点,是开展过去湖泊环境演化序列研究的有效载体。基于此,本项研究重点选择湿润区长江中游网湖、干旱区博斯腾湖和赛里木湖以及半干旱区乌梁素海等不同区域湖泊为对象,在湖泊流域现代气候环境参数分析的基础上,利用有机氯农药(OCPs)、多环芳烃(PAHs)、重金属、正构烷烃,总有机质(TOC)、总氮(TN)、有机碳同位素(δ13C)等湖泊沉积物地球化学指标,开展近百年来不同气候区湖泊环境变化规律及机理研究,并初步取得了如下几个方面的进展:  1.对湿润区和干旱区不同湖泊及其流域表层沉积物多种地球化学代用指标的分析,明确了指标的环境意义。研究表明,不同类型湖泊流域沉积物OCPs和PAHs含量变化反映不同的人类活动方式和强度,OCPs含量变化反映流域农业活动,而PAHs主要受城市化及工业化的影响。沉积物OCPs、PAHs和重金属具有较好的相关性,均指示了流域人类活动的影响,但是OCPs、PAHs可以更有效地反映不同的人类活动方式。沉积物正构烷烃指标较好地反映了沉积物有机质来源,不同类型湖泊流域表土正构烷烃碳数分布范围均为C14~C33,主要呈单峰模式,具有明显的奇偶优势,较高的陆生/水生植物相对比值(TAR)和高/低碳数同系物比值(H/L),草本类植被区表土正构烷烃主峰碳为C31,木本类植被区正构烷烃主峰碳为C29,结合其他正构烷烃参数指标较好地反映了流域的不同植被类型。  2.在沉积岩芯210Pb和137Cs定年的基础上,建立了不同湖泊沉积多环境指标序列并进行综合比较,总体上划分了三个不同的湖泊环境演化阶段,揭示了近百年来不同气候区湖泊环境演变的规律。结果表明,近百年来湿润区湖泊与干旱半干旱区湖泊环境变化虽然存在差异,但总体可分为三个阶段。第一阶段,湿润区网湖为1950s以前,干旱半干旱区博斯腾湖、赛里木湖、乌梁素海为1960s以前,该时期湖泊沉积物中TOC、TN、δ13C、正构烷烃、OCPs、PAHs、重金属富集冈子等都较低,且相对稳定,表明湖泊水体营养及初级生产力均较低,受流域人类活动影响较小。第二阶段,1950s~1980s(网湖)、1960s~1990s(博斯腾湖、赛里木湖、乌梁素海),沉积记录OCPs含量明显增大,表明流域农业活动开始较明显的影响湖泊环境。TOC、TN、TP含量增加,反映了湖泊营养水平升高,湖泊生态环境出现变化,其中乌梁素海沉积物有机质δ13C高值以及2C17/(C23+C25)低值表明沉水植物开始大量生长,而博斯腾湖、赛里木湖沉积物中较高的δ13C和2C17/(C23+C25)表明浮游藻类有一定的增加,网湖沉积物中2C17/(C23+C25)变化较小,表明大型水生植物仍然在内源有机质中占优势。δ13C和正构烷烃参数反映了不同湖泊环境变化存在差异。第二阶段,网湖自1980s以来,博斯腾湖、赛里木湖、乌梁素海自1990s以来,是近200年来人类活动最频繁的时期,湖泊水体营养水平继续快速升高,乌梁素海和博斯腾湖出现较为明显的富营养化现象,藻类植物大量繁殖,网湖环境也出现明显变化,主要体现在HMW PAHs、TOC、TN、TP的高含量和2C17/(C23+C25)的高比值。  3.不同气候区湖泊沉积记录了湖泊环境响应流域不同人类活动作用的区域差异。空间上,东部湿润区网湖沉积物中PAHs含量高,尤其是较高的HMWPAHs含量,表明湿润区湖泊受城市化和工业化的影响明显高于西北干旱半干旱区地区湖泊。另外,网湖和乌梁素海沉积物中高含量的OCPs表明半干旱区的河套地区乌梁素海也受明显农业活动影响。不同区域湖泊环境响应人类活动方式也存在明显差异,沉积物正构烷烃和有机质δ13C记录表明,乌梁素海沉积物正构烷烃中链组分向短链变化,δ13C值也出现同步变化,表明湖泊环境发生变化;赛里木湖沉积物长链正构烷烃占优势,δ13C值变化不明显且较集中,湖泊环境受外源有机质影响较大,浮游藻类和大型水生植物相对含量稳定;博斯腾湖沉积物正构烷烃中链组分为主,有向短链浮游藻类的变化趋势,δ13C值变化较明显。时间变化差异方面,湖泊沉积记录表明,东部湿润区网湖人类活动对湖泊环境明显影响出现在大约1950s,而干旱-半干旱区博斯腾湖、赛里木湖、乌梁素海则大约在1960s。  通过综合TOC、TN、TP、δ13C、OCPs、PAHs、重金属、正构烷烃序列等不同沉积环境代用指标序列,结合流域社会经济指标和气候数据,分析了不同气候区湖泊近百年来的环境演变规律及其原因。结果表明,不同气候区湖泊环境变化受自然和人类活动的共同驱动,但不同类型湖泊受所处自然条件及人类活动影响强度和方式差异明显,湖泊环境的响应特征存在明显不同,而湖泊沉积较好地记录了此种变化。总体上,不同气候区湖泊在20世纪50、60年代之前以自然作用对湖泊环境的影响为主;20世纪50、60年代之后,湖泊沉积记录和器测资料都显示人类活动对湖泊影响的加强;从上世纪80、90年代开始,随着人类活动方式、强度的变化,湖泊生态环境出现明显转变。近年来,人类活动对湖泊的影响已经大大超过自然作用对湖泊的影响,成为影响湖泊环境的丰导因素。
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