自“人类世” (anthoropocene) 提出以来, 人类活动的环境效应研究已成为当代地球表层系统科学研究的重要内容之一(Crutzen and Stoermer, 2000; 刘东生, 2004, 2006; 陈之荣, 2006). 湖泊沉积物能够记录人类和自然作用的信息, 蕴含丰富的物理、化学、生物信息, 利用湖泊沉积物重建人类活动的影响研究显得尤为重要(张振克等, 2000; 羊向东等, 2001), 长江中游地区拥有独特而丰富的浅水型湖泊资源(刘建康和黄祥飞, 1997; 王苏民和窦鸿身, 1998), 近百年来在人类活动的强烈冲击下湖泊生态系统从面积、数量、群落结构、生物多样性、营养状态等方面正在发生深刻的变化(蔡述明和周新宇, 1996; 杨汉东和蔡述明, 1997), 研究人类活动影响背景下的湖泊生态演化, 尤其是从沉积物中发掘生态环境信息来重建过去缺少监测记录下的湖泊生态的原始特征具有重要意义.

梁子湖位于武汉市东南部, 又名樊湖, 古称鄂渚, 横跨鄂州、武昌, 为湖北省第二大淡水湖, 是距长江南岸不远的洼地湖. 作为武昌鱼的原产地、母亲湖, 以水质优良、生物多样性丰富而成为长江中游地区典型的湿地景观之一, 已列入《中国湿地保护行动计划》, 但近代以来由于人类活动的增强, 湖区自然生态环境受到了严重干扰, 湖泊面积快速减少, 泥沙淤积明显, 近期监测报告表明, 梁子湖现有水面已有三分之一不能直接饮用, 整体呈中营养状态, 梁子湖水体和表层沉积物营养元素氮的含量、分布和迁移转化、湖泊的营养状况对生产力有着重大影响(熊汉锋等, 2005), 环境地球化学研究表明近代梁子湖重金属沉积与人类活动产生的重大环境污染事件相关(盛继超等, 2004), 水生植被和湿地生物多样性调查证实近期梁子湖水生生物发生了巨大变化(王卫民等, 1994; 金刚, 1999; 葛继稳等, 2003, 2004). 有人报道如何从沉积物水生生物遗存和色素记录来评价过去缺少监测记录下的人类活动对湖泊生态系统的影响. 为了研究人类活动背景下的湖泊生态响应过程和机制、更好的认识历史时期以来人类活动对湖泊生态的影响过程, 分析人类活动和富营养化发生对湖泊生态系统的影响, 本文通过梁子湖沉积物水生生物遗存和色素分析重建了梁子湖地区过去100多年来湖泊生态系统的演化过程, 发现湖泊沉积记录的环境演化阶段对历史时期重大人类活动事件具有良好的响应性.

1.   样品采集与处理

自2002年11月-2003年4月于东梁子湖中心(30°14′30″N, 114°31′12″E) 利用仿瑞典重力取样器采取了41 cm湖泊表层沉积物, 分别为沉积、水生生物遗存和色素样品, 各种样品野外现场按1 cm间隔分样, 塑料袋密封(图 1).

图  1  梁子湖采样示意图

Fig.  1.  Shetch map showing core site in the Liangzi Lake

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1.1   钻孔沉积物岩性

根据沉积物的岩性和颜色自上而下分为4层, 主要特征为: 0~2 cm, 黄色絮状沉淀物; 2~22 cm, 青灰色富含植物碎片淤泥; 22~27 cm, 青灰色淤泥, 含少量植物茎叶碎片; 27~41 cm, 浅灰色淤泥, 含少量植物根茎.

1.2   相关测试与处理方法

1.2.1   ²¹⁰Pb测试

采样点水深4.2 m, 运用重力采样器获取²¹⁰Pb样品岩芯40 cm, 40 ℃恒温烘干后再称干重, 随后研磨至60目左右供测试, ²¹⁰Pb样品测试在华东师范大学河口海岸国家重点实验室用EG & G Ortec公司生产高纯锗低本底γ能谱分析测定, 测年采用的是γ能谱法, 主要步骤参照Appleby et al. (1986), 具体方法为按一定间隔挑选研磨的样品, 每个样品称取3 g左右, 装入直径为1 cm的圆柱状样品管中, 装样高度为4 cm, 蜡封3周后用γ射仪进行测量, 利用46.5 keV、351.9 keV特征峰作为总²¹⁰Pb和补偿²¹⁰Pb的比活度计算, 二者差值即为过剩²¹⁰Pb比活度.

1.2.2   色素提取

本实验采用Swain (1985)和瞿文川等(2000)的方法, 首先称取新鲜沉积物样品约5 g自然风干, 测定含水量. 粗磨后称取约10 g, 进行样品烧失量(有机质) 含量分析. 再称取新鲜沉积物样品约10 g置于塑料离心管中. 加入90%丙酮20~30 ml, 放置8~10 h后, 在5 000 v/min速度下离心2~3 min过首先取6克样品于50 mL离心管, 加30 mL 90%丙酮, 摇匀, 静置8~10 h, 以3 000 r/min离心10~15 min, 将清液过滤至100 mL容量瓶, 再加30 mL 90%丙酮至离心管, 反复提取3次, 将提取液移到容量瓶, 最后以90%丙酮定容. 取上述提取液10 mL, 用紫外可见分光光度计在一定的波长范围进行扫描, 分别测定叶绿素(CD)、总胡萝卜素(TC)、颤藻蓝素(Osc) 和蓝藻叶黄素(Myx).

1.2.3   水生生物遗存提取与鉴定

首先, 将相同体积(26 cm³) 的沉积物样品共计41块经过160目铜筛水洗, 自然晾干后于双目实体显微镜下挑选, 获得一些水生高等植物(如眼子菜科角果藻Zannich-elliasp.、龙胆科荇菜Nymphoides peltatum、茨藻科奥古茨藻(Najas oguraensis) 繁殖器官(果实或种子)、枝角类(如多刺裸腹溞Monia macrocopa) 的卵鞍、腹足类(纹沼螺Parafossarulus striatulus) 的口盖、双壳类(如黄蚬Corbicula fluminea) 的贝壳、有壳变形虫(如表壳虫Arcella sp.) 和介形虫类(如粗糙土星介Ilyocypris salebrosa、锯齿玻璃介Candona holzkampfi、小玻璃介未定种Candoniella sp.、纹边柔星介Cyprois marginata) 的介壳等多门类动植物遗存, 水生植物、水生无脊椎动物的计数单位均为颗粒/26 cm³, 具体鉴定参考陈受忠(1956)、王惠基(1965)、刘月英等(1979)、王宁珠等(1980), 黄成彦等(1996)和禹娜等(2005).

2.   ²¹⁰Pb结果与沉积计年

补偿²¹⁰Pb比活度为28.10~43.61 Bq/kg, 总²¹⁰Pb比活度变化于44.4~327.87 Bq/kg, 过剩²¹⁰Pb比活度介于6.79~284.81 Bq/kg, 表层过剩²¹⁰Pb比活度的降低可能与沉积物表层混合作用及²²²Rn的丢失有关(万国江, 1997) (表 1). 采用恒定补给速率(CRS) 模式计算出该段沉积物平均沉积速率为3.5 mm/a, 按此推算41 cm深度年代为1885年左右, 整个柱样反映了过去100多年来的沉积记录.从计算的沉积速率和²¹⁰Pb活度随深度分布情况可以发现早期的(41~15 cm段) 湖泊平均沉积速率 < 2.5 mm/a, 但自20世纪80年代以来(15~0 cm) 梁子湖沉积速率呈较快的上升趋势(图 2), 平均沉积速率大于4.0 mm/a, 梁子湖地区湖泊沉积速率的上升与湖周边人口的快速增加、农业开垦带来的水土流失有着密切的关系.

表  1  LD柱样²¹⁰Pb比活度和年龄垂向分布

Table  Supplementary Table   Vertical distribution of²¹⁰Pb activities and ages in core LD

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图  2  LD孔沉积物²¹⁰Pb活度随深度分布

Fig.  2.  Vertical distribution of ²¹⁰Pb activities in core LD

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3.   沉积物色素、水生生物遗存与湖泊生态演化

3.1   沉积物色素组成、水生生物遗存及其研究意义

本文初步尝试运用色素组成和水生生物遗存组合联合分析湖泊生态演化取得了较好的成果, 表明该方法在古生态研究中的潜力.

叶绿素及其衍生物(CD) 和总类胡萝卜素(TC) 的含量可表示湖泊初始生产力水平. 蓝藻叶黄素(Myx) 指示浮游生物中蓝藻科的含量, 为浮游生物中占主导地位的蓝藻提供重要的沉积依据; 颤藻黄素(Osc) 仅存在于颤藻科的二个属(Oscillaria和Arthrospira) 中, 而Oscillaria被认为是湖泊富营养化状况的指标, 可以揭示湖泊富营养状况的时序. 此外, Osc的浓度升高与人为富营养化作用共存, 它又被作为判定人类活动强度与开始时间的重要依据之一(瞿文川等, 2000). 本次研究测得各色素的含量随深度的变化情况如下: 叶绿素(CD) 含量介于0.1~0.476 μg·g^-1、总胡萝卜素(TC) 含量介于0.1~0.422 μg·g^-1、颤藻黄素(Osc) 含量介于35.98~369.4 μg·g^-1、叶黄素(Myx) 含量介于2.269~31.01 μg·g^-1, 各色素组成由早至晚呈上升趋势(图 3).

图  3  梁子湖钻孔沉积物水生生物遗存、色素分布与环境变化

Fig.  3.  Hydrobiological remains and pigments distribution and indication for environmental changes in core sediments

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现代湖泊富营养化研究表明随着水体营养水平的不断提高, 水生植物和浮游植物发生响应, 种类组成和群落结构发生变化, 江汉湖群许多浅水湖泊水生植被的优势种沉水植物衰退与浮游植物大量繁殖、数量增加、水质恶化、透明度下降和富营养化水体水下光照不足等有关(严国安等, 1997; 邱东茹等, 1997; 邱东茹和吴振斌, 1998), 同时小型浮游动物如原生动物数量的增加十分明显(刘建康和黄祥飞, 1997). 如何运用“将今论古”的原理来认识人类活动背景下的过去湖泊生态演化过程?本次研究初步发现沉积物中保存了丰富的水生生物遗存, 可见水生高等植物如角果藻、奥古茨藻、荇菜等, 表壳虫、腹足类纹沼螺和枝角类多刺裸腹溞及介形虫类等均较发育, 通过统计分析和组合带的研究发现水生生物演化具有明显的阶段性, 与色素的组合带具有很好的耦合性(图 3).

3.2   湖泊环境演化与人类活动分析

依据各色素指标、水生生物遗存于剖面上变化特征和人类活动的阶段性将研究区湖泊生态演化由早到晚分为5个阶段(图 3) :

Ⅴ阶段: 41~35 cm (1885-1902 A.D.), 湖泊水生生物发育, 本阶段各色素水平均低, 湖泊初级生产力水平低, 为水生生物繁盛阶段, 沉水植物出现了角果藻Zannichellia sp.、奥古茨藻Najas oguraensis、荇菜Nymphoides peltatum等, 含量大于10颗/26 cm³, 原生动物表壳虫Arcella sp.、腹足类纹沼螺Parafossarulus striatulus等含量均大于5颗/26 cm³, 表明当时水体环境优良, 湖泊生态系统稳定, 生物多样性丰富, 历史文献《武昌县志》载“县境所隶, 水居其七, 山二, 土田一耳”反映当时人类活动较弱, 农业耕作活动对湖泊生态影响较小.

Ⅳ阶段: 35~18 cm (1902-1964 A.D.), 与Ⅴ阶段相比, 湖泊水生生物含量开始降低, 本阶段各色素水平均低, 说明湖泊初级生产力水平低, 总体处于轻度富营养化, 但26 cm (1948 A.D.) 处CD、TC、Osc和Myx有上升过程, 反映了一次水体中度富营养化过程, 可能与当时较强的人类农业活动有关. 本阶段水生高等生物含量呈不断减少的趋势反映了湖泊生态系统的变化, 这些与梁子湖区自晚清以来人类开发活动的增强有关, 如民国14年(1925年) 樊口闸建成后招募外地人垦殖(武昌县志编纂委员会, 1989), 从此江湖隔断、围湖造田愈演愈烈, 研究区土地变化成“二山、五水、三分田” (鄂州地方编纂委员会, 2000), 尤其是20世纪中叶以来鸭儿湖农场、柯秩南农场建设带来的营养物质的输入和以武汉钢铁公司为代表的武汉地区现代工业活动产生的金属沉积对湖泊生态结构的转变产生了重要的影响(盛继超等, 2004).

Ⅲ阶段: 18~11 cm (1964-1988 A.D.), 此阶段水生高等植物含量快速降低, 各色素水平开始较快的上升, 总体处于中度富营养化, 尤其是指示富营养化的Osc指标上升较高, 反映该阶段湖泊初级生产力水平较Ⅳ阶段明显上升, 且于11~15 cm处过剩²¹⁰Pb沉积通量出现明显增大, 显示大量陆源物质输入, 沉积速率加快, 水体开始发生中度富营养化, 沉积记录的湖泊生态的变化反应了湖区人类活动的增强, 上世纪60年代后, 由于“以粮为纲”的影响, 湖区围湖造田、毁林开荒、化肥、农药大量使用等严重破坏了生态环境, 特别是1966-1979年大规模的围垦使梁子湖区面积急剧缩小, 由500 km² (20世纪50年代) 变为256.32 km² (1979 A.D.) (金伯欣, 1992), 湖区大规模的农业活动带来的水土流失、营养物质输入不仅导致湖泊沉积速率加快、水体富营养化, 而且梁子湖周边的葛店化工厂、武汉化工厂、建汉化工厂等直接将废水排入鸭儿湖, 直接导致上述部分高等水生生物的消失, 直至1978年鸭儿湖三级处理场建成后才有所改善(湖北省地方编纂委员会, 1990), 本次研究结果发现该时期湖区大规模的工、农业活动直接破坏了湖区生态环境.

Ⅱ阶段: 11~6 cm (1988-1998 A.D.), 各色素水平均达最高含量水平, 总体处于富营养化, 水生生物不甚发育, 由于本次沉积物分析量较小, 故末发现生物遗存, 同时说明该阶段湖泊水体环境恶化, 不利于水生生物(如沉水类、浮叶类、腹足类等对水体污染敏感的类型) 生存, 水体环境的变化直接受控于湖区重大人类活动事件如农业大量施用化肥带来的营养物质输入、植被破坏带来的水土流失、湖周边化工厂污水排放、金牛港上游矿山开挖废水的排放等.

Ⅰ阶段: 6~0 cm (1998-2003 A.D.), 由于20世纪80年代以来梁子湖湿地自然保护区进行大力度的生态环境保护, 加之1998年长江流域发生的特大洪水对湖水具有稀释作用, 各色素水平较Ⅱ阶段降低, 但指示富营养化的Osc指标仍较高, 总体情况同Ⅲ阶段, 总体仍处于中度富营养化. 该阶段沉积记录表明禁止围垦对水体富营养化减轻具有贡献, 但耐污染的介形类的出现和快速的金属沉积似乎说明近期梁子湖区生态环境危害因素依然存在, 湖区工业的大发展, 给梁子湖带来了另一不容忽视的问题, 工业排污、排费仍对湖泊生态产生不良影响.

4.   结论

利用湖泊沉积物水生生物遗存、色素和历史记录来评价人类活动对湖泊生态系统的影响、认识缺少监测记录下的湖泊生态演化过程具有重要的意义. 近代湖泊沉积和历史记录表明梁子湖地区自晚清以来由于持续增强的人类活动, 湖泊遭到空前的蚕食, 建国后达到顶峰, 湖泊面积严重萎缩, 直至1980年才得到控制. 围垦活动破坏了原有的湿地景观, 给湖区生态环境带来了巨大的影响, 如农业大量使用化肥带来的水体营养度提高、湖周边毁林开荒带来的泥沙淤积等, 加之建国后的工业大发展也给梁子湖区带来了不容忽视的问题, 大规模化工、采矿冶炼等活动产生的污染物直接影响了湖泊水生态系统, 本文的研究证实湖泊生态环境演化对湖区重大人类活动事件具有敏感性和响应性, 随着人类活动的增强及对湖泊生态的持续干扰, 湖泊环境演化呈现明显的阶段性. 研究人类活动背景下的湖泊生态响应过程和机制、更好的认识历史时期以来人类活动对湖泊生态的影响过程, 分析人类活动和富营养化的发生对湖泊生态系统的影响, 对于认识环境演化与人类活动的关系、保护和整治湖泊环境具有现实指导意义.