2.1　洞庭湖平原湖泊

2.1.1　洞庭湖

洞庭湖为中国第二大淡水湖，水位33.5 m时（岳阳站，黄海基面），面积可达2625 km2，古称云梦、九江和重湖（窦鸿身、姜加虎，2000; Du et al.，2001）。洞庭湖位于长江中游荆江南岸，跨岳阳、汨罗、湘阴、望城、益阳、沅江、汉寿、常德、津市、安乡和南县等县市。洞庭湖是长江流域也是全国湖泊水位涨落变幅最大的一个湖泊，每年4月从四水桃汛开始，水位逐渐上涨，6、7月间水位稍有回落，7月后长江开始洪汛，四口入湖水量增加，8、9月间水位达峰值，10月后水位下降，至翌年3、4月间达最低值（Du et al.，2001）。洞庭湖由于面积较大，水位受到长江影响存在季节性波动特征，因此湖区内零星分布着许多小型湖泊。洞庭湖的主要水体由七里湖、目平湖、南洞庭湖、东洞庭湖4部分组成。但最近一个世纪，洞庭湖面积不断缩小，据湖南省水利水电厅《洞庭湖水文气象统计分析》（1989），自1949年到1978年，洞庭湖面积从4350 km2减少到2691 km2（Du et al.，2001）（表2-1）。近年来，随着社会经济的发展，人类活动对湖泊干预增强，在全球变暖的背景下，洞庭湖生态系统生态退化更加显著（Li et al.，2013）。

表2-1　洞庭湖面积演变（引自Du et al.，2001）

（1）洞庭湖沉积速率变化

湖泊沉积物包含着丰富的水体演化过程中物理、化学和生物等信息，常被作为一种重要的地质载体应用于区域古环境重建中，并逐渐形成一门重要的交叉学科——古湖沼学（张恩楼等，2016）。因此对湖泊沉积物的研究有利于掌握湖泊演化的历史信息，这就需要研究者掌握精确的湖泊沉积物的年代信息。沉积速率是反映了在某一段时间范围内湖泊中携带着大量环境信息的泥沙等物质的沉积厚度的指标，其能综合体现湖泊内物质沉积过程的特征。

前人对洞庭湖沉积物年代学进行了研究并取得了较为丰硕的成果。Du等（2001）从东洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖钻取了22个长度在31 cm 到126 cm不等的岩芯，从中选取了7根样柱，按照2 cm间隔在野外进行分样后带回实验室分别进行了210Pb和226Ra分析。所有岩芯的210Pb分析结果均表明，随着钻孔深度的增加，210Pb含量随之下降。东洞庭湖的四根岩芯（E19，E24，E8和D1）的210Pb活度存在小幅波动但均呈现逐渐减少的趋势，表层3～4 cm下降较缓，降速小于2 dpm/g; 但在40～60 cm深度处，下降速度增加。四个钻孔沉积物的沉积速率分别为1.92 cm/yr（E19），1.50 cm/yr（D1），1.18 cm/yr（E8）和0.86 cm/yr（E24）（表2-2）。西洞庭湖（M1）和南洞庭湖（M4）的两个钻孔210Pb含量随钻孔深度下降存在较为显著的差别，因此计算出的沉积速率也存在较大差异，西洞庭湖（M1）沉积速率为2.33 cm/yr, 而南洞庭湖（M4）的沉积速率仅为0.77 cm/yr。最后一个钻孔E3位于长江入湖口的位置，210Pb含量在表层前5 cm下降速度为4 dpm/g, 之后的降速仅为1 dpm/g, 并且由于采样的分辨率太低而未能获得沉积速率。东洞庭湖的沉积速率偏高，作者认为这与瓯池河道的历史迁移有关。而西洞庭湖较高的沉积速率（2.33 cm/yr）则与洞庭湖西部和南部流域扩张的土壤侵蚀密切相关。E3表层过高的放射性含量则与粒度特征有关。总体而言，受到洞庭湖周边河川径流的影响，洞庭湖的沉积速率存在显著的空间差异性。

表2-2　基于210Pb推算的洞庭湖7个钻孔沉积物沉积速率（引自Du et al.，2001）

（2）洞庭湖沉积地球化学特征

沉积物记录着大量地质、气候和环境等信息，基于对沉积物地球化学指标包括元素、有机质含量等的分析有助于探究洞庭湖沉积物的地球化学元素分布与迁移特征，揭示洞庭湖环境演化的规律，甚至追踪湖区污染物的来源等，对洞庭湖环境问题的治理具有重要意义。

元素地球化学特征

湖泊沉积物的元素地球化学特征是湖泊流域及湖泊内部元素地球化学循环的真实反映，元素主要来源于湖泊流域，其组成成分的变化直接反映了元素物源的特征，并记录了区域化学风化作用和环境变化的历史。近年来，由于受到人类活动的影响，例如矿藏的开采，湖泊流域内元素的组合分布特征及丰度发生了较大的变化，金属元素在湖泊沉积物中不断发生迁移富集。重金属元素的富集还会对周围生态环境产生危害，进而影响人类的生存健康。因此对湖泊沉积物元素地球化学特征的分析，可以较为准确地揭示人类活动对湖泊环境的影响。此外，元素的分布、迁移和富集的规律还受到气候变化例如降雨、温度等因素的共同影响，因此对沉积物中地球化学元素的研究还有助于间接揭示气候变化的特征，因而地球化学指标常被用作古气候重建的代用指标。

洞庭湖的重金属污染问题目前较为突出，这与洞庭湖周边区域分布着大量金属矿藏有着密切关联（金相灿，1995）。湖南被称为中国“有色金属之乡”，在洞庭湖平原湖群上游分布着许多大型采矿、冶金、建材等工程企业，因此造成大量含铬粉尘、废水及固体废物直接或间接排入洞庭湖中（陈瑞生等，1987; 雷鸣等，2008）。2005年的湘江流域，更是出现了As和Cd重金属突发性污染事件（湘水政，2006）。姚志刚、鲍征宇、高璞（2006）于2004年洞庭湖枯水期采集湖底沉积物样品，进行了Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Ni、As和 Hg 等8 种元素分析，结果表明8种元素均有较高程度的显著富集，尤其Cd和Hg, 严重超过国家土壤环境质量标准。对其评价的结果表明，东洞庭湖的污染最为严重，尤其是洞庭湖唯一出口城陵矶8种重金属含量最高。此外，其他有关洞庭湖重金属的研究也有相似的结论，例如祝云龙等（2008）采集的东洞庭湖样品的重金属分析表明，Cd、Pb、Hg、As的含量过高，重金属污染严重。万群等（2011）对东洞庭湖沉积物重金属的研究也同样表明，Cd和Hg的含量最高，尤其是湘江和长江出湖口地区重金属污染最为严重。Li等（2013）在洞庭湖全湖采集沉积物样品并分析其重金属含量，结果表明，As和Cd偏高，Zn、Pb、Cd和As主要来源于岳阳市和湘江的矿业废水和工业废水，Cr和Cu主要来源于天然侵蚀和非点源农业，Hg的来源则两方面均有。

由于洞庭湖受到长江、湘江等河流的影响较大，因此洞庭湖沉积物的来源多样。地球化学元素也用于指示沉积物物源特征。魏军才等（2010）在洞庭湖区湘江下游尾闾区、澧水下游的澧阳平原、以长江分洪河道物源为主的安乡冲积湖区、东洞庭湖西南和西北部各采集一根柱样，分析其地球化学元素组成特征，包括常量元素、微量元素及TOC等指标，结果表明：长江物源沉积物中富集Fe、Na、Ca、Mg、Sc、V、Cr、Ni、Cu、Sr、Mn和F等元素，并且CaO/MgO、Cr/Th、Ca/Cd、Ti/Si和TC/N比值较高，但TOC含量偏低; 四水物源沉积富集Si、Li、Se、Cd、Ce和Th等元素，K/Na比值和TOC含量偏高。长江和四水携带入湖的泥沙是洞庭湖区沉积物最主要的物质来源，以长江物源沉积作用为主的湖区东部、长江分流区沉积物和以湘江、澧水物源沉积物为代表的四水物源沉积物差别明显，长江物源对湖区沉积物影响最大，湖区表层沉积物主要来自长江携带的大量物质。

有机地球化学特征

沉积物有机地球化学方法包括有机标志化合物的组成、色素组成以及持久性有机污染物等，在揭示湖泊沉积物中有机质和污染物的来源、湖泊环境的变化以及区域环境等领域中，有机地球化学指标应用十分广泛。

2004年9月，Gao等（2008）等在洞庭湖全湖选择8个位于全国或省重点监测区的剖面上采集沉积物样品，对对多氯代二苯并-对-二英和二苯并呋喃（PCDD/Fs）含量等指标进行了分析（表2-3）。

表2-3　洞庭湖有机地球化学样品采集点位

分析的结果表明，洞庭湖收集的沉积物中2位、3位、7位、8位被氯原子取代的PCDD/Fs的异构体含量分布范围在135～5329 pg·g-1之间，平均含量为2218 pg·g-1。浓度最高的PCDD/Fs分布在南洞庭湖湘江附近S1号点，点位S5浓度最低的PCDD/Fs值仅达到135 pg·g-1，主要分布在西洞庭湖北部河流入湖口出。沉积物研究中测定的PCDD/Fs的水平与1995年研究结果相比显著偏低。Gao 等（2008）认为PCDD/Fs下降的原因与三个因素有关：① 自1995年来，洞庭湖PCP-Na被禁止使用，除了一些库存PCP-Na仍在使用；② 洪水稀释效应造成PCDD/Fs含量下降，洞庭湖接收了来自长江、湘江等河的水流和泥沙，并且在1996年、1998年和2002年间发生了三次严重洪灾，洪水很可能稀释了沉积物中的PCDD/Fs浓度；③ 生物降解效果，尽管自1995年来PCDD/Fs浓度大幅度下降，但PCDDs的含量依然均超过EPA沉积物质量标准，这表明洞庭湖区域的沉积物依然处于被污染的状态中。

Li等（2016）采集了洞庭湖全湖16个点位的表层沉积物样品，并分析溶解有机碳（DOC）、氮（N）、磷（P）以及生物标志化合物等指标，评估溶解有机质（DOM）的含量，研究结果表明，洞庭湖沉积物中DOC含量在60.004～368.286 mg·kg-1之间，呈现东洞庭湖DOC含量大于南洞庭湖大于西洞庭湖的空间分布特征（图2-1）。沉积物中的DOM主要由腐殖质类物质组成，东洞庭湖比南洞庭湖和西洞庭湖地区分别高出4.1%和6.4%；沉积物中DOM的腐殖化程度较高，芳香环中的取代基主要为羰基、羧基、羟基和酯；洞庭湖沉积物中DOM的来源主要受到陆地输入和生物代谢的显著影响。

洞庭湖沉积物中DOM的激发-发射矩阵（EEM谱）主要由腐殖质类物质、可溶性微生物产物和简单芳香族蛋白质组成。此外，洞庭湖沉积物中DOM的组成和结构特征与沉积物中N、P含量和水质密切相关，特别是腐殖质类物质与蛋白质类物质（P（III＋V, n）/P（I＋II, n））的比值间接指示了水质优劣。

（3）洞庭湖沉积环境演化

湖泊沉积环境的演化受到地质构造运动和区域环境变化尤其是全球气候变化的共同制约，洞庭湖在第四纪以来经历了数次较大规模的变迁过程（杨达源，1986）。在早更新世早期，洞庭湖所在区域形成了若干断陷盆地，此时的沉积环境主要为封闭型湖泊；到了早更新世晚期，洞庭盆地由小型逐步变成大型盆地，并呈现构造沉降空间分布不均匀的特征，具体表现为盆地中部沉积厚度最小，西部沉积厚度稍大，而东部沉积厚度最大的特征，这表明构造沉降控制着当时的沉积环境：构造沉降较弱的洞庭湖盆地西部形成过流型湖泊，而构造沉降较强的东部则形成较为封闭的湖盆；到了中更新世，洞庭盆地进一步扩大，水流强度增强，并且已有河流发育，表现为西部为河湖相沉积环境，东部为过流型湖泊沉积环境，盆地北部还分布一些静水湖泊；晚更新世时，洞庭盆地开始由断陷转为坳陷，沉积环境主要是较为封闭的浅水湖泊，呈现网状切割平原景观；全新世以来，洞庭盆地继续坳陷沉降，断裂对沉积厚度不再起控制作用，随着气候转暖，海平面上升，早全新世沉积环境以河流相沉积环境为主，仅在现今东洞庭湖一带存在小范围的过流型湖泊；中全新世时，沉积环境以河流泛滥平原沉积环境为主；晚全新世时期，人类活动对沉积环境的影响增强，沉积范围扩大，其沉积环境表现为湖泊相与河流相交替的特征；近代以来，随着人口增加，人类活动日益增强，围湖造田等活动不断促使洞庭湖面积缩小，到了1949年，洞庭湖湖域面积缩减为4350 km2，到了1983年，洞庭湖面积进一步缩减为2691 km2并伴随着湖泊水位普遍抬升的现象出现（皮建高等，2001）。

此外，其他研究也揭示了晚更新世末到全新世初期，洞庭湖湖区广泛发育砂砾石层，黄褐色、灰黄色黏土质粉砂层以及含铁锰结核、呈黄色与灰白色的黏土、粉砂质黏土层（周国琪、成铁生、赵守勤，1984）。张晓阳、蔡述明、孙顺才（1994）也曾基于洞庭湖沉积物岩性、岩相特征和文化遗址分布，揭示了洞庭湖全新世以来的沉积环境演变特征，认为洞庭湖演变经历了晚更新世末至全新世初的河湖切割平原环境、全新世早中期的湖泊扩展时期、全新世晚期的四水复合三角洲发育与湖沼洼地零星分布时期、商周至秦汉四水分流间洼地湖泊和沼泽广布期、魏晋至19世纪中叶洞庭湖发展的鼎盛期和19世纪中叶至今的三角洲迅速推进并且湖泊逐渐萎缩期等六大阶段。

人类活动对洞庭湖萎缩与扩张的影响尤为值得注意，尤其是进入全新世暖期以来，洞庭湖区内人类活动出现频繁，新石器时代彭头山文化（9000～7900 a BP）、皂市文化（7900～6800 a BP）、大溪文化时期（6800～5500 a BP）、屈家岭文化时期（5500～5000 a BP）、石家河文化（5000～4000 a BP）和龙山文化时期（14C测年约为（3950±120）a BP）相继出现，人类文化活动遗址不断向湖中推进，湖泊三角洲有所发展，湖面则不断缩小（杜耘、殷鸿福，2003; Liu et al.，2012）。