表1 九寨沟世界自然遗产地两个湖泊的基本参数
Table 1 Basic parameters of the lakes in Jiuzhaigou World Natural Heritage Site
湖泊海拔/m长度/m宽度/m深度/m受地震影响程度 犀牛海2301200022517较弱 箭竹海26291184144～2685～10较强
北京大学学报(自然科学版) 第59卷 第6期 2023年11月
Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 59, No. 6 (Nov. 2023)
doi: 10.13209/j.0479-8023.2023.068
九寨沟风景名胜区管理局“九寨沟世界自然遗产地植被演替与景观生态环境保护”项目(5132202020000046)资助
收稿日期: 2022‒11‒07;
修回日期: 2023‒01‒08
摘要 选择“8.8”大地震后(2020 年 6 月)震损物源输入程度有差异的箭竹海和犀牛海, 基于同位素定年法分析湖泊沉积速率, 通过分析沉积物环境指标的垂直变化特征及其与自然灾害和人类活动的关系, 阐明影响九寨沟湖泊沉积的长期因素和短期因素。结果表明, 从 1900 年左右至 2020 年, 箭竹海和犀牛海的沉积速率分别约为 0.32 和 0.44cm/a。环境指标(粒度组成、总碳、总氮、总磷和碳酸盐含量)在沉积物表层(0～10cm)的垂直分布特征表现为 210Pbex 比活度显著增加, 沉积物粒径偏大, 总碳、总氮和碳酸钙富集, 且垂直变动剧烈。同时, 受震损物源影响明显的箭竹海表层沉积物扰动深度更大。研究结果揭示, “8.8”大地震导致的地灾松散物源大量入湖, 短期内迅速加剧湖泊泥沙淤积, 其深层垂直分布特征记录了森林砍伐、不合理排放以及环境保护等人类活动对湖泊沉积长期缓慢的影响。
关键词 世界自然遗产地; 九寨沟; 湖泊沉积速率; 地灾影响; 人类活动
世界遗产是属于全人类的无价的不可替代的资产, 具有“突出的普遍价值(outstanding universal va-lue, OUV)”, 值得特别保护[1]。截至 2022 年 11 月, 全球共有 1154 处世界遗产[2], 其中只有 26 处是以最高标准(Ⅶ)列入的喀斯特类型自然遗产地[3]。九寨沟是这 26 处自然遗产地之一, 以高山湖泊群和瀑布等自然景观为特色, 具有极高的景观美学价值、生态保护价值和科学研究价值[2–3]。
受自然因素和人类活动的综合影响, 九寨沟的湖泊淤积风险正在加剧[4–6], 将威胁九寨沟自然保护区的可持续发展。受快速增长的旅游等人类活动影响, 九寨沟的环境已经发生巨大的变化, 如水中藻类增多、水体营养物质增加、湖泊沉积物增加以及钙华退化等[6–7]。同时, 九寨沟特殊的地质环境使其频繁遭受地震、滑坡、崩塌和泥石流等自然灾害[8–10]。最严重的当属 2017 年8 月 8 日, 距离九寨沟核心风景区 5km 处发生震源深度为 20km 的 7.0级地震(简称“8.8”大地震), 超过 175000 名游客和当地居民受影响, 73000 余座建筑物受损[10]。此次地震造成九寨沟 10.83km2 的区域内触发 5563 个同震灾害, 包括 5431 个滑坡和132 个泥石流, 体积总量分别高达 34.8×106 和 7.9×106m3 [11]。据估计, 此次地震及其次生灾害引发的震损松散物源高达 1.66 ×106m3, 其中熊猫海、箭竹海和五花海 500m 缓冲区范围内的震损物源量分别高达 41140, 15270 和4878m3 [12], 分别占相应湖泊容积的 2.29%, 1.64%和0.81%。可见, 地震灾害引发的松散物质剧烈迁移将大大加剧湖泊淤积的风险。震后湖泊沉积物中震损物源的沉积特征如何? 震损物源入湖对湖泊沉积速率的影响程度如何? 与人类活动的影响有何差异? 对于这些问题, 目前尚无明确的答案。
湖泊沉积物能有效地记录环境信息, 湖泊沉积物的天然放射性核素 210Pb (半衰期为 223 年)定年分析可为水体及流域环境年代学重建提供基础。通过沉积柱的年代分析, 结合环境指标的测定结果, 可以揭示湖泊沉积环境在人类活动或自然灾害下的变化规律[13–15]。利用震前九寨沟的湖泊沉积物能反映当地近百年的人类活动信息[16–17], 但对震后有地震物源输入记录的九寨沟湖泊沉积柱样的相关研究尚未见报道。
本研究选取九寨沟受震损物源输入影响有差异的两个湖泊——箭竹海和犀牛海为研究对象, 采集震后湖泊沉积柱样品(库尾处)。基于沉积柱样品210Pb 同位素浓度的垂直分布特征, 拟合曲线进行定年, 计算湖泊沉积速率。基于沉积柱样品的环境指标(粒度组成、总碳(TC)、总氮(TN)、总磷(TP)和碳酸盐含量)的垂直变化特征, 通过沉积速率推算不同深度对应的年代, 结合九寨沟历年大事件, 探明自然灾害和人类活动对湖泊沉积的长短期影响, 以期为九寨沟世界自然遗产地的湖泊减淤提供数据支持和科学指导。
九寨沟 1978 年和 1992 年先后被确立为国家级自然保护区和世界自然遗产地。九寨沟自然保护区地处四川省阿坝藏族羌族自治州九寨沟县的中南部(103°46′—104°05′E, 32°53′—33°20′N), 全区面积为720km2, 外围保护区面积为 600km2, 流域面积为651km2 [18]。九寨沟属于白水江流域, 处于四川盆地外围山地区域, 景区内树正、日则和则查洼 3 条沟构成“Y”字形地形[19]。九寨沟谷底的主要地貌类型是湖泊, 是在原有谷底的构造、流水和喀斯特地貌基础上[20], 加上气候、水动力、水化学和生物等因素的共同作用, 促使石灰华沉积和河道堰塞而形 成[21–22]。
九寨沟位于中国北亚热带秦巴湿润区与青藏高原波密‒川西湿润区的过渡地带[23], 在高原季风和亚热带海洋季风的影响下, 主要表现为寒冷干燥的季风气候特征[24]。诺日朗中心气象站(103°52.24′E, 33°9.84′N; 海拔 2365m)的气象资料表明, 九寨沟地区多年平均气温为 7.3℃, 1 月平均气温为−8.7℃, 7月平均气温为 16.8℃, 极端最低气温为−17℃, 极端最高气温为 32.6℃[25]。九寨沟地区年日照时间约为1800 小时, 大于 10℃的日均气温累积温度为 3000～ 3500℃。九寨沟多年平均降雨量为 760 mm[26], 降水集中在 4—10 月, 占全年降水量的 70%左右[27], 降水年变化率为 10%～15%。九寨沟年均相对湿度为 60%～70%。2000—2013 年间, 九寨沟年均风速为 0.5～1.2m/s, 风向以西北向和南南东向为主[19]。九寨沟植被覆盖率超过 80%, 其中森林覆盖率在65%左右[28], 主要分布温带和寒温带植物群落, 伴有少量亚热带植物。
2020 年 6 月, 根据九寨沟水系分布, 选取湖泊形态接近但受地震影响有差异的犀牛海(保护区内第二大湖泊)和箭竹海为研究对象, 两个湖泊的基本形态参数如表 1 所示, 环境特征如下。1)湖泊形态: 两者均为狭长形湖泊, 但面积有差异, 水流方向自南向北, 两侧分别为森林和公路。2)受地震影响程度: 从湖岸侧公路和人行栈道的损坏程度来看, 箭竹海的受灾程度明显高于犀牛海。箭竹海的公路几乎“瘫痪”, 山体震损物源量大; 犀牛海的公路侧山体虽然有不同程度的滑坡, 但路面受损程度好于箭竹海。同时, 箭竹海森林侧的栈道被损坏, 且有一处明显的长 50～100m的山体泥石流滑坡; 犀牛海的森林侧栈道受到影响很小, 可供行人正常游览。3)湖泊淤积与沼泽化空间分布特征: 两个湖泊都呈现入水口沼泽化程度更高的特征, 但犀牛海的综合指标稍高于箭竹海[5]。
用美国 AMS 公司的多级沉积物污泥采样器采集湖泊沉积物柱样, 采样位置如图 1 所示。在现场以 1cm 为间隔, 对沉积物柱样进行分割[16–17], 将分割后的样品装入样品袋, 密封, 编号, 即刻运回实验室, 冷冻干燥, 备用。
表1 九寨沟世界自然遗产地两个湖泊的基本参数
Table 1 Basic parameters of the lakes in Jiuzhaigou World Natural Heritage Site
湖泊海拔/m长度/m宽度/m深度/m受地震影响程度 犀牛海2301200022517较弱 箭竹海26291184144～2685～10较强
说明: 数据来自九寨沟景区网站(https://www.jiuzhai.com/)。
1)粒度测定: 采用激光粒度分析仪(Mastersize 3000, Malvern Panalytical Inc.)测定沉积物粒度。沉积物粒径分级标准[17]如下: 黏粒, <4μm; 粉粒, 4～63μm; 砂砾, >63μm。
2)总碳、总氮和总磷测定: 采用元素分析仪(Vario EL Ⅲ Elementar, Hanau Germany Inc.)测定沉积物样品中总碳和总氮含量, 采用碱熔‒钼锑抗分光光度法测定沉积物中总磷含量。
3)碳酸盐测定: 用气量法测定沉积物中碳酸盐含量[29], 即通过测定样品与酸反应后释放出的 CO2体积计算碳酸盐含量, 该方法在国内外被广泛采用。根据《土壤碳酸盐测定法》(GB 9835—88)读取样品与盐酸反应后排出气体的体积后, 以碳酸钙标准物质排出气体的体积为基准, 推算沉积物中碳酸盐含量。
4) 210Pb同位素定年: 将冷冻干燥、研磨并除去大粒径石块后的样品称重(土壤样品质量为 5～10g), 包装, 送中国科学院南京地理与湖泊研究所进行210Pb 同位素定年。使用伽马能谱仪(AMETEK-AMT ORTEC Co. GWL 系列的 HPGe(high-purity Germa-nium))检测沉积物样品的放射性元素 210Pb 和 226Ra。在测定日期之前, 每个样品都被磨碎后放在样品盒里, 待 10 天放射性平衡后再测定。活度衰减计数时间为 40000～80000 秒。210Pbex 由总 210Pb 活度减去测定的 226Ra 活度得到。
图1 采样位置
Fig. 1 Location of sampling points
210Pbex 放射性年代学的机理是将沉积速率与沉积物表面的 210Pbex 活度相联系, 在此基础上已发展出各种年代测定模型, 比如 CFS(constant flux supp-ly)模型(稳定输入通量‒稳定沉积物堆积速率模式)、CIC (constant initial concentration)模型(常量初始浓度模型, 或常量活度(CA)模型)和CRS (constant rate of supply)模型(恒定补给速率模型, 或恒定通量(CF)模型)[30–31]。本研究采用适用于有侵蚀来源的 CIC模型分析沉积速率[17,32], 当沉积物‒水界面上过量210Pb 的初始比活度为常值 C0 (Bq/kg)时, 则一定质量深度 Z′的沉积物中, 过量 210Pb 的比活度 C 与该层节的质量深度 Z′呈指数衰减关系, 即
C=C0 exp(−aZ ′),
a=λ/S,
沉积物中某一层节的年龄计算公式为
t=λ−1ln(C0 /C)=Z′/S,
式中, C 为沉积物不同层节中 210Pb 的比活度(Bq/kg); λ=0.03114 a−1, 为 210Pb 的放射性衰变常数; Z′为质量深度(g/cm2), 即某一深度 Z 以上沉积物的累计值, 由孔隙度校正得到; S 为沉积速率(cm/a)。
基于天然放射性核素 210Pb, 可以有效地了解湖泊沉积环境变化的过程[30]。图 2 显示, 箭竹海和犀牛海沉积柱样的 210Pbex 含量均随深度增加而减小, 但表层的变化趋势存在差异。受震损物源影响明显的箭竹海表层沉积物的 210Pbex 比活度更高, 扰动深度更大。箭竹海的 210Pbex 比活度在表层(0～3cm)呈增加趋势(从 75Bq/kg 增加至 135Bq/kg), 随后波动降低(图 2 中 17cm 深度处的高值除外); 犀牛海沉积物的 210Pbex 比活度整体上波动下降。箭竹海表层210Pbex 比活度出现增加趋势, 可能是 2017 年“8.8”大地震时大量震损物源入湖所致[12]。地震初始阶段, 最先滑落至湖泊的物源是山体表层的土壤, 210Pbex比活度相对较高; 后续余震及次生灾害导致入湖泊的物源是山体表层以下的土壤, 210Pbex 比活度较低。
图2 九寨沟湖泊沉积物中210Pbex的垂直分布
Fig. 2 Vertical distribution of 210Pbex in the sediments of Jiuzhaigou lakes
随着深度的变化, 箭竹海和犀牛海的 210Pbex 比活度都呈现较好的指数衰减关系。基于 CIC 模型, 箭竹海的拟合结果为 Z′=−12.49ln(C)+60.784(R2 =0.604, 柱样深度为 43cm), 犀牛海的拟合结果为 Z′=−14.18ln(C)+62.403(R2 =0.706, 柱样深度为 51 cm)。计算结果表明, 1900—2020 年期间, 箭竹海和犀牛海的平均沉积速率分别约为 0.32 和 0.44cm/a, 与早期的研究结果(1864—2008 年的平均沉积速率箭竹海约为 0.32cm/a, 犀牛海约为 0.56cm/a)[17]接近。考虑到震损物源输入的扰动深度, 2017—2020年箭竹海和犀牛海的平均沉积速率分别为 6cm/a 和4cm/a, 明显高于平均沉积速率, 说明震损物源输入显著地促进了湖泊沉积。
3.2.1粒度
粒度组成是表述碎屑类沉积物特征的重要指标之一, 可以利用粒度组成追溯沉积物形成的物质来源和沉积环境[33–34]。箭竹海的湖泊沉积物中占比最高的是砂砾(37.4%～59.7%, 均值为 48.7%), 尤其是表层沉积物; 犀牛海的湖泊沉积物中占比最高的是粉粒(30.0%～64.3%, 均值为 54.8%)(图 3)。两个湖泊的沉积物中, 占比最低的都是黏粒(均为 4%左右)。箭竹海沉积物的中值粒径(41.3～89.7μm, 均值为 64.4μm)略高于犀牛海(37.8～114.0μm, 均值为 54.7μm)。垂直方向上, 不同粒径占比的波动集中在表层(0～15cm), 且波动幅度表现为砂砾>粉粒>黏土。箭竹海沉积物的中值粒径在 0～7cm 深度最大(多在 80μm 以上), 7cm 以下深度呈逐渐减小趋势; 犀牛海沉积物的中值粒径呈先减小再逐渐稳定的变化趋势。
上述粒径分布特征说明两个湖泊的表层沉积物均受到“8.8”大地震导致的大颗粒松散物源输入影响, 且箭竹海受地灾物源输入的影响更大。
3.2.2总碳、总氮和总磷
湖泊沉积物中各种生物元素(碳、氮、磷等)是湖泊生产力综合评价的指标, 其浓度的变化不仅反映区域水‒热条件, 而且反映人类活动的方式和强度。碳与氮、磷的循环过程相互耦合, 碳是能量的来源, 氮和磷则是水生生态系统中重要的生物源元素[35]。
箭竹海湖泊沉积物中营养元素含量排序为 TC(9.9%～14.3%, 均值为 11.8%)>TN(0.14%～0.61%, 均值为 0.27%)>TP(0.025%～0.043%, 均值为 0.034%), 依次相差一个数量级(图 4)。随着深度增加, TP 和TC 含量相对稳定, TN 含量先增(0～6cm 深度, 从0.28%增至 0.61%)后减(6～12cm 深度, 降至 0.17%), 再趋于稳定(12cm以下深度, 稳定在 0.2%左右), 可能与地震引入外源物质入湖有关。由于生物固氮作用, 表层土壤的氮含量通常高于底层土壤, 表层0～12cm 深度出现先增后减的趋势, 可能是外源物质的影响。“8.8”大地震后, 0～6cm 深度的沉积物可能由山体震损物源贡献, 山体氮含量较高的表层土壤先于氮含量较低的较深层土壤进入湖泊, 因此氮含量在 0～6 深度呈现增加的趋势。
犀牛海湖泊沉积物中营养元素含量排序为 TC(6.9%～12.5%, 均值为 8.5%)>TN(0.11%～0.28%, 均值为 0.15%)>TP(0.023%～0.035%, 均值为 0.031%), 与箭竹海一致(图 4)。随着深度增加, TN 和 TC 含量先减小后稳定。与箭竹海不同的是, 犀牛海表层沉积物中 TN 和 TC 含量并未随深度增加而增加, 原因可能是犀牛海消纳的外源物质少, 受其影响小, 呈现湖泊沉积物正常的沉积特征。与箭竹海类似, 犀牛海沉积物 TP 含量相对稳定。
箭竹海湖泊沉积物中各营养元素的含量均高于犀牛海(图 4), 原因是箭竹海的湖泊面积和容积都小于犀牛海, 对同等负荷的营养物质的稀释缓冲作用相对更小, 因此其单位体积沉积物的营养源相对更丰富。同时, 箭竹海各营养元素含量的垂直变化幅度也更大, 尤其是氮元素。更大的波动幅度与其更严重的受灾程度紧密相关, 强烈的地震干扰提供动力源, 实现湖泊沉积物的再分布。
3.2.3碳酸盐含量
湖泊沉积物的碳酸盐含量常用于反映区域气候和环境重建的研究中[36], 其主要来源包括自生碳酸盐和外源碳酸盐[37]。其中, 外源碳酸盐常作为古气候环境重建的干扰项而被忽略[36–37]。九寨沟属于喀斯特地貌区, 在频繁的地质灾害影响下, 其湖泊沉积物中碳酸盐含量可在一定程度上指示外源碳酸盐输入。箭竹海和犀牛海沉积物中碳酸盐含量分别为 39.3%～78.5%(均值为 54.7%)和 29.3%～65.7%(均值为 44.3%), 高于其他湖泊(如青藏高原湖泊表层沉积物的碳酸盐含量为 8.7%～55%[38]), 且箭竹海的碳酸盐含量更高。箭竹海表层沉积物中碳酸盐含量剧烈变化, 深层沉积物中碳酸盐含量较为稳定, 0～ 3cm 深度的碳酸盐含量约为 75%, 远高于其他深度; 3～5cm 深度的碳酸盐含量呈明显下降的趋势, 由峰值 78.5% (4cm 深度处)降至谷值 39.4%; 5～43cm 深度的碳酸盐含量基本上在 50%左右(图 5)。犀牛海整个沉积剖面的碳酸盐含量都波动变化, 0～11cm深度的碳酸盐含量缓慢降低, 从最高值 65.7%逐渐降至最低值 29.3%; 11cm 以下深度的碳酸盐含量在25%～50%范围内波动(图 5)。
箭竹海表层沉积物中碳酸盐含量的急剧变化与震损物源输入密切相关。“8.8”大地震后, 湖泊被迫消纳大量碳酸盐含量丰富的地灾松散物源[11–12], 加上随着湖床抬升和水量减少, 碳酸盐过饱和析出, 使得表层沉积物中碳酸盐含量在地震之后呈现显著上升的趋势(图 5 中 3～5cm 深度); 震后几年内, 湖泊及其周围的气候和地质环境逐渐稳定, 表层沉积物中碳酸盐含量不再发生大的变化而趋于稳定(图 5中 0～3cm 深度)。犀牛海受地震的影响较小, 且湖泊面积和水深均较大, 其表层沉积物中碳酸盐含量与地震引入湖泊的外源物质相关性不强。0～11cm深度(对应 11cm 深度的沉积年代为 1995 年前后)碳酸盐含量的下降趋势可能是人类活动的干扰所致。2000 年开始, 九寨沟景区游客人数逐年增大, 使得湖泊营养负荷增加(犀牛海为紧邻景区入口处的第一站), 促使生物成因碳酸盐的含量逐步增加。
图3 九寨沟湖泊沉积柱粒径的垂直分布
Fig. 3 Vertical distribution of particle size in sediment cores of Jiuzhaigou lakes
图4 九寨沟湖泊沉积柱总碳、总氮和总磷含量的垂直分布
Fig. 4 Vertical distribution of the contents of total carbon (TC), total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) contents in sediment cores of Jiuzhaigou lakes
图5 九寨沟湖泊沉积柱碳酸盐含量的垂直分布
Fig. 5 Vertical distribution of carbonates contents in sediment cores of Jiuzhaigou lakes
湖泊淤积是多因素综合作用的结果。地质灾害及其引发的次生灾害(滑坡、崩塌和泥石流等)产生大量土壤、石块以及山体植被等松散物源, 在重力和降雨的作用下汇入湖泊, 抬高湖床, 减小湖泊的面积和容积, 造成湖泊淤积[39]。人类活动也会加剧湖泊淤积, 大规模的土木建筑工程(如道路建设和景区服务设施(如栈道)建设等)会破坏原有地貌, 产生松散物源; 同时, 人类旅游活动会以各种形式(如废水排放和机动车尾气等)增加湖泊的营养负荷[40], 促使水生植物的扩张性生长, 植物对泥沙的拦截以及植物周期性的死亡和更新均可加快湖泊淤积。因此, 我们统计了九寨沟景区附近 50km 范围内大地震(超过里氏 5.0 级)的记录(表 2), 并梳理了九寨沟历史上重大的人类活动(表 3), 这些地质灾害和人类活动的重要时间节点将有助于进一步探明九寨沟湖泊淤积的长期和短期影响因素与历史进程。
九寨沟历史上最严重的地质灾害莫过于 2017年8 月 8 日发生的里氏7.0级地震。地震产生的大量震损物源在重力或降雨的作用下进入湖泊, 使得箭竹海和犀牛海湖泊表层的沉积环境短期内发生剧烈的变化, 造成沉积物粒径的垂直分布, 表层沉积物粒径偏大, TC, TN 和碳酸钙富集, 且垂直变动剧烈, 受地震影响更严重的箭竹海尤其显著。
表2 九寨沟历史上重大地震记录
Table 2 Record of historic major earthquakes nearby/in Jiuzhaigou
序号时间地震强度(里氏震级)震源与九寨沟的距离/km 11961年3月5.545 21973年8月6.536 31974年1月5.736 42017年8月7.08
说明: 仅列出1900年以来九寨沟附近50 km范围内地震等级超过里氏5.0级的地震; 震源与九寨沟的距离指震源与文献[41]中九寨沟某一取样点之间的距离。
比对箭竹海和犀牛海湖泊沉积物 210Pbex 比活度和环境指标的垂直分布记录与九寨沟历史重大人类活动年表(表 3)可以发现, 人类活动是影响九寨沟湖泊沉积物沉积速率和相关理化性质的主要因素, 包括采伐木材、毁林种植罂粟、毁林建造旅游配套设施、旅游活动密集以及后来的禁止私家车驶入和退耕还林还草等保护措施的实施。
1900 年前后, 九寨沟地区开始引入罂粟作为当地的经济作物, 并为此开垦大量的森林作为耕地, 造成严重的水土流失, 湖泊泥沙淤积增多, 水量减少, 沉积物中碳酸盐含量因此升高。这一事件对应箭竹海 31cm 深度至底部的沉积层, 即 1900—1920年碳酸盐含量逐渐增加的层位。1950 年后, 九寨沟罂粟种植被政府禁止, 水土流失现象好转, 生态环境得到缓慢的改善, 湖泊的水量平衡逐渐恢复, 相应地, 沉积物中碳酸盐含量开始逐渐降低, 对应着箭竹海 31cm 深度之上的沉积层。
1966 年开始, 九寨沟地区开始进行道路修建和森林砍伐等活动, 在 10 年左右的时间内砍伐大量树木, 约 50 万 m3 的原始森林被砍伐, 森林覆盖率急速降低, 当地的生态环境急剧恶化, 湖泊沉积速率增大。箭竹海沉积物的 210Pbex 比活度在 17cm 深度(大致对应 1967 年)出现一个高值(60Bq/kg), 沉积速率异常地增大。犀牛海沉积物的210Pbex比活度和沉积速率在表层 0～35cm 的深度反复波动, 正是 1966年以来毁林、退耕还林还草等历史事件的体现, 湖泊沉积物敏感地记录着这些事件。
九寨沟 1984 年开始对外开放, 游客数量迅速增长, 年接待游客从 1984 年的 0.2 万人次急剧增长至2000 年的 82 万人次。由于早期的废水排放等因素, 生态环境受到一定的影响, 造成局部湖泊区域的富营养化和沼泽化, 湖泊沉积物中营养元素的含量在这一时段(对应箭竹海 10～15cm 深度和犀牛海 10～ 25cm 深度)有所增加。自 2000 年起, 九寨沟管理局出台一系列措施来保护当地生态环境, 包括禁止游客驾驶私家车进入景区, 控制景区内的机动车尾气污染; 关停保护区内的酒店和饭店, 从源头上切断废水的不合理排放; 施行厕所整改工程, 投资建立统一的污水排放系统, 进一步降低潜在的营养负荷入湖风险。这些由政府主导的生态环境保护政策既是对自然遗产地的长久保护之举, 又是景观生态资源持续发展的根本保障。
表3 九寨沟重大人类活动年表
Table 3 Chronology of major human activities in Jiuzhaigou
时段对应事件 距今2000年前自西汉以来畜牧业是主要生产方式, 农业次之, 只在有限区域内发展 1800—1850年玉米和土豆的引入取代了高山大麦的种植 1840—1900年新作物引进后耕地规模扩大 1900—1950年1900年引入罂粟, 1930—1950年达到种植顶峰, 巨大的经济利益导致大规模耕地的开发 1950—1966年罂粟被禁止种植 1966—1978年1966开始修路, 砍伐森林, 50万m3的原始森林被砍伐, 环境急剧恶化 1980年代九寨沟景区管理局成立, 环境得到保护 1998年起退耕还林还草 1999年起不允许私家车进入, 车辆尾气排放等污染显著减少 2000—2008年关闭所有酒店, 拆除商品房和违法建筑, 有效地控制了污染点 2001年起九寨沟全部拆除坑厕, 并投资1000多万元建设污水统一排放和污染治理系统, 污染得到有效控制 2003年起为改善交通, 扩大道路宽度
说明: 资料来源于文献[16‒17]。
本研究选取九寨沟受震损物源输入影响有差异的箭竹海和犀牛海为研究对象, 基于两个湖泊沉积柱样的天然放射性核素 210Pb 的垂直分布测算湖泊沉积速率; 基于不同环境指标的垂直分布特征, 利用沉积速率反推环境指标特征点对应的年代, 结合历史资料, 综合分析自然因素和人类活动因素对湖泊沉积的长期和短期影响, 主要结论如下。
1)本研究构建包含“8.8”大地震记录的箭竹海和犀牛海湖泊沉积近百年的年代序列, 推算出两个湖泊 1900—2020 年的沉积速率分别约为 0.32 和 0.44cm/a。
2)两个湖泊表层沉积物均受到地震导致的震损物源输入影响, 且沉积物特征因震损物源影响程度不同而存在差异。与犀牛海相比, 受震损物源影响更严重的箭竹海表层沉积物的 210Pbex 比活度更高, 呈现快速的先增后降趋势, 扰动深度更大; 表层沉积物粒径更大, 且砂粒占比最高; 表层沉积物中 TC, TN 和碳酸盐含量更高。
3)两个湖泊的表层沉积物特征垂向变化剧烈, 说明地质灾害(尤其是地震)对九寨沟湖泊沉积有快速的剧烈影响; 深层沉积物特征的垂向变化较平缓, 且与历史上重要的人类活动节点有较好的对应关系, 说明人类活动对九寨沟湖泊沉积具有长期而缓慢的影响。
致谢 北京大学环境与能源学院博士研究生毛鹏、秦龙君和硕士研究生丁俊杰提供无人机相关数据支持, 石聪博士和硕士研究生江鎞倩协助野外调查, 谨致谢忱。
参考文献
[1] UNESCO. Convention concerning the protection of the world cultural and natural heritage [EB/OL]. (1972) [2022–11–25]. https://whc.unesco.org/en/convention text/
[2] UNESCO. World Heritage List [EB/OL]. (2022–11–25) [2022–11–25]. https://whc.unesco.org/en/list/
[3] Zhang M, Xiong K N, Wang X, et al. Natural beauty and esthetic value of natural world heritage sites: a literature review and implications for Karst geoheri-tage sites. Geoheritage, 2022, 14(3): 1–13
[4] 乐茂华, 徐荣林, 杜杰, 等. 九寨沟箭竹海冲淤演变及减淤对策模拟研究. 泥沙研究, 2022, 47(5): 52–58
[5] 蒋先逞豪, 李瑞利, 杜杰, 等. “8.8”大地震后九寨沟世界遗产地湖泊淤积与沼泽化现状评价. 湖泊科学, 2021, 33(6): 1832–1843
[6] Zheng X L, Du J, Schmidt A H, et al. Response of lake water nutrient condition to anthropogenic activities from 1871 to 2013 in the Jiuzhaigou World Natural Heritage Site, China. Journal of Paleolimnology, 2022, 68: 345–360
[7] Gu Y, Du J, Tang Y, et al. Challenges for sustainable tourism at the Jiuzhaigou World Natural Heritage site in western China. Natural Resources Forum, 2013, 37(2): 103–112
[8] Pavlova I, Makarigakis A, Depret T, et al. Global overview of the geological hazard exposure and disa-ster risk awareness at world heritage sites. Journal of Cultural Heritage, 2017, 28: 151–157
[9] 李渝生, 黄超, 易树健, 等. 九寨沟 7.0 级地震的地震断裂及震源破裂的构造动力学机理研究. 工程地质学报, 2017, 25(4): 1141–1150
[10] Hu X, Hu K, Tang J, et al. Assessment of debris-flow potential dangers in the Jiuzhaigou Valley following the August 8, 2017, Jiuzhaigou earthquake, western China. Engineering Geology, 2019, 256: 57–66
[11] Wang X M, Mao H. Spatio-temporal evolution of post-seismic landslides and debris flows: 2017 Ms 7.0 Jiu-zhaigou earthquake. Environmental Science and Pollu-tion Research, 2022, 29: 15681–15702
[12] 熊轲, 詹宇, Issaak P, 等. 九寨沟震区地表形变监测及震损物源估算. 长江流域资源与环境, 2019, 28 (1): 184–191
[13] Wang X, Yang H, Gu Z, et al. A century of change in sediment accumulation and trophic status in Lake Fu-xian, a deep plateau lake of Southwestern China. Jour-nal of Soils and Sediments, 2018, 18(3): 1133–1146
[14] Cheney C L, Eccles K M, Kimpe L E, et al. Deter-mining the effects of past gold mining using a sediment palaeotoxicity model. Science of the Total Environ-ment, 2020, 718: 137308
[15] Hubert-Ferrari A, Lamair L, Hage S, et al. A 3800yr paleoseismic record (Lake Hazar sediments, eastern Turkey): implications for the East Anatolian Fault seismic cycle. Earth and Planetary Science Letters, 2020, 538: 116152
[16] Li S G, Hu X X, Tang Y, et al. Changes in lacustrine environment due to anthropogenic activities over 240 years in Jiuzhaigou National Nature Reserve, south-west China. Quaternary International, 2014, 349: 367–375
[17] Liang K K, Hu X X, Li S G, et al. Anthropogenic effect on deposition dynamics of lake sediments based on 137Cs and 210Pbex techniques in Jiuzhaigou National Nature Reserve, China. Chinese Geographical Science, 2014, 24(2): 180–190
[18] 邓贵平, 颜磊, 章小平. 九寨沟自然保护区景观变化与保护. 山地学报, 2011, 29(2): 173–182
[19] 乔雪. 世界自然遗产地九寨沟对区域大气污染的响应研究[D]. 成都: 四川大学, 2012
[20] 杨逸畴, 冲村孝, 唐邦兴, 等. 九寨沟地貌的基本特征、形成和演化. 地理, 1989, 2(2/3): 1–12
[21] 郭卫星. 川西北自然风景中钙华景观的形成与发育. 山地研究, 1988, 6(1): 54–60
[22] 张捷. 川西北岷山灰岩区喀斯特堰塞湖形成中的生物作用. 湖泊科学, 1993, 5(1): 32–39
[23] 鄢春华, 王蓓, 邹振东, 等. 九寨沟针阔混交林的夜间液流及其分配特征研究. 北京大学学报(自然科学版), 2020, 56(4): 732–738
[24] 李西, 罗承德, 廖心北. 九寨沟景区改建公路边坡景观植被恢复刍议. 四川草原, 2003(4): 17–18
[25] 刘少英, 章小平, 曾宗永. 九寨沟自然保护区的生物多样性. 成都: 四川科学技术出版社, 2007
[26] 杨俊义, 万新南, 范晓, 等. 九寨沟水环境系统动态模拟. 四川地质学报, 2002, 22(1): 16–20
[27] Zhang M, Seyler B C, Di B, et al. Impact of earth-quakes on natural area-driven tourism: case study of China’s Jiuzhaigou National Scenic Spot. International Journal of Disaster Risk Reduction, 2021, 58: 102216
[28] Bossard C C, Cao Y, Wang J, et al. New patterns of establishment and growth of Pice, Abies and Betula tree species in subalpine forest gaps of Jiuzhaigou National Nature Reserve, Sichuan, southwestern China in a changing environment. Forest Ecology and Ma-nagement, 2015, 356: 84–92
[29] 阳亚平, 马雪洋, 王林, 等. 湖泊沉积物碳酸盐含量 3 种测定方法的比较. 湖泊科学, 2016, 28(4): 917–924
[30] Mabit L, Benmansour M, Abril J M, et al. Fallout 210Pb as a soil and sediment tracer in catchment sediment budget investigations: a review. Earth-Science Re-views, 2014, 138: 335–351
[31] Abril Hernández J. A 210Pb-based chronological model for recent sediments with random entries of mass and activities: model development. Journal of Environ-mental Radioactivity, 2016, 151: 64–74
[32] Krishnaswamy S, Lal D, Martin J M, et al. Geochro-nology of lake sediments. Earth and Planetary Science Letters, 1971, 11: 407–414
[33] 殷志强, 秦小光, 吴金水, 等. 湖泊沉积物粒度多组分特征及其成因机制研究. 第四纪研究, 2008, 28(2): 345–353
[34] Ma L, Abuduwaili J, Liu W. Environmentally sensitive grain-size component records and its response to cli-matic and anthropogenic influences in Bosten Lake region, China. Scientific Reports, 2020, 10(1): 942
[35] Lin S, Shen S, Zhou A, et al. Assessment and mana-gement of lake eutrophication: a case study in Lake Erhai, China. Science of the Total Environment, 2021, 751: 141618
[36] 兰敏文, 宋友桂, 程良清. 湖泊碳酸盐矿物的形成过程及古气候环境指示意义. 地球科学与环境学报, 2022, 44(2): 156–170
[37] 蓝江湖, 徐海, 刘斌, 等. 湖泊沉积中碳酸盐、有机质及其同位素的古气候意义. 生态学杂志, 2013, 32(5): 1326–1334
[38] 王宁, 刘卫国, 徐黎明, 等. 青藏高原现代湖泊沉积物碳酸盐矿物氧同位素组成特征及影响因素. 第四纪研究, 2008, 28(4): 591–600
[39] Lei M, Xu Z, Zhao T, et al. Dynamics of loose granular flow and its subsequent deposition in a narrow moun-tainous river. Journal of Mountain Science, 2019, 16(6): 1367–1380
[40] Bing Z H, Gao J. The research on the impacts of Human activities on the evolution of water quality in Jiu-zhaigou Natural Reserve. Applied Mechanics and Ma-terials, 2013, 295/296/297/298: 1991–1994
[41] Fan J, Wei X, Shi W, et al. Response of tree rings to earthquakes during the past 350 years at Jiuzhaigou in the eastern Tibet. Science of the Total Environment, 2020, 731: 138714
Lake Sedimentation Rate and Its Influencing Factors in Jiuzhaigou World Natural Heritage Site
Abstract After the “8.8” earthquake (June 2020), Arrow Bamboo Lake and Rhino Lake, with different input degrees of earthquake damage sources, were selected to analyze the lake sedimentation rates by isotope dating method. Moreover, vertical distribution characteristics of grain size composition, total carbon (TC), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), and carbonate content were analyzed.By analyzing the vertical variation characteristics of sediment environmental indicators and their relationship with natural disasters and human activities, the long-term and short-term factors affecting lake sedimentation were explored. The results showed that the sedimentation rates of the Arrow Bamboo Lake and Rhino Lake from 1900 to 2020 were about 0.32and 0.44 cm/a, respectively. The vertical distribution characteristics of the environmental indicators on the surface (0–10 cm) were as follows:the specific activity of 210Pbex significantly increased, the sediment particle size was relatively large, TC, TN and calcium carbonate were enriched, and the vertical variation was violent. Meanwhile, the disturbance depth of surface sediment in the Arrow Bamboo Lake, which was obviously affected by seismic damage sources, was greater. These revealed that a large number of loose material sources of land disasters caused by the “8.8” earthquake entered the lake, rapidly intensifying the lake sediment deposition in the short time. The deep vertical distribution features recorded the long-term slow impact of human activities such as deforestation, unreasonable discharge and environmental protection on lake sediment.
Key words world natural heritage site; Jiuzhaigou; lake sedimentation rate; geo-hazard factor; human activity