通过流域侵蚀、 大气沉降及人为释放等途径汇入湖泊的各种环境物质构成了连续稳定的湖泊沉积物^[1]. 湖泊沉积物以其沉积速率快、 时间分辨率高以及地域覆盖面广等特点，可以很好地记录流域自然演化和人类活动对生态环境变化影响的信息，近年来已被公认为是研究全球气候环境演变的重要指示器^[2]. 然而，了解过去的环境变化信息往往需要借助精确的沉积年代作为研究基础，环境放射性核素²¹⁰ Pb计年在中长时间尺度(0～150 a)湖泊沉积研究中应用较为广泛^[3,4,5,6,7].

湖泊沉积物中蓄积的²¹⁰ Pb由沉积物所含天然²³⁸ U系列产物²²⁶ Ra的衰变子体(平衡部分，标记为²¹⁰ Pb_eq)和大气沉降的²²² Rn衰变子体(非平衡部分，也称过剩²¹⁰ Pb，标记为²¹⁰ Pb_ex)两部分组成^[8]. 通过对湖泊沉积物中不同层节样品的²¹⁰ Pb_ex比活度进行分析，便可计算其沉积速率或某一层节的沉积年代^[6]. 然而，由于湖泊在实际沉积过程中所接纳的流域侵蚀来源的固相微粒具有很强的随机性特点，加之强烈的生物地球化学作用容易导致湖泊表层沉积物产生混合效应^[9,10]，沉积物顶部Rn丢失^[11]以及沉积物-水界面的²¹⁰ Pb(²¹⁰ Po)沉积后扩散迁移作用^[12,13]等，这些问题均可能导致沉积物中²¹⁰ Pb_ex的垂直剖面异常，从而影响计年结果的精确性. 因此，学者们往往多借助于其他同位素(¹³⁷ Cs、 ²⁴¹ Am和²⁴⁰ Pu/²³⁹ Pu等)来协助测年以提高计年结果的准确性^[4,14].

通常情况下，经大气干湿沉降的²¹⁰ Pb_ex进入水体后会伴随有机微粒的沉降而进入湖泊沉积物中. 如果湖泊水体中有机质沉积通量相对稳定，则²¹⁰ Pb_ex由水体转入沉积物的通量会相对稳定. 相反，湖泊水体中营养盐含量升高就会导致湖泊初级生产力增高，从而增大藻类残骸物的沉积通量，相应地也会提高²¹⁰ Pb_ex自水体中转入沉积物的沉积通量. 万国江等^[8]研究认为²¹⁰ Pb_ex被清洗而转入沉积物的通量一方面不符合²¹⁰ Pb沉积计年的基本假设，进而会影响沉积物中²¹⁰ Pb_ex比活度垂直剖面分布; 另一方面²¹⁰ Pb_ex沉积通量的增大又可能指示湖泊水体的初级生产力变化，进而反映湖泊的富营养化水平高低. 关于湖泊沉积物中营养物质对²¹⁰ Pb_ex在沉积物中的蓄积影响已有一些报道，Krishnaswamy等^[15]研究发现湖泊沉积物中不同的有机质组分对²¹⁰ Pb_ex在沉积物中的累积作用不同，其中有机碳对²¹⁰ Pb_ex的沉积作用最为明显. Paulsen等^[16]研究表明在海洋环境中沉积物中的有机碳含量与²¹⁰ Pb_ex呈较显著的正相关关系. 在美国得克萨斯州海岸平原地区，SOC含量主要与地表 0～2 cm陆源物质中²¹⁰ Pb_ex的含量关系密切^[17]. 以上研究多集中于对单一营养水平条件下的湖泊或海洋沉积物中有机质含量与²¹⁰ Pb_ex的比活度进行分析，对于不同营养程度条件下的湖泊沉积物中²¹⁰ Pb_ex和营养盐各个指标之间的相关性研究则相对较少.

鉴于此，本研究通过对抚仙湖和滇池沉积物中²¹⁰ Pb_ex和营养盐(TOC、 TN和TP)含量进行测试，分析了两个湖泊中心部位沉积物柱芯中²¹⁰ Pb_ex与营养盐的垂向分布特征，揭示了不同营养水平下的湖泊沉积物柱芯中²¹⁰ Pb_ex与营养盐各个指标之间的相关关系，旨在为进一步运用环境放射性核素²¹⁰ Pb精确计年提供必要的理论依据.

抚仙湖(24°21′～24°38′N、 102°49′～102°57′E)位于云南省中部，昆明市东南约60 km，跨澄江、 江川、 华宁三县，湖泊面积212 km²，最大水深为157.3 m，平均水深87 m，蓄水量189×10⁸ m³，是我国已知的第二大深水湖泊. 抚仙湖属珠江流域南盘江水系，湖区四面环山，沿湖有尖山河、 路岐河、 东大河、 西大河、 梁王河等20多条大小溪流汇入. 湖东岸海口河为唯一出口，西南方向有条长1.0 km，落差1.0 m的隔河与星云湖相连，属半封闭型高原湖泊. 目前，抚仙湖水质清澈透明，含沙量较少，系一贫营养型湖泊^[18].

滇池(24°40′～25°02′N、 102°36′～102°47′E)位于昆明市西南郊，东南临呈贡、 晋宁两县，西北近西山、 官渡两区，湖泊面积297 km²，最大水深5.87 m，平均水深2.93 m，蓄水量11.69×10⁸ m³，滇池属长江流域金沙江水系，主要入湖河流有东北部的盘龙江、 东白沙河、 宝象河、 马料河，东部的洛龙河、 捞鱼河、 梁王河，东南部的大河、 柴河和西南部的东大河等，出口位于西南部的海口河经蟑螂川下注普渡河，最终汇入金沙江. 随着昆明市经济的发展，受化工、 食品、 医药卫生、 纺织印染、 造纸等行业为主的工业废水和昆明市城市生活污水的影响，滇池水质较差，富营养化程度极为严重^[19].

2007年10月，使用奥地利生产的聚丙烯筒式沉积物采样器(内径6 cm)在抚仙湖和滇池两个湖泊不同湖区采集沉积物柱芯各7个(图 1). 样品采集后悬浮层未受扰动，界面水清澈，带回实验室放入超低温冰箱里冷冻(温度设置为-50℃，时间为48 h). 采用河海大学设计制造的样品切割机按照0.5 cm的间距截分沉积物样品，称湿重后将样品风干，研磨，过100目筛，105℃下烘干至恒重.

图 1

Fig. 1

图 1 采样点位置示意 Fig. 1 Map of the sampling sites

称取10 g左右研磨后的样品放入同一规格的塑料容器，蜡封一个月目的使²²⁶ Ra与²¹⁰ Pb处于永久衰变平衡体系，然后进行放射性核素的测量. 测试仪器为美国EG＆GORTEC公司生产的高纯锗探测器、 数字化谱仪及多通道分析系统. 该高纯锗γ谱仪的主要指标为：对Co1.33 MeV的能量分辨率为2.25 MeV，峰康比大于60 ∶1，相对探测效率为62%，具有良好的稳定性. 每个样品的测量时间为40000 s(实时)，其中²¹⁰ Pb的比活度由46.5 keV γ射线谱峰面积求算，²²⁶ Ra比活度根据²¹⁴ Pb的谱峰面积(351.9 keV)求算，半衰期极短的²¹⁴ Pb是²²⁶ Ra的衰变产物. 样品的²¹⁰ Pb_ex比活度为²¹⁰ Pb的比活度减去²²⁶ Ra比活度的差值所得^[7]. ²¹⁰ Pb标准样品由英国利物浦大学提供. 测试完放射性核素的样品进一步测试沉积物中营养盐(TOC、 TN和TP)的含量. 其中，TOC和TN测试分析采用常规分析方法^[20]，TP分析采用Palalytical AXIOS X荧光光谱仪完成，测量误差均小于10%. 数据分析采用SPSS 13.0 统计软件进行.

为更精确揭示湖泊过去的生态环境变化特征，本研究选取两个湖泊中心部位的沉积物柱芯FX3和DC4为代表对放射性核素²¹⁰ Pb_ex和营养盐指标变化进行对比分析. 图 2是抚仙湖和滇池沉积物柱芯FX3和DC4中²¹⁰ Pb_ex的垂向分布特征图. 抚仙湖沉积物柱芯FX3中²¹⁰ Pb_ex的比活度范围为20.74～383.85 Bq ·kg^-1，其垂直剖面自底层至表层可划分为3个阶段：质量深度10.14～6.17 g ·cm^-2处，²¹⁰ Pb_ex的比活度呈现微弱波浪形减小，其最小值分布在最底层，含量为20.74 Bq ·kg^-1; 质量深度5.88～1.21 g ·cm^-2处，²¹⁰ Pb_ex的比活度变化趋势不大，其范围在81.59～178.56 Bq ·kg^-1之间; 质量深度为1.04～0 g ·cm^-2处，²¹⁰ Pb_ex的比活度有先增大后减小的趋势. 滇池沉积物柱芯DC4中²¹⁰ Pb_ex的比活度范围为9.78～762.63 Bq ·kg^-1，其垂向变化可大致划分为两个阶段：质量深度7.56～2.75 g ·cm^-2处，²¹⁰ Pb_ex的比活度变化趋势不大，其范围在9.78～89.92 Bq ·kg^-1之间; 质量深度2.53～0 g ·cm^-2处，²¹⁰ Pb_ex的比活度整体上呈现递增的变化趋势. 根据环境放射性核素²¹⁰ Pb_ex计年原理^[7]，由²¹⁰ Pb_exCRS计年方法可以获得两个湖泊沉积物柱芯FX3和DC4的沉积年代区间分别为1860～2007年和1840～2007年.

图 2

Fig. 2

图 2 抚仙湖和滇池沉积物柱芯中210 Pbex垂向分布特征 Fig. 2 Vertical distribution of 210 Pbex in sediment cores of Fuxian Lake and Dianchi Lake

从图 2也可以看出，²¹⁰ Pb_ex在两个湖泊表层沉积物中的蓄积分布模式均较为紊乱，尤其是滇池表层沉积物柱芯中²¹⁰ Pb_ex变化的幅度更为明显，这种现象可能与滇池近些年来受强烈的人为活动对²¹⁰ Pb_ex在沉积物中的蓄积干扰有关. 滇池作为昆明市重要的水资源，随着社会经济的快速发展，人类活动在渔业、 养殖业、 旅游业、 制造业等方面对湖泊的影响较为突出，大量的工业废水和生活污水排入湖中，湖水受到严重污染^[19]. 同时由于²¹⁰ Pb_ex在沉积物中的活性较弱，加之湖水深度相对较浅(平均深度为2.93 m)，在强烈人类活动的干扰下，湖泊表层沉积物受水流作用、 生物扰动作用等影响增大，导致沉积物本身铁锰氧化还原作用和早期成岩生物-化学过程增强使得表层沉积物界面上非碳酸盐相铅转移至可溶性碳酸盐中，进而使得²¹⁰ Pb_ex随孔隙水发生扩散迁移^[6]，造成²¹⁰ Pb_ex在沉积物表层中的蓄积分布较为紊乱.

图 3和图 4是抚仙湖和滇池沉积物柱芯FX3和DC4中营养盐各个指标的垂向分布特征图. 如图 3所示，抚仙湖沉积物中TOC和TN含量整体上呈现增加的趋势，其中TOC和TN分别在1983年和1994年开始呈现突增的变化趋势; 与TOC和TN不同，抚仙湖TP含量的变化呈现3个阶段变化. 其中1860～1970年间呈现明显增加的趋势，1970～1992年间呈现降低的趋势，1992年至采样年份2007年又呈现增加的趋势. 这种复杂的变化趋势可能与历史时期人类活动对磷矿资源不同程度的开发利用有关^[7]. 抚仙湖流域周围蕴藏着丰富的磷矿资源，分布了大量的磷矿开采场和磷化工企业^[21]，由此湖泊沉积物中TP的累积除了受抚仙湖流域大量的生活污水影响外，历史时期人类对磷矿资源不同程度的开发利用也可能是导致沉积物中总磷含量波动变化的重要原因. 总体上，20世纪八九十年代以来，抚仙湖沉积物中营养盐各个指标均呈现递增的变化趋势，这种现象与抚仙湖接纳高数量的营养物质有密切关系. 此段时期内抚仙湖氮、 磷污染负荷量分别为338.32 t ·a^-1和43.74 t ·a^-1，但随水流输出分别只有27.84 t ·a^-1，和1.16 t ·a^-1，仅为污染负荷量的8.2%和2.6%，入湖滞留率分别高达91.8%和97.4%^[22]. 同时由于抚仙湖容量大，换水周期长达167 a，大量的营养元素逐年累积于湖水或湖泊沉积物中，导致湖泊“纳污吐清”营养收支严重失衡，由此加速了抚仙湖水体富营养化的进程^[23].

图 3

Fig. 3

图 3 抚仙湖沉积物中营养盐(TOC、 TN和TP)垂向分布特征 Fig. 3 Vertical distributions of nutrients in sediment cores of Fuxian Lake

图 4

Fig. 4

图 4 滇池沉积物中营养盐(TOC、 TN和TP)垂向分布特征 Fig. 4 Vertical distributions of nutrients in sediment cores of Dianchi Lake

与抚仙湖不同，滇池沉积物中营养盐各个指标的垂向变化自1840年至采样年份2007年均呈现增加的趋势(图 4)，表明自滇池流域输入湖泊的营养物质含量一直在增加. 其中TOC含量在1919年开始出现突增的变化趋势，TN和TP含量出现突增的年份均为1928年. 再者，自1960年以来滇池沉积物中营养盐各个指标在递增的基础上波动变化较为明显(图 4)，这种变化可以从当地几十年来发生的特定历史事件中寻找原因. 20世纪60年代初在滇池流域东岸和南岸河流上游兴建了一批水库，控制径流面积达到滇池流域面积的47%，该工程有效地拦截了上游人类农业生产活动所产生的泥沙，致使直接进入滇池的营养物质减少^[24,25]; 而60年代末，在强烈的人类活动影响下滇池流域周围发生过大规模的围湖造田和蚕食湖湾等事件，一定程度上又抵消了水库拦截泥沙的作用^[26]，致使大量的营养物质通过地表径流等路径汇入湖泊，不可避免地提高了湖泊的营养化水平. 20世纪80年代开始，随着乡镇企业的蓬勃发展，滇池流域周围零星布满了卷烟厂、 农药厂、 造纸厂、 冶炼厂等大小企业，加之城镇化的迅速发展，大量工业废水、 农业退水和生活污水排入湖中，给滇池的生态环境带来的极大的压力，导致湖水变浅，水质恶化，富营养化和重金属负荷极为严重^[27]. 20世纪90年代中后期随着国家“退耕还林、 还草”工程的实施，滇池的生态环境略有改善，同时入湖的营养物质亦有所减少，但整体上还是不能遏制人类活动对滇池生态系统的破坏，滇池的生态环境仍不容乐观.

抚仙湖和滇池不同湖区沉积物柱芯中²¹⁰ Pb_ex和营养盐各个指标(TOC、 TN和TP)之间的皮尔逊相关关系如表 1和表 2所示. 可以看出，就单个营养盐指标而言，两个湖泊沉积物柱芯中²¹⁰ Pb_ex与营养盐各个指标之间的相关关系呈现出相似的变化规律，其大小顺序可以表示为TOC>TP>TN. 其中TOC与²¹⁰ Pb_ex之间较强的相关关系被认为是湖泊沉积物中有机质沉积通量的突发增大，使得²¹⁰ Pb_ex被清洗转入沉积物的通量的突发清洗效应产生的结果^[28]. 就单个湖泊而言，滇池沉积物柱芯中²¹⁰ Pb_ex与营养盐各个指标(TOC、 TN和TP)之间的相关关系高于抚仙湖，说明湖泊的富营养化水平对²¹⁰ Pb_ex在沉积物中的蓄积有一定影响. 与贫营养型湖泊抚仙湖相比较，富营养化程度较高的滇池湖水浅，纳污量大，入湖河流携带的氮、 磷等营养物质较容易蓄积于湖泊沉积物中，导致²¹⁰ Pb_ex和营养盐各个指标之间的相关性较强. Xu等^[29]针对3个不同营养湖泊(红枫湖、 博斯腾湖和双塔湖)的研究结果也认为，较高的有机质含量是影响²¹⁰ Pb_ex在湖泊沉积物中蓄积的重要因素.

表 1(Table 1)

表 1 抚仙湖不同湖区沉积物柱芯营养盐与210 Pbex比活度之间的皮尔逊相关分析 1) Table 1 Pearson’s correlations of nutrients and 210 Pbex in different sediments of Fuxian Lake 营养盐 210Pbex FX1 FX2 FX3 FX4 FX5 FX6 FX7 TOC 0.615** 0.826** 0.551** -0.116 0.628** 0.648** -0.628** TN -0.069 0.422** 0.699** 0.021 0.755** 0.262 -0.032 TP 0.899** 0.929** -0.201 0.609** 0.500** -0.040 0.001 1) **表示极显著水平(显著性水平P<0.01)，下同

表 1 抚仙湖不同湖区沉积物柱芯营养盐与210 Pbex比活度之间的皮尔逊相关分析 1) Table 1 Pearson’s correlations of nutrients and 210 Pbex in different sediments of Fuxian Lake

从表 1和表 2的分析发现，同一湖泊不同湖区的沉积物柱芯中²¹⁰ Pb_ex与营养盐各个指标之间的相关系数不尽相同. 抚仙湖北岸沉积物中²¹⁰ Pb_ex与营养盐各个指标之间的相关性略高于南岸(表 1)，这可能与抚仙湖南北部的富营养化水平差异有关^[30,31]. 抚仙湖北岸河流密集，大多数流经澄江县，而澄江县径流区又是抚仙湖最为主要的非点源污染源产生区域^[30]，由此北部入湖河流中的TN、 TP和COD等污染因子是导致湖泊北岸营养程度偏高的主要因素^[32]. 与抚仙湖不同，除DC5外，滇池不同湖区的沉积物柱芯中²¹⁰ Pb_ex与营养盐各个指标之间均呈现极显著的正相关关系，这可能与滇池整个湖区较高的富营养化水平有关^[33]. 滇池自20世纪80年代开始水质逐渐被污染，90年代迅速恶化，90年代后期至今整个湖区水质污染都较为严重，已被纳入国家重点治理的三大湖泊之一. 近几十年来，滇池沉积物顶部TOC、 TN和TP等营养物质的增加导致湖泊的富营养化水平升高，湖泊有机质含量的突发增大又会使²¹⁰ Pb_ex被清洗而转入沉积物通量也随之增大，此背景下过多的²¹⁰ Pb_ex就会蓄积沉降于沉积物中，进而发生扩散迁移等现象，因此营养化水平较高的滇池湖泊沉积物中²¹⁰ Pb_ex与营养盐各个指标之间的相关关系高于抚仙湖.

表 2(Table 2)

表 2 滇池不同湖区沉积物柱芯营养盐含量与210 Pbex比活度之间的皮尔逊相关分析 Table 2 Pearson’s correlations of nutrients and 210 Pbex in different sediments of Dianchi Lake 营养盐 210Pbex DC1 DC2 DC3 DC4 DC5 DC6 DC7 TOC 0.430** 0.621** 0.717** 0.792** 0.814** 0.872** 0.550** TN 0.331** 0.366** 0.750** 0.570** 0.220 0.511** 0.340** TP 0.473** 0.581** 0.726** 0.796** 0.784** 0.675** 0.686**

表 2 滇池不同湖区沉积物柱芯营养盐含量与210 Pbex比活度之间的皮尔逊相关分析 Table 2 Pearson’s correlations of nutrients and 210 Pbex in different sediments of Dianchi Lake

(1)抚仙湖和滇池两个湖泊中心部位沉积物中²¹⁰ Pb_ex的垂直分布存在明显差别，总体上滇池沉积物柱芯中²¹⁰ Pb_ex的变化幅度大于抚仙湖. 人类活动影响下的沉积物-水界面及界面附近物理化学性质变化导致滇池表层沉积物中²¹⁰ Pb_ex的分布特征更为紊乱.

(2)除抚仙湖TP含量呈现波动变化外，抚仙湖沉积物中营养盐(TOC、 TN)和滇池沉积物中营养盐(TOC、 TN和TP)含量均呈现增加的变化趋势，这种现象与当地过去百余年来发生的特定历史事件(矿产资源开采、 修建水库、 围湖造田和退耕还林)等密切相关.

(3)根据对抚仙湖和滇池不同湖区沉积物中²¹⁰ Pb_ex和营养盐各个指标(TOC、 TN和TP)皮尔逊相关性分析，得出两个湖泊沉积物柱芯中²¹⁰ Pb_ex与营养盐单个指标之间的相关关系呈现出相似的变化规律，即TOC最强，TP次之，TN最弱. 同时提出湖泊的营养化水平与沉积物中²¹⁰ Pb_ex的比活度之间有着密切联系，即湖泊营养化程度愈高，²¹⁰ Pb_ex在湖泊沉积物中蓄积的含量越多，二者的相关性愈强.