武汉地区人类世的湖泊沉积指示

张 静，张玉芬，李长安，李国庆，贾明明

(1.中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院，湖北 武汉 430078；2.中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074)

在过去的百年中，人类被公认为是现代全球环境变化的主要驱动力，人类活动对全球气候和生态系统产生了深刻的影响，在地球系统中发挥的作用越来越突出。荷兰的大气化学家Crutzen在2002年首次提出“人类世”这一概念，认为用“人类世”一词可代表一个新的地质时代，突出当今人类在地球和生态系统中的核心作用。人类世问题近年来已逐步成为环境、地球科学及其相关学科领域的一个研究热点。人类世议题的真正价值不仅仅是划分一个新的地质时期，而且是当前该如何恢复并保持人类与自然的和谐发展。由此可见，人类世界限问题可有广义和狭义之分，狭义人类世界限是指地质上的地层界限意义，即从地层中寻找一个确定人类世边界的标志物——地质学界公认的“金钉子”(GSSP)；广义人类世界限则是人类干预自然的程度表征。狭义的人类世界限强调全球一致性，而广义的人类世界限则有明显的地区性。就人类世提出的初衷来看，广义人类世界限的讨论与研究显然具有更重要的意义。由于各地自然环境的明显差异，社会和经济发展的不平衡，故在不同地区，从不同的角度寻找人类活动何时对地球系统产生显著影响的证据，对“人类世”这一研究领域有重要的意义。

武汉位于汉水与长江交汇之处，是位于中国中部对接南北、连通东西的特大型城市，城市发展对区域生态环境有重大的影响力和代表性，因此开展武汉地区的人类世界限研究对于揭示人类活动对于武汉地区自然环境的影响程度有深刻意义。而用湖泊沉积物寻找武汉地区人类世界限的研究目前尚未展开，且武汉作为“百湖之市”，湖泊沉积是“人类世”研究的良好载体。为此，本文重点依据湖泊沉积就武汉地区的“人类世”——人类活动对地质环境显著影响的起始界限进行了讨论。

1 武汉地区人类世的湖泊沉积记录

湖泊沉积物以其分辨率高、沉积连续、包含信息丰富等特点成为不同时间尺度的环境重建的有效载体。武汉地区湖泊众多，其城市发展与湖泊息息相关，梁子湖、东湖和涨渡湖是其中的典型代表。梁子湖是位于武汉市东南部，横跨武昌、鄂州的湖北省第二大淡水湖，也是武汉城市圈的中心湖，广阔的水域面积使其成为周边工农业发展的重要用水来源；东湖作为武汉地区最大的城中湖，是武汉市的重要水源地之一，其发展演化是武汉城市发展史的一部分；涨渡湖曾为武汉市长江北岸与长江自然相通的大型湖泊，迫于人口压力，受到人类大规模围垦和水利建设的影响，面积已由20世纪50年代之前的255 km锐减到37.7 km。武汉地区这些湖泊近一百年来受人类活动的强烈干扰，湖区生态环境已遭受严重破坏，在其湖泊沉积物中可以明显捕捉到人类活动的痕迹。因此，本文主要选取了武汉地区的梁子湖、东湖和涨渡湖来进行武汉地区人类世界限探讨。即结合历史文献中对这些湖泊沉积物所做的相关研究，主要通过湖泊沉积记录中的农业发展记录、工业发展记录、环境污染记录的分析，来寻找武汉地区人类世界限的证据。

1. 1 农业发展记录

1.1.1 湖泊沉积物中有机氯农药(OCPs)含量变化

有机氯农药(OCPs)在我国现代农业发展进程中曾发挥了重要作用。OCPs是用于防治植物病虫害的含有有机氯元素的有机化合物，主要在农业中用作杀虫剂。常见的OCPs主要包括DDTs、HCHs和七氯，其不易降解的性质可使其随地表径流进入湖泊中并沉积下来。湖泊沉积物中被检出的OCPs是直接反映人类活动干扰湖泊自然沉积的重要指标。在我国已调查的17个主要湖泊中，湖北的汈汊湖、排湖、鸭儿湖、洪湖沉积物中OCPs的总残留水平相对较高。方敏等以武汉地区周边的洪湖为例，对其湖泊沉积物中OCPs的质量分数进行了测定，结果发现在湖泊沉积物柱芯样品中的OCPs含量呈现由深层向表层增加的趋势[见图1(a)]，通过Pb同位素定年发现在湖泊沉积物深度为23 cm处，即1963年出现了首个OCPs污染高峰值。同样,在龚香宜等的研究发现，在洪湖沉积物深度为24 cm处，即1966年后湖泊沉积物中DDT和HCH出现了明显的增长趋势[见图1(b)]。我国20世纪60年代在农业活动中大范围使用了OCPs，洪湖地区周边人类的农业活动使得湖泊沉积物中的OCPs在1960年以后有了明显的增加。

图1 洪湖湖泊沉积物柱芯样品中有机氯农药(OCPs) 沉积记录[(a)改绘自方敏等[27];(b)改绘自龚香宜等[28])Fig.1 Depositional history record of OCPS in the sediment core samples from Honghu Lake (a.modified from Fang et al.[27]; b.modified from Gong et al.[28])

1.1.2 湖泊沉积速率变化

沉积速率可以反映湖泊沉积物的沉积年代以及人类活动与湖泊沉积的关系。近现代一系列人类活动如土地开发、城市建设、现代工农业活动开展等，使得地表侵蚀力度加大，大量的陆源碎屑物质经地表径流被大量搬运并带入湖泊，致使湖泊沉积速率变大。

短期的湖泊沉积速率可以反映湖泊动力特征变化。目前，Pb和Cs测年法是较为常见的估算百年沉积尺度计年方法。杨洪等对东湖两个站点东湖Ⅰ站(郭郑湖)和东湖Ⅱ站(水果湖)湖泊沉积物采用Cs和Pb测年法分别得到的湖泊沉积速率结果进行了对比(见表1)，以探讨近百年人类活动对湖泊沉积速率变化的影响及驱动机制，结果发现：1964年至1975年之间东湖沉积速率最大，两个站点湖泊沉积物柱芯样品分别在28 cm和22 cm处出现了Cs峰值(见图2)；自1964年之后东湖沉积速率开始降低并趋于稳定。顾延生等采用Pb测年法对梁子湖湖泊沉积物进行计年时发现，湖泊沉积物柱芯样品在20 cm处出现了Pb峰值(见图3)，其沉积年代为1967年。

表1 东湖两个站点湖泊沉积物柱芯样品137Cs测年法的测定结果

图2 东湖两个站点湖泊沉积物中137Cs活度随深度 分布图(改绘自杨洪等[31])Fig.2 Distribution of 137Cs activities with depth in sediments of two stations in East Lake (modified from Yang et al.31)

图3 梁子湖湖泊沉积物中210Pb活度随深度分布图 (改绘自顾延生等[19])Fig.3 Vertical distribution of 210Pb activities in core of Liangzi lake (modified from from Gu et al.[19])

通过对上述图表进行分析可知，这一时期武汉地区湖泊沉积速率变化与湖区周边的人类活动密不可分，20世纪50年代后大规模农业围垦导致湖区周围水土流失现象频发，在20世纪50年代中期面积大于100亩的城市湖泊已锐减到59个；同期武汉市大炼钢铁高潮迭起，对湖区周围植被产生了严重的破坏，大量的侵蚀物质被带入湖中，从而使湖泊沉积速率急剧上升。由此可见，20世纪60年代武汉地区湖泊沉积速率迅速加快。

1.1.3 湖泊沉积物的粒度变化

湖泊沉积物的粒度变化可判别沉积环境和水动力条件。近年来人类活动对湖区自然环境的破坏日益加剧，森林砍伐、土地围垦会导致流域内地表侵蚀加速，水库的拦截作用等均会导致湖泊沉积物的粒度发生变化。

张清慧等结合历史文献并采用多种指标分析了近百年来人类活动对梁子湖和涨渡湖湖泊生态环境不同程度的影响，对梁子湖和张渡湖湖泊沉积物柱芯样品采用Pb 和Cs相结合的测年法计年并建立了不同深度年代序列图，通过分析湖泊沉积物中的中值粒径变化特征，结果发现在梁子湖深度为23～11 cm处，即1963—1994年期间，梁子湖湖泊沉积物中的中值粒径开始显著增大并呈现波动增长的趋势；涨渡湖湖泊沉积物自1954年以后湖泊沉积物中的中值粒径有变小趋势，见图4。分析原因认为：这是由于湖区周边人口的迅速增长和现代化农业快速发展所致，农业围垦对梁子湖湖区周边环境的破坏程度加大，导致入湖沉积物的粒度增大；而涨渡湖则因为1954年湖区筑坝后，湖坝对涨渡湖与长江水的拦截，导致湖泊水动力条件减弱，细颗粒增多，湖泊沉积物中的中值粒径出现了显著的变小趋势。

图4 梁子湖和涨渡湖湖泊沉积物柱芯样品中中值粒径 变化趋势图(改绘自张清慧等[23，34])Fig.4 Variation trend of median particle size in sediment core samples from Liangzi Lake and Zhangdu Lake (modified from Zhang et al.[23,24])

1. 2 工业发展记录

一般地，工农业的发展及废水排放的输入是造成湖泊水体中重金属元素含量变化的重要原因。湖泊沉积记录中的重金属元素研究，对反映人类活动对生态环境的影响具有重大的现实意义。前人对湖北省梁子湖高分辨率湖泊沉积物中Cu、Fe、Mn、Zn、Cd、Pb、Co、Ni等重金属元素的分布模式及其随沉积深度而发生的含量变化进行了分析，并采用归一化方法对东湖湖泊沉积物中重金属元素的来源进行了分析，认为Zn、Pb、Cu这三种重金属元素的主要来源是人类活动的输入。因此，对湖泊沉积物中重金属元素的分析主要集中于Zn、Cu、Pb这三种重金属元素上，结果发现湖泊沉积物中各重金属元素的含量整体上均呈现出随深度增加而减少的趋势，并在湖泊沉积物柱芯样品中发现在深度20 cm处湖泊沉积物中各重金属元素的含量有一峰值，见图5。

图5 梁子湖湖泊沉积物柱芯样品中重金属元素Zn、 Cu、Pb含量变化曲线(改绘自盛继超等[37])Fig.5 Variation curves of Zn,Cu and Pb element content in sediment core samples from Liangzi Lake (modified from Sheng et al.[37])

王玲玲等对梁子湖湖泊沉积物中N、3、7三个采样点中重金属元素Cu、Pb、Hg、Cr含量进行了检测，结果也发现湖泊沉积物中重金属元素含量随深度增加而减少的趋势，在深度10～20 cm处湖泊沉积物中各重金属元素含量均出现了最大值(见图6)。采用恒定补给速率(CRS)模式得出梁子湖在深度40 cm处湖泊沉积速率为3.5 mm/a。由此可知，在湖泊沉积物中重金属元素含量出现较大波动的20 cm处，沉积年代应在1956年左右。

图6 梁子湖湖泊沉积物柱芯样品中重金属元素含量 垂直变化图(改绘自王玲玲等[40])Fig.6 Vertical variation of heavy metal element content in sediment core samples from Liangzi Lake (modified from Wang et al.[40])

20世纪50年代后期，武汉地区的工业化步伐加快，一批重大工业企业都于1958年左右建成投产，冶金、机械制造、纺织和化工等行业都是武汉近现代企业发展的典型代表，以武钢为代表的一批重工业企业在武汉地区自然环境改造中发挥的作用不可小觑，这一时期造成的现代工业污染譬如矿产开采、化工厂废水排放等均导致湖泊沉积物中重金属元素含量加大，揭示出该地区人类活动对环境的影响越来越大，从图6中可以看出这一变化是从20世纪60年代左右开始的。

1. 3 环境污染记录

1.3.1 湖泊沉积物中氮磷元素含量变化

磷元素作为引起湖泊富营养化的重要因素之一，在湖泊中的沉积与人为活动息息相关。近几十年由于人类活动强度的增大，地表氮磷要素循环异常。工业废水、农业施肥、家禽饲养等大量人为营养盐类的输入导致水体中氮磷含量急剧上升，地表湖泊生态环境退化严重。湖泊沉积物中磷元素含量的变化可作为划分人类活动对东湖产生影响的标示物质,并以其含量划分底泥受人类污染的程度和范围。张清慧等采用多种沉积物指标，配合高精度Pb、Cs测年法，重建了涨渡湖200余年的环境演化史，其湖泊沉积物清晰记录出1954年以后的总有机碳(TOC)、总磷(TP)、总氮(TN)含量开始有明显升高迹象，湖泊生态系统有一定的退化，见图7。王玲玲等对梁子湖不同采样点的湖泊沉积物中TP、TN含量等进行了检测，结果也发现湖泊沉积物中TP、TN含量由表层向底层有减少的趋势(见图8)，且在深度20 cm处(1956年)其变化较为显著。

图7 涨渡湖湖泊沉积物中TOC、TP和TN含量垂直 变化图(改绘自张清慧等[23])Fig.7 Vertical variation of TOC，TP and TN in sediments of Zhangdu Lake (modified from Zhang et al.[23])

涨渡湖沉积物中沉积营养要素TOC、TP、TN等变化与1954年湖区建坝息息相关。大坝建设是导致湖泊生态系统突变的一个重要因素。自涨渡湖区建坝以后，江湖阻隔导致湖泊换水周期变长，流域入湖营养盐类蓄积，使得湖泊的营养化水平上升；梁子湖中氮、磷元素含量变化的主要原因在于20世纪50年代以来，梁子湖周边人口快速增加以及工农业的迅速发展，周边旅游、水产养殖等活动造成此阶段湖中营养盐类含量增高，氮、磷元素在梁子湖中大量输入并沉积下来，水体呈现富营养化趋势。

图8 梁子湖湖泊沉积物中TP和TN含量垂直变化图 (改绘自王玲玲等[40])Fig.8 Vertical variation of TP and TN in sediments of Liangzi Lake (modified from Wang et al.[40])

1.3.2 湖泊沉积物中沉积色素含量变化

湖泊沉积物中含有丰富的沉积色素，一般在藻类、光合细菌、水生和陆生植物等生物体内普遍存在。湖泊沉积色素丰度是反映湖泊生产力变化和指代湖泊营养化水平的重要指标。近代工农业快速发展造成的废水大量排放，引起湖泊富营养化水平升高，进而会影响湖泊沉积物中沉积色素的含量，因此湖泊沉积色素丰度可用来研究人类活动对湖泊生态系统的影响。

图9 东湖和梁子湖钻孔沉积物中沉积色素含量分布图 (改绘自顾延生等[16,19])Fig.9 Sediment pigment distribution in core sediments of Donghu Lake and Liangzi lake (modified from Gu et al.[16,19])

东湖的子湖郭郑湖中湖泊沉积物的年龄采用Pb测年法测定并建立时间序列，通过分析湖泊沉积物中沉积色素丰度指标的变化特征，结果发现：在深度28 cm处左右即1966年颤藻黄素(Osc)含量升高，指示湖泊出现富营养化，而叶绿素(CD)和总胡萝卜素(TD)等是湖泊初始生产力水平的指示剂，其含量也在同时期出现相同的变化趋势，见图9。饶钦止等对东湖浮游生物的初级生产力进行评测时，得出1963年后东湖的浮游植物初级生产力明显升高，并在之后的几年均呈现增长态势。此外，顾延生等采用Pb测年法对梁子湖约40 cm处的湖泊沉积物计年时发现，在湖泊沉积物近20 cm(1964年)处，湖泊沉积色素丰度指标显示的各类沉积色素含量也呈现快速增长的趋势，此时梁子湖处于中度富营养化水平。分析原因归结为20世纪60年代东湖水体利用的多样化，需承担周边工农业、生活、水产养殖等用水，东湖水质发生了快速改变，此时的东湖在向富营养化阶段发展；20世纪60年代奉行“以粮为纲”的农业政策，使湖区周边开始大规模农业活动，毁林开荒、滥用农药等均使得湖区此时的生态环境遭到人为的破坏，在1960年以后湖泊沉积物中沉积色素的含量明显增加。

2 武汉人类世界限讨论

上述对武汉地区人类世的探讨主要集中于武汉地区湖泊沉积物中的农业发展记录、工业发展记录和环境污染记录三个方面，可以发现武汉地区在20世纪60年代左右，湖泊沉积物中的相关指标数值变化大致呈现同步性，反映出20世纪50年代后期武汉地区基础建设步伐加快，各行各业发展蓬勃，因此本文对新中国成立以来武汉市不同年份的城市建成区面积、城市常住人口数量等相关资料进行了搜集与统计，见表2。

由表2可见：在1952—1956年武汉市的常住人口数量从131.00万人增加到220.79万人，年均增长率达34.8%；城市建成区面积也在短短几年内由34 km增加到94 km，年均增长率达10 km/a，涨幅迅猛,表明这一时期武汉地区的传统产业和配套产业快速发展,城乡整体发展动力增强。

将湖泊沉积物中的相关指标和新中国成立以来武汉地区的常住人口数量和建成区面积进行了总结分析，发现在20世纪60年代左右，武汉及其周边地区的湖泊沉积中均记录到了人类活动对自然环境的显著印记，同期的武汉地区常住人口数量和建成区面积也呈现为同步发展(见图10)，表明此时人类的工业化和城市化加速发展改造着武汉地区的自然生态系统，可推测武汉地区的人类世界限应在20世纪60年代左右。

表2 武汉市常住人口数量和建成区面积

图10 武汉地区人类世下限标志图Fig.10 Anthropogenic lower limit sign of Wuhan area

3 结 论

本文以武汉市湖泊沉积物为载体，通过对代表性湖泊东湖、梁子湖和涨渡湖等湖泊沉积物记录的信息，基于农业发展记录、工业发展记录和环境污染记录三个方面，并结合武汉城市化进程对武汉地区的人类世界限进行了研究，得到如下结论：

(1) 20世纪60年代左右，东湖、梁子湖和涨渡湖的湖泊沉积物柱芯样品中反映出湖泊沉积速率以及湖泊沉积物中的中值粒径以及重金属元素、氮磷元素、沉积色素等含量整体上均有所增加。

(2) 1956年左右武汉市的常住人口数量迅速增加，城市建成区面积的涨幅迅猛，属于武汉地区人口快速增长和城市化加快建设时期。

(3) 1960年前后，“以粮为纲”的农业政策导向、以武钢为代表的一批近现代工业企业建成投产等工农业活动的快速发展使得武汉地区的湖泊沉积记录中留下了标志性的特征。由此认为，武汉地区的人类世应以1960年左右为起点，人类活动已显著影响到该地区的地质环境，并在湖泊沉积物中留下了显著标志。