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基于高分辨率沉积指标重建呼伦湖近期沉积环境农业演变过程

时间:2018-09-13 18:49来源:硕士论文作者:lgg 点击:
本文是一篇农业推广论文,农业推广(暂用名)硕士是国务院学位委员会1999年批准设立的专业学位,培养领域从最初的4个拓展到15个,培养方向涉及种养殖技术类、农业与食品工程类。
本文是一篇农业推广论文,农业推广(暂用名)硕士是国务院学位委员会1999年批准设立的专业学位,培养领域从最初的4个拓展到15个,培养方向涉及种养殖技术类、农业与食品工程类、农村发展与服务管理类三个学科类别,培养了数以万计的高层次农业领域的复合型、应用型人才。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇农业推广论文,供大家参考。
 
1 引言
 
1.1 研究背景
湖泊作为陆地水圈的重要组成部分,与地球上的大气圈、生物圈和岩石圈有着密切的联系,同时在整个生态系统中也扮演着特殊的作用和重要的功能[ 1]。湖泊是陆地表面封闭洼地中积水形成的宽阔水域,从自然角度讲,湖泊内的水体参与自然界中的水分循环,可以储蓄和调节区域地表径流,促使当地水流保持平衡,防洪减灾,并提供水体生物生存的环境;从经济角度讲,湖泊为人类活动和生产提供必要的水资源,同时也能在渔业、交通业、旅游业等方面产生经济效益。我国湖泊数量众多,全国共有 2693 个,分布在 28 个省(自治区、直辖市),面积总计 81414.6 km2, 面积大于 1000 km2的特大型湖泊有 10 个,小于 10 km2的小型湖泊有 2000 个。其中,湖泊数量和面积最多的省份依次是西藏自治区,内蒙古自治区和黑龙江省[ 2]。我国对于湖泊资源的开发利用历史悠久,这在国民经济和社会发展发面占有重要的位置。然而,长期以来,由于人们对湖泊生态系统脆弱性的认识不足,以及缺乏环保意识,随着社会和经济的发展,湖泊在给人们带来诸多益处的同时也遭受着人为的污染物排放、被过度利用的巨大压力,这对湖泊生态系统产生了极其不良的影响。尤其近几十年来,我国湖泊由于受到气候变暖和人类活动的双重作用,造成湖泊生态系统的严重退化,湖泊因水资源短缺引起的湖泊水位下降、面积萎缩、湖水水质恶化等问题日益突出。而对于干旱半干旱区域湖泊,这种威胁更为严重,湖泊逐渐咸化或者干涸,最终造成湖泊水生动植物灭绝,彻底丧失湖泊的生态环境和服务功能。这些都给区域的经济和社会的可持续发展带来了巨大的威胁和挑战,因此,研究改善湖泊生态环境,恢复湖泊生态功能将是亟待解决的问题。
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1.2 研究目的与意义
呼伦湖,是我国第五大湖,也是北方第一大湖,位于内蒙古自治区东北部,北邻俄罗斯,南与蒙古国接壤,处于中、蒙、俄三国交界处。湖泊地处内蒙古呼伦贝尔草原腹地,水域辽阔,享受―草原明珠之称。1985 年《内蒙古草地类自然保护区规划》将呼伦湖及周边草原规划在其中,于1990 年将湖区及周边草原共 7400km2划定为自治区级保护区,又在 1992年被国务院批准成为国家级保护区,在 2002 年被联合国被列入“国家重要湿地名录”,同年加入联合国教科文组织生物圈保护区网络[ 4, 5]。呼伦湖与呼伦贝尔草原及大兴安岭共同形成了北方重要的生态屏障,对维持我国北方地区的生态安全,促进经济社会可持续发展有着不可替代的作用[ 6]。由于气候变化和人类活动的影响,入湖河流的补给量急剧减少,致使呼伦湖水位逐年下降、水面减小、湿地面积萎缩、湖水水质恶化、周边草地植被退化、土地沙化等趋势,呼伦湖正面临着严重的生态危机,并威胁着整个呼伦贝尔草原以及北方地区的生态安全。但受制于历史资料不足及野外试验开展困难等原因,对于呼伦湖环境状况,及引起环境变化因素的研究还一直处于初级阶段。湖泊作为一个相对独立的体系,经历了较长的地质历史,其连续的沉积和沉积物中保存的丰富信息,加上快速的沉积速率,使湖相地层可提供区域环境、气候和人类活动事件的高分辨率连续记录,从而成为全球气候环境变化研究的重要载体。利用湖泊沉积物来解译湖泊沉积过程及历史环境情况,可获取大量无法实测获得的历史资料。这一优势正好弥补了呼伦湖研究区历史资料不足的研究困境,能够为开展现代呼伦湖研究提供可靠的参考依据。
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2 研究区概况及研究方法
 
2.1 研究区概况
2.1.1 地理位置及其形态概况
呼伦湖,也称达赉湖,为中国第五大湖,也是我国北方最大的湖泊,位于内蒙古自治区满洲里市及新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗之间,地理坐标在 116°58’~117°48’E,48°33’~49°20’N 之间(图 2)。呼伦湖东边是大兴安岭,西边及南边是蒙古高原,是全球范围内寒旱区极为罕见的具有生物多样性和生态多功能的草原型湖泊湿地生态系统。全流域面积为 25.6万 km2,我国部分为 9.3 万 km2,所占比例为 37.3%;蒙古国部分为 16.3万 km2,所占比例达 63.7%[ 70]。呼伦湖湖面成不规则长方形,湖长为 93 km,最大宽度为 41 km,湖周长为 480 km。湖泊水位处于最高时,水深可达 8 m,最高蓄水量为 120 m3。近年来,由于气候和人为的因素影响下,呼伦湖径流量减少,湖泊水位下降,面积减小,水质变差,同时,由于水土流失和草地退化使得进入呼伦湖的污染物浓度加大,湖泊水环境及其生态环境的恶化受到了广泛的关注。呼伦湖地区处在半干旱的高纬度地带,属中温带大陆性气候。选取呼伦湖周边的新巴尔虎右旗气象站近 50 年来的气温数据分析,呼伦湖区域的年平均气温为 1.2 ℃。年平均气温的年际变化和年内变化情况如图 3、图 4 所示。从图 3 所示,呼伦湖地区 50 多年来的平均气温在-1-4 ℃之间波动,最低平均气温出现在 1966 年,最高平均温度出现在 2007 年,从整个时间尺度上看,该地区的温度呈现逐渐上升的趋势,这与全球气候暖干化的趋势一致。从图 4 的年内温度变化看,呼伦湖区域的气温最高时间为每年的 7 月份,平均值为 20.87 ℃,每年 1 月份的温度最低,为-22.86 ℃。每年 1 月份到 12 月份的气温变化呈正态分布状,从 1 月份开始升高到 7 月份达到最高,随后开始下降,到次年的 1 月份达到最低值。呼伦湖区域冬季漫长,气温都在零度以下,夏季也较为凉爽。
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2.2 样品的采集和分析
根据呼伦湖的地形特点,并考虑最少的人为和水流的扰动影响下,于2015 年 6 月在湖中心水深最大同一位置处利用 Glew[ 91]重力取样器取得 41cm 和 24 cm 的两个沉积物岩芯样(图 19),取样后立即在现场取样船上进行样品切割,首先将上覆水约 5 cm 先通过仪器上推排出,剩余的少量再用吸管吸出,尽量避免对悬浮层的扰动(图 20)。其中,41 cm 的沉积物岩芯用来进行沉积物的物理指标含水量、密度,沉积物的 TOC、TN、TP、13C,粒径,测年的放射性核素210Pb 和137Cs 等指标的分析。利用取泥器上的刻度值按照每间隔 1 cm 的厚度分别将岩芯切割,共 41 个样品,切割完的样品存放于密封袋并标记,然后放入保温箱中带回实验室。另一个 24 cm 的沉积物岩芯用来进行沉积物间隙水的分析,为了保证采集到的间隙水量的使用,按照仪器设计的操作方法对柱样以每 2 cm 为间隔进行切割,共 12 个样品,切割完的样品存放于密封袋,避免因蒸发而引起的分馏作用发生。最后一起放入保温箱,带回实验室进行后续实验。为了与间隙水作对照参考,利用手持式电动深水采样器在沉积物取样处采集上覆水体水样,由上至下分别取得水体表面、中间、底部共三层 3 个水样(图 19)。在不同深度取样时,为了防止采集管在降落过程中造成的水体混合,取样时最初抽出的水样排出不作为实验的样品。同时对呼伦湖周边 7 个水井进行了取样,取样的水井都为浅水井,深度在 1-15 m 之间。由于呼伦湖东部区域的现有水井较少,同时交通不便,因此只取得湖西部区域的井水样品。采集的所有水样立即用封口膜密封在 100 ml 的聚乙烯瓶中,放于保温箱,带回实验室。
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3 呼伦湖沉积物年代分析 ............. 33
3.1 210Pb 和137Cs 计年原理 ..... 33
3.2 呼伦湖沉积物岩芯210Pb 和137Cs 剖面特征 ............. 36
3.3 呼伦湖沉积物岩芯年代的确定 ............. 38
3.4 本章小结 ...... 40
4 沉积物有机物指标特征及其信息记录 ........... 41
4.1 有机物指标的沉积学意义 ........... 41
4.2 呼伦湖沉积物有机物指标的环境指示意义 .... 43
4.3 对照岩芯有机物指标的分布特征 ......... 52
4.4 沉积物有机物指标分析结果与实测水质数据的对比 ......... 55
4.5 呼伦湖富营养化过程及其影响因素分析 ......... 57
4.5 本章小结 ...... 62
5 沉积物粒度变化特征及其信息记录 ..... 63
5.1 沉积物粒度的沉积学意义 .......... 63
5.2 呼伦湖沉积物粒度的分布特征 ............. 64
5.3 对照岩芯的粒度分布特征 ........... 73
5.4 呼伦湖沉积物粒度的指示意义 ............. 76
5.5 本章小结 ...... 82
 
6 沉积物间隙水指标记录的信息
 
6.1 沉积物间隙水的沉积学意义
封闭湖泊中的水文条件对气候的变化非常敏感,很容易受到气候变化的影响而发生改变,进而改变湖泊的水化学环境。因此,如果能够获知湖泊中水环境指标(如盐度、营养元素)的历史变化,就可能够反映出湖泊水位、水量的变化,进而解译出区域的气候环境。这种直接与间接的关系可以应用于沉积学的研究上,但前提是:假设历史时期湖水中由于环境变化而使得湖水中溶质浓度的变化可以在沉积物或沉积物间隙水中记录并保存,这些信息可能直接通过间隙水中的溶质来体现,这样一来,通过直接测量沉积物间隙水中的溶质分布就能够获知各个历史时期湖泊的水质、水位,以及区域气候环境的状况,为研究古湖泊学提供简便、高效的证据。尽管沉积物间隙水中蕴含着重要的沉积信息或是与沉积物产生作用的信息,但由于各个湖泊沉积物的组成不同,再加上地下水、湖水与沉积物的通过扩散、对流方式相互渗透、相互作用造成沉积物孔隙水的复杂性,将其直接应用于古湖泊学的环境解译研究上有一定的困难,并且目前还存在争议[ 181]。但是对于一些湖泊、海洋沉的沉积物的主要成分为粘土类物质,由于其渗透性极差孔隙水交替缓慢,在粘性土中滞留时间长,可以保留沉积时期及其封存后的地球化学特征,可以成为极有价值的古环境信息载体。已有大量研究成功的将沉积物间隙水中溶解性化学物质作为具有沉积学意义的指标来解译历史时期的环境,包括在湖泊和海洋沉积物的研究上。
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结论
 
本文通过对呼伦湖沉积物指标的分析,重建了呼伦湖近 60 年来湖泊环境的变化过程,并有效的解译出引起湖泊环境变化的自然和人为驱动因子,弥补了研究区资料不足的问题。在此基础上,本研究将沉积物间隙水指标进行分析,探索其作为解译过去湖泊环境指标的可能性。同时,根据沉积物环境指标与实测数据的分析对比,确定了沉积物中各指标对呼伦湖环境、气候、以及人类活动的指示意义,主要结论如下:
(1)呼伦湖沉积物中的有机物来源主要是来自陆源有机物,约占 80%左右,而内源浮游生物有机物所占的比例为 20%。
(2)呼伦湖外源物质从 1980 年开始增加,主要与这一时期流域内人为的不合理放牧制度有关。而 2000 年以后的内源有机物增多与湖泊径流量锐减,水位下降有关。根据沉积物有机物指标(TOC、TN、C/N 比、δ13C、TP 等)的记录表明, 1980 年开始的外源输入增加并没有引起湖泊水体环境的剧烈改变,而从 2000 年开始湖泊内源物质浓度的增加与湖泊富营养化过程发生的时间点一致对应,因此认为河流径流量和湖泊水位的变化导致营养物质浓缩是呼伦湖水体恶化、富营养化的直接原因。
(3)呼伦湖沉积物平均粒径的峰谷值分别与对应年份的年降雨量、年径流量变化的峰谷值对应,具有良好的同步性变化趋势。因此,在短时间尺度上,呼伦湖沉积物的粒度大小能够较好的指示过去降雨量和径流量的大小,进而指示过去的气候条件。
(4)呼伦湖沉积物能够有效的记录人类活动事件信息。沉积物深度32-38 cm 段与其他部分的沉积物的粒度参数呈现明显的差异,这一时段对应的时间大体是呼伦湖出口被封堵的时期。湖泊出口被封堵时,由于没有流动产生的水力梯度,而且小颗粒物质又因没有出流而不能排出湖内,导致沉积物粒度的粘土和粉砂成分增加,平均值减小,这使得粒度在沉积物中的分布呈现明显的变化特征。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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