黃河口新生濕地沉積物放射性核素及其對沉積過程變化指示作用解析

王啟棟,宋金明,李學(xué)剛,袁華茂,李寧,曹磊

1) 中國科學(xué)院海洋研究所生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點實驗室,山東青島,266071； 2) 中國科學(xué)院大學(xué),北京,100049

內(nèi)容提要:為探討放射性核素對沉積速率、沉積環(huán)境變化以及重大環(huán)境歷史事件的指示作用,本文首次報道了用HPGeγ譜儀測定黃河口新生濕地柱狀沉積物中6種放射性核素活度的結(jié)果,并根據(jù)137Cs的垂直分布估算了沉積速率,探討了放射性核素與有機(jī)質(zhì)的關(guān)系及其垂直變化與沉積過程變化的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明,黃河口新生濕地柱狀沉積物中6種放射性核素的平均比活度分別為40K (687.33±54.59)Bq/kg、137Cs(8.60±1.35)Bq/kg、226Ra(29.96±4.23)Bq/kg、228Ra(69.96±6.63)Bq/kg、228Th(45.35±4.58)Bq/kg和238U(60.52±15.37)Bq/kg,與其他區(qū)域相比,黃河口新生濕地137Cs、238U含量偏高。除137Cs外,其他5種核素均與TOC呈顯著正相關(guān),表明有機(jī)質(zhì)有利于核素在沉積物中的保留。137Cs的垂直分布與黃河口凈造陸速率的年際變化具有一致性,據(jù)此估算獲得近20年該區(qū)域平均沉積速率為2.8cm/a,其中河口濕地形成初期沉積速率較高,而后逐漸減小并保持相對穩(wěn)定。放射性核素比活度的垂直變化可反映沉積過程中黃河斷流、黃河調(diào)沙以及大的洪水等重大環(huán)境事件,可以作為指示沉積變化特征的重要指標(biāo)。

地處海陸交接地帶的河口濕地,是海陸相互作用最活躍的區(qū)域。在包括人類活動在內(nèi)的諸多因素的共同影響下,河口濕地成為地球上最復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)之一,也因此成為研究的熱點。河口濕地是河流攜帶的陸源物質(zhì)及海洋生物源物質(zhì)堆積的重要場所,因此其沉積特征反映了沉積環(huán)境的變化,甚至可以作為氣候變化以及海平面波動的重要指示(Abdi et al.,2009)。

天然放射性核素廣泛分布于地球環(huán)境中,如土壤、沉積物、水和空氣等,主要包括鈾系和釷系核素以及40K。自然環(huán)境的放射性水平與地質(zhì)條件以及土壤或沉積物的形成狀況有關(guān)(Akozcan,2012)。沉積物中放射性核素的含量、分布及遷移規(guī)律是地球化學(xué)的重要研究內(nèi)容,被廣泛應(yīng)用于河口、海岸及陸架區(qū)域沉積物年齡的確定,沉積過程的揭示和物質(zhì)來源判斷等。除天然核素外,人類核試驗等活動還產(chǎn)生了137Cs等人工核素。137Cs半衰期為30.17a,在沉積物中的垂直分布通常會出現(xiàn)峰值,對應(yīng)特定的年份,因此有重要的計年意義。沉積速率或沉積物年齡的研究中一般將137Cs與210Pb的計年結(jié)果相互印證(萬國江,1997,1999)。然而在河口區(qū)域,物質(zhì)交換迅速,難以滿足穩(wěn)定的沉積通量,核素的垂直分布不再單是大氣沉降后穩(wěn)定衰變的結(jié)果,因此傳統(tǒng)的核素計年方法不再適用。如在黃河口新生濕地,沉積物主要來自于黃河泥沙,核素的分布必然與泥沙的來源密切相關(guān)。137Cs還經(jīng)常被用于土壤侵蝕的研究(張信寶等,2007),而黃河泥沙主要來自于土壤侵蝕嚴(yán)重的黃土高原,因此本文試圖從137Cs的垂直分布與黃河來沙量的關(guān)系探究河口區(qū)計算沉積速率的新方法。

黃河口濕地位于山東省東營市,是我國典型的濱海濕地。黃河入?？诘念l繁改動所造成的河口濕地復(fù)雜的沉積過程一直是研究的熱點。學(xué)者們從不同角度對黃河口濕地的沉積特征進(jìn)行了研究,但仍存在許多問題。一方面,黃河口濕地不同區(qū)域植被狀況不同,受地表徑流、潮汐作用的影響程度不同,物質(zhì)堆積狀況差異明顯。另一方面,人類以及其他生物的活動對沉積過程的擾動使得還原沉積歷史、準(zhǔn)確獲取沉積速率很困難。鑒于濕地研究的重要性以及有關(guān)黃河口濕地沉積物放射性核素從未見報道,本文用γ譜儀測定了黃河口新生濕地沉積物巖芯的放射性核素活度,根據(jù)核素垂直變化以及河口凈造陸速率的對應(yīng)變化估算了其沉積速率,在此基礎(chǔ)上,探討了放射性核素對黃河口濕地沉積變化過程特別是重大環(huán)境歷史事件的指示作用。

圖1 黃河口濕地柱狀沉積物采樣位置Fig. 1 Coring site in the wetlands of the Yellow River Estuary

1 樣品采集和測定

1.1 樣品的采集

2012年5月在黃河口濕地自然保護(hù)區(qū)黃河北岸用土壤剖面法采集柱狀沉積物樣品。采樣位置(37°46.032′N,119°09.618′E)如圖1所示(便攜式GPS導(dǎo)航儀定位),距離海岸線5～6km,距離黃河岸邊500m左右。采樣處均勻分布著翅堿蓬,在輕輕拔掉堿蓬后挖掘土壤剖面,并從表層開始按2cm間隔分層取樣至70cm,在采樣過程中避開生物洞穴、挑選無明顯生物擾動的樣品并記錄剖面的形態(tài)特征。沉積物樣品用錫箔紙包裹后保存于鋁盒內(nèi),用于實驗室測量。

1.2 樣品測定和數(shù)據(jù)分析

取一定量的樣品烘干后稱重,計算含水率。將烘干后的樣品磨細(xì),過160目篩,裝入聚乙烯樣品管中放置20天,然后用美國Canberra公司生產(chǎn)的HPGeγ譜儀測量樣品的放射性同位素的活度。效率刻度用核工業(yè)北京地質(zhì)研究院提供的標(biāo)準(zhǔn)源完成,標(biāo)準(zhǔn)源粒徑和密度與樣品接近。測量每種核素所用的γ射線特征峰及其分支比為：238U,63.2keV(分支比3.826%)和92.6keV(分支比5.41%)；228Th,238.6keV (43.6%)和583.1keV(30.96%)；228Ra,,338.7keV(11.9%)、911.2keV(27%)和968.8keV(16.3%)；226Ra, 295.2keV(19.85%)、351.9keV(37.2%)和609.3keV(46.3%)；210Pb,46.5keV(4.25%)；40K,1460.5keV(10.67%)。峰面積采用全能峰面積法計算。測量結(jié)果以活度表示,除以樣品質(zhì)量得到比活度。

沉積物有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀氧化法測定,總氮含量采用過硫酸鉀溶液消解、磺胺—鹽酸萘乙二胺光度法測定(李學(xué)剛等,2005),容重采用環(huán)刀法測量。

采用SPSS19.0和Origin9.0軟件進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)分析和制圖。

2 研究結(jié)果

2.1 放射性核素 40K、137Cs、226Ra、228Ra、228Th、238U的垂直分布

表1 黃河口濕地沉積物中的放射性核素含量(Bq/kg)Table 1 Specific activities of radionuclides in the core sediments of Yellow River Estuary wetlands

黃河口濕地柱狀沉積物中40K、137Cs、226Ra、228Ra、228Th、238U等6種放射性核素的含量(本文中核素的含量指活度濃度,即單位質(zhì)量沉積物中的核素的活度水平,或者比活度,用c表示)均服從正態(tài)分布(顯著性水平P=0.05),因此其平均含量用算術(shù)平均值表示,如表1所示。40K、137Cs、226Ra、228Ra、228Th和238U的平均含量分別為687.33±54.59 Bq/kg、8.60±1.35 Bq/kg、29.96±4.23 Bq/kg、69.96±6.63 Bq/kg、45.35±4.58 Bq/kg、60.52±15.37 Bq/kg(算術(shù)平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)。其中40K含量的變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差/算術(shù)平均值)最小,238U含量的變異系數(shù)最大,反應(yīng)出它們垂直分布的變化程度有所不同。6種放射性核素的比活度垂直分布見圖2。

40K是唯一可用γ譜方法測量且不成系存在的天然放射性核素,其半衰期高達(dá)1.277Ga。近岸沉積物中的40K主要來自于河流的搬運(陳錦芳等,2005)。與其他核素相比,40K的含量水平要高出1～2個數(shù)量級。40K在沉積物巖芯中的典型分布特征是含量隨深度變化較小。黃河口新生濕地40K的含量除在28～44cm深度段出現(xiàn)十分明顯的下降趨勢外,整體上波動幅度較小,說明物質(zhì)來源基本穩(wěn)定。137Cs是一種人工核素,主要由人類核試驗產(chǎn)生,因其半衰期只有30.17a,常被用來測定沉積物年齡。137Cs在沉積物巖芯中的分布通常與核事件密切相關(guān),因此其分布模式特征明顯,一般會出現(xiàn)明顯的峰值及斷層,而黃河口濕地137Cs的垂直分布具有很強(qiáng)的連續(xù)性,且多次出現(xiàn)極值,很可能意味著該區(qū)域137Cs的主要來源并非大氣沉降。228Ra和228Th同屬于釷(4n系)衰變系列,分別為最原始的衰變母體232Th的第一代和第三代子體,并且是整個衰變系列除232Th外半衰期最長和次長的核素,因此其在沉積物中的垂直分布十分類似。黃河口新生濕地沉積物中,228Ra和228Th的變化規(guī)律基本一致,均在30～50cm之間出現(xiàn)了向低值的劇烈波動,但是二者含量差異較大,c(228Ra)/c(228Th)為1.40～1.74,這種差異主要是由二者化學(xué)性質(zhì)的差異導(dǎo)致的遷移行為的不同所引起。228Th具有很強(qiáng)的顆?；钚?容易被顆粒吸附沉積到水底,因此康興倫等(2002)在河口沉積物中檢測到了228Th的過剩,與我們的結(jié)果正好相反,這說明在水下和陸上的沉積物中,228Ra或228Th吸附和解吸以及遷移過程的機(jī)制不同。在陸上三角洲,228Ra比228Th更容易累積,或者228Th比228Ra更容易被移出。226Ra的垂直分布波動較大,其含量在5種自然核素中最小。226Ra在河口區(qū)通常表現(xiàn)出非保守性。由于分配系數(shù)的不同,226Ra在海水中以溶解態(tài)形式存在,而在河水中則表現(xiàn)出了顆?；钚?Li Yuanhuiet al.,1979),因此黃河泥沙在堆積之前遇到海水造成226Ra的解吸以及潮水對河口濕地的侵襲是造成沉積物中226Ra含量相對較小的原因。238U難以被顆粒吸附,表現(xiàn)出非顆?；钚?。黃河口新生濕地沉積物中238U的分布與其他核素有明顯差異,50cm以前呈現(xiàn)出波動中逐漸減小的趨勢,而55cm以下又穩(wěn)定在平均值以上。c(226Ra)/c(238U)介于0.34～0.72,表層和底層較小,中間20～40cm深度段的高值是由相對較高的226Ra含量造成的,平均值為0.46,說明226Ra相對于238U有較大虧損。

同國內(nèi)其他區(qū)域相比(表2),黃河口新生濕地238U的含量明顯高于其他潮間帶,226Ra雖然低于全國平均值,但與膠州灣、興化灣潮間帶地區(qū)相當(dāng)。228Ra的含量處于較高水平,尤其c(228Ra)/c(228Th)遠(yuǎn)高于其他區(qū)域(潮間帶228Ra和228Th基本保持平衡),這可能體現(xiàn)了河口濕地和普通潮間帶區(qū)域核素遷移機(jī)制的不同,在河口濕地河流的搬運作用對核素的含量及分布有較大影響。137Cs的含量遠(yuǎn)高于其他區(qū)域,40K也高于全國平均水平。從表2中還可以看出,中國南北區(qū)域核素含量的差異,以廈門和興化灣潮間帶為代表的南部沿海釷系核素、226Ra和40K等均高于黃河口、膠州灣等北方區(qū)域,整體放射性水平也偏高。而同國外其他沿海區(qū)域相比,中國沿岸區(qū)域放射性核素的平均水平明顯偏高,體現(xiàn)了中國陸地與其他陸地土壤母質(zhì)的巖性差異。

圖2 黃河口濕地沉積物放射性核素含量的垂直分布Fig. 2 Vertical distributions of radionuclides in the core sediments of the Yellow River Estuary wetlands

2.2 放射性核素比活度比值的垂直變化

對6種放射性核素進(jìn)行聚類分析(圖3),結(jié)果顯示228Ra、228Th和137Cs具有相似的分布規(guī)律,與其他三種核素的分布規(guī)律各不相同。因此,選取變化規(guī)律差異顯著的228Ra、40K、226Ra和238U四種核素,研究了其相互之間比值的垂直分布規(guī)律(圖4)。從圖中可以看出,c(226Ra)/c(40K)、c(228Ra)/c(40K)和c(238U)/c(40K)的垂直分布與226Ra、228Ra和238U的垂直分布具有一致性,這主要是由于40K含量分布的變異性小,上下較為均一,同時也說明40K對其他核素的遷移轉(zhuǎn)化過程基本沒有影響。c(228Ra)/c(226Ra)的垂直分布趨勢明顯,40cm以上變化較小,40cm以下變化劇烈,50cm深度出現(xiàn)的極大值對應(yīng)226Ra在此處有極小值。226Ra和228Ra同為鐳的同位素,化學(xué)性質(zhì)類似,但是來源不同。228Ra的比活度水平受控于母體232Th,在長期平衡體系中與母體比活度水平保持一致,因此其與226Ra含量分布的不同本質(zhì)上體現(xiàn)的是232Th與226Ra性質(zhì)的差異,這種差異在c(228Ra)/c(238U)和c(226Ra)/c(238U)的垂直分布中也有所體現(xiàn)。c(228Ra)/c(238U)的分布與238U的分布基本相反,而c(226Ra)/c(238U)則在一定的區(qū)間內(nèi)來回波動(0.69～1.04),沒有明顯趨勢。c(228Ra)/c(238U)可以反映物質(zhì)的來源,其值越高海洋特征越明顯(李培泉等,1984)。黃河口新生濕地c(228Ra)/c(238U)平均值為0.84,表現(xiàn)為顯著的陸源特征,且其來回波動的垂直分布規(guī)律也印證了河口地區(qū)物質(zhì)堆積與海侵的交替過程。

圖3 黃河口濕地沉積物放射性核素含量聚類分析Fig. 3 Hierarchical clustering analysis of the radionuclides’ specific activities in the core sediments of Yellow River Estuary wetlands

2.3 總有機(jī)碳和總氮垂直分布特征

總有機(jī)碳(TOC)與總氮(TN)是重要的沉積物參數(shù),也是沉積變化指標(biāo)建立過程中需要綜合考慮的重要因素。黃河口新生濕地TOC和TN的垂直分布比較類似(圖5),其含量范圍分別為0.21%～1.20%、0.35mg/g～1.17mg/g,平均含量分別為0.42%、0.47mg/g,最大值和最小值均出現(xiàn)在表層和40cm深度。40cm以上,TOC和TN均呈現(xiàn)出隨深度增加而逐漸減小的趨勢,45cm以下含量又有所增加并且變化不規(guī)律。含水率的變化可能會部分解釋形成這種分布的原因。在45cm位置,含水率突然增大,45cm以上及以下的平均含水率分別為33.2%和41.1%。研究顯示,黃河三角洲地下水位埋深一般在0.5～2.5m,其中濱海地帶普遍小于1m(安樂生,2012)。因此,可以估計45cm深度以下受到了地下水系的影響,地下水?dāng)y帶的物質(zhì)及其造成的缺氧環(huán)境可能是TOC有所增加的原因之一。

表2 黃河口濕地放射性核素含量與其他區(qū)域比較(Bq/kg)Table 2 Comparison of radionuclides' activity concentrations (Bq/kg) between the Yellow River Estuary wetlands and other regions

TOC和TN在P<0.01水平上顯著相關(guān),皮爾森相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.916(如圖6),說明TN大部分以有機(jī)氮的形式存在。C/N介于5.45～10.78,TOC與C/N在P<0.01水平顯著相關(guān),皮爾森相關(guān)系數(shù)為0.618；TN與C/N也表現(xiàn)出顯著相關(guān)性(P<0.05),但皮爾森相關(guān)系數(shù)卻為正值(0.361),而如果不考慮受植物凋落物影響嚴(yán)重的表層,則二者無顯著相關(guān)性,這說明了氮的輸入輸出總是伴隨著TOC的輸入與降解,而TOC的輸入與降解還包含其他沒有氮參與的過程。

3 討論

3.1 放射性核素與TOC、TN的關(guān)系

沉積物中的有機(jī)質(zhì)能與放射性核素產(chǎn)生相互作用(Agapkina et al.,1995),從而影響其遷移分布。探究放射性核素與TOC、TN等的相關(guān)關(guān)系,不僅可以利用有機(jī)質(zhì)含量這一沉積物參數(shù)指示放射性核素可能的分布特征,還可以根據(jù)放射性核素的含量、形態(tài)及變化反映土壤有機(jī)碳庫的變化趨勢。

圖4 放射性核素含量比值的垂直變化Fig. 4 Vetical variation of the specific activity ratios of radionuclides

黃河口新生濕地土壤放射性核素含量與TOC、TN及C/N的關(guān)系見表3。由于表層TOC、TN遠(yuǎn)高于次表層及其他深度,可能是過多的植物碎屑難以去除干凈所致,因此在相關(guān)性分析時將其去除,以確保結(jié)果更準(zhǔn)確的反應(yīng)整體特征。結(jié)果顯示,除137Cs外,其他放射性核素含量都與TOC顯著相關(guān),其中40K與TOC的皮爾森相關(guān)系數(shù)最高。一般認(rèn)為40K與總鉀有恒定的含量比,40K天然豐度為0.012%,每克鉀中40K的活度為30.5Bq,研究中可以通過40K推算總鉀含量(劉廣山等,2001),因此可以說明黃河口新生濕地土壤中總有機(jī)碳與總鉀含量線性相關(guān)。Ra、Th、U等核素含量與TOC均為正相關(guān)關(guān)系,一定程度上說明了沉積物中高含量有機(jī)質(zhì)的存在有利于核素的保留,研究表明放射性核素可與腐植酸、富里酸等有機(jī)質(zhì)形成十分穩(wěn)定的復(fù)合物,尤其是錒系元素,能與土壤有機(jī)質(zhì)強(qiáng)烈結(jié)合形成1∶1或者1∶2的化合物(Carlsen,1985)。但是Ra、Th、U等核素含量與TOC的線性相關(guān)系數(shù)相對較小,這可能是由于黃河口濕地土壤有機(jī)質(zhì)含量較低,有機(jī)配體濃度不足所致。另有研究顯示,土壤有機(jī)質(zhì)的存在會降低放射性銫在粘土礦物中的分配系數(shù),從而減少Cs的吸附及其生物可利用性(Carlsen,1985),而在黃河口濕地,Cs含量與TOC不存在相關(guān)關(guān)系,一方面可能由于有機(jī)質(zhì)含量低；另一方面黃河口濕地土壤以粉砂為主,顆粒較粗,再加上河流與潮汐的沖刷,削弱了有機(jī)質(zhì)對Cs的影響。核素含量與TN的顯著相關(guān)性可能是因為TN主要以有機(jī)質(zhì)的形式存在。

表3 放射性核素含量與TOC、TN及C/N的相關(guān)性Table 3 Correlation analysis between radionuclides’ activity concentrations with TOC, TN and C/N

注：* 指P<0.05,** 指P<0.01；雙尾檢驗。

圖5 TOC和TN的垂直分布Fig. 5 The depth profile of TOC and TN

圖6 TOC和TN的線性相關(guān)關(guān)系Fig. 6 Relationship between TOC and TN

3.2 新生濕地的沉積速率

沉積速率的研究是沉積變化過程研究的核心內(nèi)容之一。利用天然同位素210Pb以及人工核素137Cs進(jìn)行測年的方法被廣泛應(yīng)用于湖泊、近岸海洋及潮間帶等區(qū)域沉積速率的研究(Li Fengye,1993, LiFengye et al.,2006；李鳳業(yè)等,2003；萬國江,1997)。利用210Pb測年的前提是沉積物中過剩210Pb的輸入通量保持穩(wěn)定且不發(fā)生沉積后的遷移,然而在黃河口地區(qū),河道改動頻繁,海陸交互作用復(fù)雜,沉積環(huán)境不穩(wěn)定,不僅可能發(fā)生鉛、鐳等元素的遷移,沉積速率也會受河水徑流量以及潮汐等因素的影響而產(chǎn)生較大變化,難以滿足測年條件。137Cs測年的依據(jù)是,由于大氣核試驗在1961～1962年間達(dá)到高峰,由此產(chǎn)生的人工核素137Cs在沉積物中的含量會在1963年出現(xiàn)峰值(1986年切爾諾貝利核泄漏對中國區(qū)的影響有待考量),而黃河口新生濕地形成于1976年黃河改道清水溝之后,因此無法以該峰值作為時間標(biāo)尺進(jìn)行計年。

顯然常規(guī)方法無法對黃河口新生濕地的沉積速率進(jìn)行研究。然而,沉積物中仍然具有較高的137Cs含量,并且隨著深度增加呈現(xiàn)出高低變化,與許多研究中(孟偉等,2005；萬國江,1999)137Cs含量在出現(xiàn)極大值的深度以上迅速衰減至淺層幾乎檢測不到的分布模式明顯不同。黃河口新生濕地的沉積物主要來自于黃河泥沙,其沉積速率的快慢也主要取決于黃河輸沙量的大小,而黃河泥沙則主要來自于黃土高原的土壤侵蝕,研究顯示每年黃土高原土壤侵蝕總量的81%都進(jìn)入了黃河(李仁英等,2004)。137Cs經(jīng)大氣干濕沉降到達(dá)地表后迅速被土壤粘土礦物和有機(jī)質(zhì)緊密吸附,它在土壤中的含量變化主要由土壤侵蝕及人為的犁耕作用等引起,所以137Cs示蹤技術(shù)被廣泛應(yīng)用于黃土高原土壤侵蝕的研究(李仁英等,2004)。由此可以推斷,黃河口新生濕地沉積物中的137Cs主要來源于黃土高原的土壤,并由黃河攜帶至河口處堆積。此外,李仁英(2003)等研究發(fā)現(xiàn)黃土高原區(qū)土壤中的137Cs含量與有機(jī)碳含量顯著相關(guān),而本研究中二者無相關(guān)性,這也證明了黃河口新生濕地沉積物中137Cs的主要來源非大氣沉降而是外部輸入。

圖7 清水溝葉瓣年均凈造陸速率與137Cs比活度垂直分布對比(造陸速率來自于魏曉燕?)Fig. 7 Comparision of the average annual net epeirogenic rate of Qingshuigou lobe with verticle distribution of specific activity of 137Cs

通過上述分析,可以認(rèn)為黃河口新生濕地沉積物中137Cs的含量與黃河輸沙量有密切關(guān)系。但是河流泥沙除在河口濕地堆積外,還有大量進(jìn)入近海,并且河口濕地還會受到海水的沖刷,造成堆積與侵蝕的交替,河口濕地沉積物只是黃河輸沙的一部分。而黃河口的造陸速率則能直接反應(yīng)物質(zhì)堆積的多少。根據(jù)沉積物容重(g/cm3),將單位質(zhì)量的137Cs活度轉(zhuǎn)變?yōu)?cm深度內(nèi)單位面積的活度(mBq/cm2),并將單位面積的137Cs活度的垂直分布與黃河現(xiàn)行流路清水溝葉瓣凈造陸速率(km2/a)的年際變化(魏曉燕?)進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)其變化趨勢具有一致性(如圖7)。引入數(shù)字信號處理中衡量兩條波形曲線相似性的算法(程乾生,2003),對兩條變化曲線的相似性進(jìn)行驗證,其中造陸速率通過線性插值方法加密數(shù)據(jù)點,結(jié)果表明137Cs單位面積活度的垂直分布曲線,與造陸速率變化曲線互相關(guān)系數(shù)為0.6(如圖8),屬于較顯著相關(guān)。由于沉積速率是變化的,因此固定坐標(biāo)下的比較會有偏差,而該算法提供了不同坐標(biāo)偏移量的比較(圖8中的橫坐標(biāo)),并且表明在圖7的坐標(biāo)中發(fā)生較小偏移后曲線吻合程度最高。

由于核素分布的諸多不確定性以及兩條變化曲線存在的部分不一致性,無法將沉積物深度與年份一一對應(yīng),但是137Cs的劇烈變化主要是由物質(zhì)堆積的變化引起,因此其活度變化劇烈的位置應(yīng)該對應(yīng)于造陸率變化劇烈的位置,也即兩條曲線中的部分極值點處相互對應(yīng)。根據(jù)上文兩條曲線相關(guān)關(guān)系的結(jié)論,對當(dāng)前坐標(biāo)進(jìn)行較小偏移后曲線吻合程度最高,因此可以推測,13cm深度對應(yīng)的年份為2007年,19cm深度對應(yīng)的年份為2004年,31cm深度對應(yīng)1996年(此處偏移較多,誤差可能較大),55cm深度對應(yīng)年份為1992年。從而進(jìn)一步計算出沉積速率為：1992～1996年間6.0cm/a； 1996～2004年間 1.5cm/a；2004～2007年間2.0cm/a；1992年以來平均沉積速率為2.8cm/a。

圖8 137Cs比活度與 造陸速率變化曲線的互相關(guān)關(guān)系Fig. 8 Cross-correlation between 137Cs specific activity and epeirogenic rate

上世紀(jì)90年代Li Fengye(1993)曾利用過剩210Pb的方法對取自黃河口的柱狀沉積物樣品進(jìn)行沉積速率的研究,其中的6-1’(37.80°N,119.28°E)柱樣位置與本文的采樣位置十分接近,其沉積速率為8.9cm/a。丁玉蓉等(2012)等則根據(jù)黃河三角洲分流河道頻繁改動過程中不同葉瓣體相互疊加所形成的沉積序列,計算1976年以來所形成的新生濕地的沉積速率,其中距離本文采樣位置最近的樣點其平均沉積速率為4.1cm/a。本研究根據(jù)比對137Cs含量的垂直分布和凈造陸速率年際變化的方法所獲取的沉積速率,與上述研究結(jié)果相當(dāng),并且反應(yīng)了不同時期沉積速率的變化。黃河口新生濕地形成早期,大量泥沙堆積,河口快速向海延伸,沉積速率較快；上世紀(jì)90年代中后期,黃河出現(xiàn)大面積長時間的斷流,來水來沙急劇減少,造陸緩慢甚至出現(xiàn)了凈蝕退,沉積速率也相應(yīng)較?。槐臼兰o(jì)初,黃河實行調(diào)水調(diào)沙,來沙量增加,再加上堿篷等植被的生長,沉積速率又有所增加。

圖9 1995年和1999年采樣點附近狀況對比Fig. 9 Comparison of landscapes around sampling site between 1995 and 1999

3.3 核素與沉積過程的變化

根據(jù)137Cs的垂直分布獲得的沉積速率,可將沉積深度與年份相對應(yīng)。自黃河改道清水溝以來,發(fā)生過數(shù)次會對沉積過程產(chǎn)生影響的事件,如1982年的黃河大洪水,1996年清8出汊,1997年長達(dá)226天的斷流和330天無水入海,2002年開始的黃河調(diào)水調(diào)沙,2003年10月遭受強(qiáng)大風(fēng)暴潮襲擊等(張曉龍,2005)。這些事件造成了沉積過程的突然變化,同時也使得放射性核素的含量及其比值發(fā)生突變,因此在137Cs計年的基礎(chǔ)上,放射性核素及其比值的垂直變化可以作為反映沉積變化過程以及沉積歷史事件的重要指標(biāo)。

40K、238U、228Ra、228Th等核素在40cm左右出現(xiàn)極低值,226Ra的極低值出現(xiàn)在50cm左右。根據(jù)計年結(jié)果,40cm～50cm段處于1992～1996年間,該階段黃河口造陸緩慢,黃河單股入海,兩側(cè)發(fā)生了侵蝕。而采樣位置當(dāng)時距河道較遠(yuǎn),距海較近,侵蝕比較嚴(yán)重(圖9左),因此幾種核素的含量幾乎成線性逐年降低,226Ra的變化較其他核素提前,可能是由于其遇到鹽度較高的海水,比其他核素更快解吸釋放的緣故。1996年以后清8出汊,樣點位置十分靠近河道,加之植被開始生長(圖9右),顆粒物大量堆積,核素活度開始逐漸增加,但由于斷流的頻繁出現(xiàn),因此變化較為曲折。在20cm左右,放射性核素活度出現(xiàn)極大值,可能意味著黃河調(diào)水調(diào)沙的開始,而這之后K、Ra元素的活度又出現(xiàn)較大程度的降低,可能是受極端天氣條件的影響,如暴雨沖刷和風(fēng)暴潮等。從放射性核素比值看,1996年以前c(228Ra)/c(226Ra)變化劇烈,1996年以后變化不大,意味著該比值可能與河道的形態(tài)有關(guān),而沒能反映出黃河水沙的變化；c(226Ra)/c(238U)自表層至底層不規(guī)律的波動,則體現(xiàn)了河流來沙的不連續(xù)性,黃河每年汛期(7～10月)的來沙量占全年85%以上(張曉龍,2005),因此在一年當(dāng)中,黃河口區(qū)域可能會經(jīng)歷快速的堆積以及長時間侵蝕等過程,尤其是調(diào)水調(diào)沙以來,黃河來水來沙的突變性更強(qiáng),體現(xiàn)在c(226Ra)/c(238U)在淺層的波動比深層更劇烈。

放射性核素的遷移受多種因素影響,且不同的核素之間也有較大差別,因此物質(zhì)來源的變化只是造成核素垂直分布變化的部分原因,但是核素含量的大幅度劇烈變化主要由物質(zhì)輸入的改變引起,而且核素的遷移變化有規(guī)律可循,因此核素活度水平的垂直變化仍不失為一種指示沉積過程變化的有效指標(biāo)。

4 結(jié)語

本文首次報道了用HPGeγ譜儀測定黃河口新生濕地柱狀沉積物中6種放射性核素活度的結(jié)果,并根據(jù)137Cs的分布估算了沉積速率,探討了放射性核素與有機(jī)質(zhì)的關(guān)系及其垂直分布對沉積過程變化的指示作用,獲得的主要結(jié)論如下：

(1)黃河口新生濕地柱狀沉積物中40K、137Cs、226Ra、228Ra、228Th和238U等6種放射性同位素的平均含量為(687.33±54.59)、(8.60±1.35)、(29.96±4.23)、(69.96±6.63)、(45.35±4.58)和(60.52±15.37)Bq/kg,與其它地區(qū)潮間帶相比,137Cs、238U含量水平較高,228Th相對較低,總體與全國土壤平均水平相當(dāng),高于國外部分區(qū)域及世界平均水平。

(2)TOC和TN的含量分別為0.21%～1.20%、0.35mg/g～1.17mg/g,平均值為0.42%、0.47mg/g,表層最高,40cm處最低,隨著深度增加呈現(xiàn)出逐漸減小后又有所增加的趨勢。除137Cs外,其他核素含量都與TOC顯著正相關(guān),說明高含量的有機(jī)質(zhì)有利于這些核素在沉積物中的保留,例如有機(jī)質(zhì)可與放射性核素形成穩(wěn)定復(fù)合物。而137Cs與有機(jī)質(zhì)不存在顯著相關(guān)性可能是TOC含量較低所致。核素含量與TN之間的顯著相關(guān)性主要是由于TOC和TN之間較強(qiáng)的線性相關(guān)性,TN大部分以有機(jī)質(zhì)的形式存在。

(3)黃河口新生濕地沉積物主要來自于黃河泥沙,而137Cs則是研究黃土高原土壤侵蝕的重要示蹤劑,對比137Cs的垂直分布以及黃河口年均凈造陸速率,可估算黃河口濕地近20年來的平均沉積速率為2.8cm/a,并且濕地形成初期沉積速率較快,而后逐漸減小至相對穩(wěn)定。該結(jié)果與通過其他方法計算的黃河口新生濕地沉積速率相當(dāng)。

(4)河口濕地沉積物中放射性核素的垂直分布可以反映沉積速率變化,河流改道、斷流,入海水沙變化以及極端氣候等歷史事件,可作為指示沉積過程變化的指標(biāo)。

注 釋 / Note

? 魏曉燕. 2011.黃河三角洲清水溝流路葉瓣演化規(guī)律. 導(dǎo)師：李廣雪. 中國海洋大學(xué)碩士學(xué)位論文.