長江口及其鄰近海域表層沉積物粒徑及生源要素分布特征

樊 鑫, 程芳晉, 俞志明, 宋秀賢

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長江口及其鄰近海域表層沉積物粒徑及生源要素分布特征

樊 鑫1, 2, 3, 程芳晉4, 俞志明1, 2, 3, 宋秀賢1, 2, 3

(1. 中國科學院海洋研究所海洋生態(tài)與環(huán)境科學重點實驗室, 山東青島 266071; 2. 中國科學院大學, 北京 100049; 3. 青島海洋科學與技術國家實驗室海洋生態(tài)與環(huán)境科學功能實驗室, 山東青島 266071; 4. 青島市環(huán)境監(jiān)測中心站, 山東青島 266003)

針對2015年長江口及其鄰近海域所采集的43個表層沉積物樣品, 通過粒徑分析以及生物硅(BSi)、總有機碳(TOC)和總氮(TN)等生源要素參數(shù)的測定, 系統(tǒng)探討了長江口表層沉積物粒徑及生源要素的時空分布特征以及各要素的相互關系。結(jié)果表明: (1)長江口及其鄰近海域表層沉積物組成以黏土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂和砂為主。研究區(qū)域內(nèi), 粒徑組成呈現(xiàn)明顯的“南細、北粗, 近岸細、離岸粗” 的分布特征, 長江口及浙江近岸泥質(zhì)區(qū)的表層沉積物粒度最細, 中值粒徑(Φ)在5以上; (2)調(diào)查海域表層沉積物中BSi含量在0.22%~1.82%之間, 沉積物中粉砂、黏土含量及平均粒徑(Φ)均與BSi含量呈顯著正相關(<0.01), 黏土礦物和粉砂較多的細顆粒沉積物更易累計和保存BSi; (3)TOC和TN的含量分別在0.04%~1.17%和0.01%~0.26%之間, 其分布特征與沉積物中值粒徑(Φ)和BSi的分布也有明顯的正相關性, 說明細顆粒沉積物更有利于有機質(zhì)保存, 表層沉積物中的硅藻可能是有機物的來源之一。

長江口; 沉積物; 粒度; BSi; 有機質(zhì)

長江口是我國第一大河口, 獨特的地理位置、季風和環(huán)流條件使其成為一個結(jié)構(gòu)復雜、條件多變、功能多樣的河口生態(tài)系統(tǒng)[1], 是河口和海洋研究的熱點區(qū)域之一。長江每年輸入河口海域的泥沙達到4.7億t[2], 泥沙攜帶著大量的陸源有機質(zhì), 經(jīng)過水動力分選、分解、礦化和混合作用后沉降, 其反應的環(huán)境信息也在沉積物中得到保存, 因此通過分析和研究沉積物中生物、化學等指標, 能夠幫助我們了解沉積環(huán)境以及上層水體的變化情況。

國內(nèi)外對于長江口及其鄰近海域表層沉積物研究較多, 研究方向較為廣泛, 大多研究側(cè)重于表層沉積物中某一要素進行分析。如劉紅等[3]對長江口表層沉積物粒度時空分布特征進行了研究, 得到了長江口表層沉積物中值粒徑和類型分布; 于培松等[4]報道了長江口和東海海域沉積物粒徑對有機質(zhì)分布的影響, 發(fā)現(xiàn)粒徑和有機質(zhì)分布有很好的相關性; Kao等[5]對東海陸架至南沖繩海槽表層沉積物有機質(zhì)的含量及其穩(wěn)定同位素的組成分布特征進行了研究; 李浩帥等[6]對長江口及鄰近海域表層沉積物中的生物硅分布特征進行研究, 并探究了影響生物硅保存的因素; 亢振軍等[7]研究了長江口南部赤潮區(qū)域春季表層沉積物中色素的組成、含量以及分布狀況。針對長江口及其鄰近海域表層沉積物多種特征要素之間相互關系的研究報道有限, 本文對長江口及其鄰近海域表層沉積物的粒度、BSi和有機質(zhì)的空間分布特征和各要素之間的相互關系進行了系統(tǒng)分析, 為了解主要生源要素在長江口及其鄰近海域的生物地球化學過程提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2015年8月和11月, 借助“科學3號”科考船在長江口及其鄰近海域, 使用箱式采泥器共采集表層沉積物樣品(表層1~3 cm)43個(圖1), 其中8月采集樣品12個、11月采集樣品31個。樣品采集后置于封口袋中于–20℃條件下冷凍保存, 帶回實驗室測定各種參數(shù)。

圖1 采樣站位

1.2 分析方法

1.2.1 粒度組成分析

使用MalvernMastersizerA3000激光粒度儀對表層沉積物樣品進行粒度分析。具體分析步驟參照海洋底質(zhì)調(diào)查技術規(guī)程: 沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥, 取約50 mg于燒杯中, 先后加入過量的1 mol/L的HCl 和30%的H2O2溶液去除碳酸鹽和有機質(zhì), 用超純水反復清洗至中性, 經(jīng)超聲波震蕩分散后上機測試, 測量范圍為0.05~2 000 μm, 重復測量相對誤差<2%。參照Shepard沉積物分類方法[8]對沉積物進行類型劃分命名。

1.2.2 生物硅的分析

生物硅參考Mortlock等[9]和DeMaster等[10]的方法進行測定。沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥后, 稱取100~150 mg于100 mL聚乙烯離心管中, 加入10%的H2O2和1mol/L的HCl去除碳酸鹽和有機物, 促進沉淀物分解, 使蛋白石表面暴露, 易于溶解。加入超純水反復清洗、離心3次, 棄上清液, 置于烘箱中60℃干燥, 后加入40 mL的Na2CO3(2 mol/L)溶液在85℃水浴中連續(xù)提取8 h, 每次提取0.2 mL上清液測定, 取完樣混勻后重新放回水浴中。提取液采用硅鉬藍分光光度法測定吸光值, 經(jīng)計算后繪制硅含量隨時間的變化曲線, 其直線部分的反向延長線與y軸的交點即為沉積物中生物硅的含量。每個樣品設置3個平行, 測量結(jié)果相對誤差<10%。

1.2.3 TOC和TN分析

TOC和TN使用varioMACRO cube 元素分析儀進行測定。沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥后, 準確稱取30.0~40.0 mg, 加入5~10 mL的HCl(1mol/L)溶液去除無機碳[11], 加入超純水反復清洗、離心3次, 棄上清液, 置于烘箱中60℃干燥后上機測定。每個樣品設置3個平行, 測量結(jié)果相對誤差<3%。

2 結(jié)果

2.1 沉積物粒度分布特征

圖2是研究區(qū)域表層沉積物類型圖。通過圖2a可見, 長江口及其鄰近海域表層沉積物類型包括粉砂(T)、砂(S)、砂質(zhì)粉砂(ST)、粉砂質(zhì)砂(TS)、黏土質(zhì)粉砂(YT)和混合組分(STY), 其中以黏土質(zhì)粉砂(YT)、粉砂質(zhì)砂(TS)和砂(S)為主。研究區(qū)域內(nèi)各粒徑組分有明顯的區(qū)域性特征, 黏土質(zhì)粉砂(YT)主要分布在杭州灣南端(約30°N)以南海域, 平均粒徑平均值為64.46 μm; 而砂(S)和粉砂質(zhì)砂(TS)則主要分布在北部海域, 平均粒徑平均值達到132.93 μm (圖2b)。

圖2 表層沉積物類型

在研究區(qū)域中, 表層沉積物組成以砂和粉砂組分為主, 黏土含量整體較低, 在0.71%~39.63%之間(圖3c), 這是由于長江口及其鄰近海域水流強度較大, 水動力較強[12]所致。研究區(qū)域中, 以30°N為界, 表層沉積物中粒徑組成差異明顯, 主要表現(xiàn)為: 30°N以北區(qū)域, 表層沉積物中砂含量表現(xiàn)為近岸到外海先升高后降低的趨勢, 而其南部表層沉積物中砂含量呈現(xiàn)從近岸到外海升高的單一趨勢。砂含量在長江水下三角洲東北和東南部最高, 可達80%以上(圖3a); 同樣, 粉砂和黏土含量變化趨勢一致, 在30°N以北, 近岸最高, 向外海逐漸降低, 后再升高; 在30°N以南, 從近岸到外海逐漸降低。其百分含量最高值均出現(xiàn)在浙江近岸海域, 粉砂含量(9.41%~ 85.53%)明顯高于黏土含量(3b和3c)。

圖3 表層沉積物各組分含量(a)砂、(b)粉砂、(c)黏土和(d)中值粒徑(Φ)分布

表層沉積物中值粒徑在0.83Φ~7.64Φ之間, 平均值為5.14Φ。長江口和浙江近岸海域的泥質(zhì)區(qū)域表層沉積物中值粒徑的Φ值較高, 在5以上, 浙江近岸海域則達到7以上; 中值粒徑最小的區(qū)域出現(xiàn)在長江口水下三角洲東北部以及東海陸架中部和外部的砂質(zhì)海域, Φ值在3左右(圖3d)。

總體而言, 長江口及其鄰近海域表層沉積物組分呈現(xiàn)“南細、北粗, 近岸細、離岸粗”的分布特征, 這與前人的研究結(jié)論相符, 即東海陸架表層沉積物砂質(zhì)組分為背景, 長江口和閩浙沿岸是東海陸架表層沉積物的兩個泥質(zhì)亞區(qū)[13-16], 表層沉積物以細顆粒物質(zhì)為主。

2.2 表層沉積物中BSi分布

本研究43個表層沉積物樣品的BSi含量在0.22%~1.82%之間, 平均值為1.19%(表1), 本文結(jié)論與之前長江口及其鄰近海域的BSi研究結(jié)果(0.19%~1.64%)[6, 17-18]基本一致, 有所偏高。BSi的最高值出現(xiàn)在浙江近岸海域的33號站位, 而最低值出現(xiàn)在最北部的3號站位。從圖4可見, 表層沉積物BSi的分布趨勢和中值粒徑的分布類似, 即在近岸的泥質(zhì)區(qū)含量較高, 在30°N以北區(qū)域向外海先降低后升高, 在30°N以南區(qū)域呈現(xiàn)向外海單一降低的趨勢。

表1 表層沉積物BSi含量

圖4 表層沉積物BSi含量分布

2.3 表層沉積物TOC和TN分布

研究區(qū)域內(nèi)表層沉積物TOC和TN含量分別在0.04%~1.17%和0.01%~0.26%之間, 平均值分別為0.58%和0.09%。從圖5a、5b可見, 長江口及其鄰近海域表層沉積物中TOC和TN分布趨勢與沉積物中值粒徑的分布類似(圖3d), 均從近岸到外海陸架呈現(xiàn)明顯的梯度分布, 長江口及浙江沿岸海域表層沉積物中值粒徑較大(>5Φ), TOC和TN含量較高(TOC>0.45%, TN>0.08%)。在30°N以北區(qū)域, 隨著中外陸架區(qū)域沉積物中值粒徑Φ值先減小后增大, TOC和TN含量也先降低(TOC<0.25%, TN<0.02%)后升高; 而在在30°N南部研究區(qū)域, TOC和TN含量從近岸向外海逐漸降低即沉積物顆粒越細, 對有機質(zhì)的累積富集能力越強[19]。TOC和TN含量與中值粒徑(Φ)具有顯著的相關性(<0.01), 相關系數(shù)分別為0.74和0.70。眾多研究表明, 長江口沉積物粒徑組成和有機質(zhì)分布有著密切的相關性[4, 20-21], 本文研究也證實了該觀點。

圖5 表層沉積物(a)TOC和(b)TN分布

研究區(qū)域中表層沉積物的TOC和TN含量具有顯著的相關性(=0.72,<0.01)。大多表層沉積物C/N質(zhì)量比高于海洋浮游植物的Redfield比值(5.7) (圖6), 除個別站點外, C/N質(zhì)量比均在7以上, 平均值為10.18, 說明研究區(qū)域受到陸源有機質(zhì)輸入的影響較大[22-23]。

圖6 表層沉積物中TOC和TN關系(實線為Redfield質(zhì)量比)

3 討論

3.1 表層沉積物粒徑對BSi分布的影響

通過分析表層沉積物BSi含量和砂(a)、粉砂(b)、黏土(c)和平均粒徑(Φ)(d)的相互關系可知, 長江口及其鄰近海域表層沉積物中BSi累積量和粒徑各組分之間都存在顯著的相關性(<0.01), 其中BSi與砂含量呈負相關, 相關系數(shù)= –0.83; 與粉砂、黏土和平均粒徑(Φ)呈正相關, 相關系數(shù)分別為0.77、0.75和0.86(圖7)。說明沉積物的粒徑組成是影響B(tài)Si保存的重要因素, 相比于砂質(zhì), BSi更易保存于粉砂和黏土質(zhì)沉積物中。前人研究結(jié)果表明, BSi在粗顆粒沉積物中的溶解速率要高于在細顆粒中的溶解速率[24], 長江口及其鄰近海域表層沉積物中的細顆粒物質(zhì)(2~20 μm)有一部分是沉降的硅藻碎屑[25-26], 這可能也是BSi在細顆粒沉積物中含量較高的原因之一。

3.2 沉積物TOC、TN與BSi的相互關系

Romero O等[27]的研究表明, 沉積物有機質(zhì)的含量分布與BSi的保存和累積密切相關; 而DeMaster D J等[28]的研究也顯示, 有機質(zhì)可以降低沉積物中BSi的溶解速率, 起到保存BSi的作用。本文的研究結(jié)果顯示, BSi%與TOC%、TN%均存在顯著的正相關性(<0.01), BSi%與TOC%、TN%回歸方程相關系數(shù)分別達到0.84和0.80(圖8)?？梢酝茢喙柙蹇赡苁情L江口及其鄰近海域表層沉積物有機質(zhì)的主要貢獻者之一。

侯立軍等[29]通過對長江口潮灘沉積物BSi的研究表明, 在潮灘沉積物中, BSi的溶解難度遠高于有機質(zhì)的分解。在本研究中, TOC和BSi的摩爾比值在0.36~2.13之間, 平均值為1.12, 遠低于Redfield比值(TOC/BSi=6.63)[30], 進一步證明在長江口及其鄰近海域表層沉積物中, BSi的溶解速率要遠遠低于有機質(zhì)的分解速率。

圖7 表層沉積物中BSi和各組分、平均粒徑(Φ)的關系

圖8 表層沉積物BSi和TOC.TN的關系

4 結(jié)論

(1) 長江口及其鄰近海域表層沉積物類型以黏土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂和砂為主。以杭州灣南端(約30°N)為分界, 北部區(qū)域以砂組分為主, 平均粒徑的平均值達到132.93μm; 而南部海域多為粉砂質(zhì)組分, 平均粒徑的平均值為64.46μm; 近岸到外海粒徑組成由細變粗, 長江口及浙江近岸泥質(zhì)區(qū)中值粒徑(Φ)在5以上, 向中外陸架逐漸減小, 粒徑組成總體上呈現(xiàn)明顯的“南細、北粗, 近岸細、離岸粗”的分布特征。

(2) 表層沉積物中BSi含量在0.22%~1.82%之間, 平均為1.19%。BSi與砂、粉砂和黏土組分間都存在顯著的相關性(<0.01), 相關系數(shù)分別為–0.83、0.77和0.75, BSi更易保存于粉砂和黏土中。

(3) 表層沉積物中TOC和TN含量分別在0.04%~1.17%和0.01%~0.26%之間, 沉積物顆粒越細, 對有機質(zhì)的富集能力越強; TOC、TN分布和BSi分布均有顯著的相關性(<0.01), 相關系數(shù)分別為0.84和0.80, 說明硅藻可能是長江口及其鄰近海域表層沉積物有機質(zhì)的主要貢獻者之一。

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Research on surface sediment grain size and biogenic elements distribution in Yangtze Estuary and adjacent waters

FAN Xin1, 2, 3, CHENG Fang-jing4, YU Zhi-ming1, 2, 3, SONG Xiu-xian1, 2, 3

(1. Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Laboratory of Marine Ecology and Environmental Science, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China; 4. Environmental Monitoring Center of Qingdao, Qingdao 266003, China)

In 2015, we collected surface sediment samples from 43 stations in the Yangtze Estuary and its adjacent waters. We then analyzed the grain size and biogenic elements of the surface sediments, including biological silicon (BSi), total organic carbon (TOC), and total nitrogen (TN). In this paper, we discuss the spatial distributions and mutual relationships of the above features. The results show that the surface sediment in the Yangtze Estuary and adjacent waters is mainly composed of clayey silt, silty sand, and sand. In the investigated area, the grain size of the surface sediment appeared to have obvious distributions: fine in south and near shore area and coarse in the north and offshore area. We found the finest surface sediment in the Yangtze Estuary and Zhejiang coastal mud area, which had a median diameter (Φ) greater than 5. In addition, the BSi content of the surface sediments in the investigated waters ranged from 0.22%–1.82%, and was positively correlated with the surface sediment clay, silt content, and average particle size (<0.01). Clay minerals and fine silt sediment readily accumulate and retain BSi. The contents of TOC and TN ranged from 0.04%–1.17% and 0.01%–0.26%, respectively, and their distributions showed a significant positive correlation with the median diameter (Φ) and BSi content, which suggests fine-grained sediments are more favorable for the preservation of organic matter, and that in these surface sediment samples diatoms are likely to be a source of organic matter.

Yangtze Estuary; sediment; grain size; biological silicon; organic matter.

(本文編輯: 康亦兼)

P736; P76

A

1000-3096(2017)07-0105-08

10.11759/hykx20170109001

2017-01-09;

2017-04-27

長江口及其鄰近海域沉積硅藻記錄與定量富營養(yǎng)化歷史重建(41506142); 聯(lián)合基金項目“海洋生態(tài)與環(huán)境科學”資助項目(U1406403); 國家自然科學基金資助項目(41276115)

[Sedimentary record of diatoms and quantitative reconstruction of eutrophication history in the Changjiang Estuary and the adjacent sea areas, No.41506142; Joint project of NSFC and Shandong province (Grant No. U1406403); National Natural Science Foundation of China, No.41276115]

樊鑫(1989-), 男, 江蘇泰州人, 博士研究生, 主要研究方向為海洋生態(tài)學, E-mail: fxpositivity@163.com; 宋秀賢, 通信作者, 研究員, 博士生導師, E-mail: songxx@qdio.cn

Jan. 9, 2017