基于沉積速率確定海洋沉積物的監測頻率

洛 昊, 梁 斌, 鮑晨光, 李 冕, 于春艷, 馬明輝

(國家海洋環境監測中心, 遼寧 大連 116023)

沉積物作為重要的海洋環境介質, 對海洋污染信息具有放大作用, 對海洋污染事件的時間記錄具有時序性, 所以沉積物監測對于反映海洋環境健康具有意義重大[1], 而且沉積物監測能以較小采樣樣本和較低采樣頻率反映較大時空尺度內海洋環境污染及氣候變化趨勢。1984年5月, 隨著“全國海洋環境污染監測網”的建立與運行, 中國正式將沉積物監測納入到海洋環境趨勢性監測計劃中。此后, 沉積物監測頻率也經歷了3次調整, 2000年之前監測頻率為每2年1次, 2000～2003年沉積物監測頻率為每年1次, 2004～2009年監測頻率為每2年1次(單數年進行監測), 2010年以來重新調整為每年1次。目前, 中國沉積物監測頻率的設計主要依據監測經費和當年監測任務的飽和程度確定, 缺乏合理的設計依據和優化原則, 設計的方法體系尚不完整。作者的研究目的是初步建立一套海洋沉積物監測頻率的設計方法體系, 并對中國現行海洋沉積環境監測頻率進行優化,從而實現監測資源合理利用、提高監測效率。

1 研究方法

1.1 設計依據

1.1.1 監測頻率與沉積速率有關

沉積物樣品測試結果反映的是一定歷史時期內的環境特征, 而水質監測反映的是水樣采集時的環境特征; 同時, 沉積物遷移擴散能力相對于海水水質要弱,對污染物累積放大的作用更明顯, 能夠穩定地表征一個監測區域內的長期環境變化趨勢。因此, 沉積物監測目的是為了反映沉積環境現狀與時空變化趨勢, 并據此判斷海洋環境的健康狀況和識別環境風險。

沉積物監測結果所代表的時間跨度主要取決于沉積物采樣深度或沉積速率[2]。目前, 中國的海洋沉積物監測是以測試表層沉積物中環境指標的含量為主, 所以在采樣深度不變的情況下, 沉積物監測結果反應的時間跨度主要與海洋沉積物沉積速率有關。

1.1.2 監測方案與沉積速率的關聯性分析

目前, 國外主要環境監測機構均以調查區域的沉積速率來制定沉積環境的監測頻率。如歐盟、澳洲等地區建議對沉積速率高于 1cm/a的區域, 每年開展1次沉積物監測; 低于1 cm/a的區域, 建議監測周期為5 a左右(表1)。

表1 國外海洋沉積物監測頻率設計要求一覽表Tab.1 Design requirements of foreign marine sediment monitoring frequency

通過梳理國外海洋環境監測方案發現, 雖然各地區監測機構關于沉積物監測頻率的設計存在差異,但總體上仍遵循高速沉積區監測頻率高、低速區監測頻率低的規律。歐盟對其水框架體系內成員國統一規定沉積物監測周期為6 a, 因為其區內的沉積速率普遍低于 1 cm/a; 歐洲非歐盟地區如北海的沉積速率為0.05～0.2 cm/a, 其監測周期為2 a或2 a以上;美國根據沉積速率和地理位置差異, 也采取了不同海洋沉積物監測頻率, 切薩皮克灣為每年1次, 其灣內平均沉積速率為0.33 cm/a, 航道區1.7 cm/a; 普吉特海灣底棲生物調查頻率為每年1次, 而關于沉積物化學成分的監測周期則為 5 a, 其灣內沉積速率變化范圍為0.1～2 cm/a; 緬因灣等低速沉積區的沉積速率僅為0.08 cm/a, 因此其監測周期設計為10 a (表2)。

表2 沉積物監測計劃與沉積速率對應表Tab.2 Corresponding relation between sediment monitoring program and sedimentation rate

1.2 設計標準

由于沉積物監測頻率與沉積速率有關, 且有國外主要監測機構的設計經驗可以借鑒, 所以中國海洋沉積物監測頻率應依據沉積速率確定。其優勢在于: (1)更準確反映沉積環境現狀和變化趨勢。如果沉積速率低, 而監測頻率過高, 沉積物樣本所表征的不是當前的環境狀況, 是一段歷史時期內的累積結果, 而且這段歷史并不能準確斷代。如果沉積速率高,而監測頻率過低, 則無法全面表征沉積物質量的變化趨勢; (2)監測資源合理利用。根據不同沉積環境特征制定監測頻率, 減少重復監測, 使監測資源分配更合理; (3) 設計方法簡單可行、沉積速率數據易于獲得。依據沉積速率設計監測頻率方法易于實現。

根據中國近岸海域沉積速率和環境特點, 中國海洋沉積物監測頻率的設計標準為:

(1) 沉積速率高于 1 cm/a的海域, 監測頻率為每年1次; (2)沉積速率為0.1～1 cm/a的海域, 監測頻率為5～6 a 1次;(3)沉積速率極低的海域(＜0.1 cm/a),監測頻率為10 a 1次。

1.3 沉積速率計算

沉積速率的數據主要來自于中國海洋沉積環境研究的相關文獻和歷史資料。沉積速率的計算方法有多種, 不同計算方法得到的計算結果也不同, 如果將這些數據進行統一的空間對比分析, 會使統計結果的失真。因此, 有必要選擇統一的沉積物沉積速率計算方法, 使數據具有可比性。

沉積物沉積速率的計算方法根據不同研究需要可分為兩大類: (1)地質歷史時期的沉積速率, 如同位素14C同位素測年[31-32]; (2)現代沉積速率, 如河流輸沙法[33-34]、海圖對比與 GIS 法、137Cs 測年法[35]和210Pb 測年法[36]等。

選擇何種沉積速率計算方法應根據所在海域的沉積環境特點和實際資料確定。14C 同位素的半衰期為5 730 a, 可以有效標定兩萬年以來的沉積物年齡, 但多用于河口海岸地質歷史時期沉積率估算; 河流輸沙法不能準確估算河口區域沉積物與外界交換的數量而產生誤差, 其結果只具有定性參考作用; 海圖對比與GIS 法多用于河口三角洲沉積速率的推演, 不適合全海域監測;210Pb 和137Cs半衰期短、易測量、經濟, 可以有效地標定近百年來的現代沉積速率, 而且許多實驗結果證實在同一區域內用210Pb 和137Cs 同時測定和計算沉積速率, 兩者結果吻合得很好[37], 但210Pb在中國應用更早、更廣泛, 歷史資料也豐富[38-42]。

綜上, 每種計算方法均存在優點和不足, 經綜合比較, 由于: (1)210Pb測年法在20世紀70 年代已經用于海洋沉積物測年, 并于80 年代在中國開始得到廣泛應用[43], 擁有大量的數據資料和理論基礎, 能夠保證數據的一致性和可比性; (2)210Pb半衰期短, 能夠更準確地反映近期海洋沉積物沉積速率。因此, 選擇210Pb測年法作為海洋沉積物沉積速率的統一計算方法。

2 結果與討論

2.1 中國海域沉積速率分布特點

中國海岸線漫長, 南北縱跨3個溫度帶, 地理差異顯著, 海洋環境復雜多變, 各個區域的沉積速率也不同(圖1)。

2.1.1 河口區域沉積速率高

中國海域的沉積物高速沉積區主要集中在河口區域, 如遼河口、海河口、黃河口、長江口、閩江口、九龍江口和珠江口等, 上述區域沉積速率均高于1 cm/a。其中, 長江口由于入海泥沙貢獻了大部分的泥質區沉積物, 因此沉積速率與入海泥沙有著重要關系,210Pb 計年法測定的沉積速率為 4.58～5.47 cm/a。珠江口為淤進型的河口灣, 沉積速率高, 其沉積速率大小與河流作用成正相關[44]。遼東灣近岸入海河流眾多, 該區域的沉積速率總體較高, 其中雙臺子河口沉積速率為2.4 cm/a, 小凌河口為2.9 cm/a[45]。

2.1.2 近岸海域沉積速率高于遠海

黃、渤海的沉積速率高值區主要分布在物源充足的沿岸海域, 而遠海泥質區的沉積速率一般小于0.2 cm/a ; 南沙海域遠離大陸, 深度約2 500 m沉積速率極低, 僅為(1.06～1.51)cm/1000 a[45-46]。

2.1.3 海灣沉積速率差異顯著

水交換能力強的海灣沉積速率低, 如海洲灣(0.11～0.64 cm/a); 有多條河流注入、水交換能力弱的海灣沉積速率高, 如遼東灣、渤海灣和杭州灣等[47-48];同一海灣內沉積速率差異顯著, 膠州灣中部具有高的沉積速率(＞ 1 cm/a), 而西、北、東具有較低的沉積速率(＞1 cm/a)。再靠近岸邊又有較高的沉速率(＞1 cm/a)[49]。

2.2 優化結果

中國海洋沉積物監測頻率優化結果見表3。沉積速率高于1cm/a的海域, 監測頻率為每年1次, 如黃河口、長江口等河口海域; 沉積速率低于 1 cm/a的海域, 監測周期為5 a, 如渤海中部, 黃海、東海遠海等區域; 個別沉積速率極低的海域, 監測周期為10 a,如南沙海域(≤2 cm/1 000a)。監測頻率高的區域主要集中在近岸沉積速率高的海域, 近海和遠海區域監測頻率可適當降低。

表3 中國海洋沉積物監測頻率優化結果Tab.3 Optimization results of marine sediment monitoring frequency

3 結論

作者基于國內外海洋沉積物監測方案的設計理論和經驗, 初步建立了依據沉積速率確定海洋沉積物監測頻率的方法和標準, 并對中國海洋沉積物監測頻率進行了初步優化。研究結果顯示, 中國近岸區域沉積速率高于遠海, 河口區域沉積速率高, 海灣沉積速率差異顯著。其中, 沉積速率高于1 cm/a的海域, 監測頻率為每年1次, 如黃河口、長江口等河口區域; 沉積速率低于1cm/a的海域, 監測周期為5 a, 如渤海中部, 黃海、東海遠海區域等; 個別沉積速率極低的海域, 監測周期為10 a, 如南沙海域(≤2 cm/1000 a)。監測頻率高的區域主要集中在近岸沉積速率高的海域, 而近海和遠海沉積速率低的區域監測頻率可適當降低。

作者的研究成果僅是一個針對中國海洋沉積物監測頻率設計的初步優化方案, 尚需進一步優化和完善。目前的設計依據只有沉積速率單一要素, 優化結果還不夠精確。因此, 在以后的研究中需要引入更多的篩選因子, 如風暴潮頻發、臺風登陸、小河道人為污染輸入、洪水輸入的河口等易受突發事件影響海域, 應充分考慮這些常規和突變因素的影響; 有些海域雖然沉積速率較高, 但其粒徑較粗, 所吸附的元素較少, 沉積物中元素的變化幅度也較少, 其監測頻率如果設計為每年 1次也不合理。所以加入常規和突發環境因素以及沉積物粒度和有機碳含量等作為判斷依據, 能夠讓監測頻率設計更合理、監測結果更精確。

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