黃河下游-河口-鄰近海域表層沉積物中木質(zhì)素的特征及其示蹤意義

王映輝, 許云平(. 教育部地表過(guò)程與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 北京0087; 2. 上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院, 上海 20306; 3. 上海深淵科學(xué)工程技術(shù)研究中心, 上海 20306)

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黃河下游-河口-鄰近海域表層沉積物中木質(zhì)素的特征及其示蹤意義

王映輝1, 許云平2, 3
(1. 教育部地表過(guò)程與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 北京100871; 2. 上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院, 上海 201306; 3. 上海深淵科學(xué)工程技術(shù)研究中心, 上海 201306)

河流輸入的陸源有機(jī)碳在河口和陸架區(qū)的生物地球化學(xué)過(guò)程是全球碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié), 對(duì)陸源有機(jī)質(zhì)的輸入量的估算是研究陸架區(qū)的生物地球化學(xué)過(guò)程的基礎(chǔ)。黃河輸沙量極大, 為探究其攜帶的陸源有機(jī)質(zhì)對(duì)陸架邊緣海有機(jī)碳庫(kù)的影響, 以黃河河口及鄰近渤海海域?yàn)檠芯繉?duì)象, 分析了表層沉積物中的木質(zhì)素, 結(jié)合總有機(jī)碳含量、總氮含量和有機(jī)碳穩(wěn)定同位素評(píng)估了表層沉積物中有機(jī)碳的組成、來(lái)源和分布。8種木質(zhì)素酚單體中, 紫丁香基酚類(S)與香草基酚類(V)的含量比值S/V (0.63±0.31)和肉桂基酚類(C)與香草基酚類含量比值C/V (0.25±0.15), 反映出研究區(qū)陸源有機(jī)碳主要來(lái)自草本被子植物。V系列中木質(zhì)素酸(Ad)與木質(zhì)素醛(Al)的比值(Ad/Al)V較高(0.53±0.14), 表明陸源有機(jī)質(zhì)的降解程度較高。利用穩(wěn)定碳同位素比值δ13C和木質(zhì)素含量Λ8相結(jié)合的土壤有機(jī)質(zhì)-陸生維管植物-水生有機(jī)質(zhì)三端元模型對(duì)陸源有機(jī)物的貢獻(xiàn)的分析結(jié)果顯示, 土壤有機(jī)質(zhì)、陸源維管植物和水生有機(jī)質(zhì)的平均貢獻(xiàn)分別為59.9%±15.0%、7.3%±7.0%、32.8%±11.8%。土壤在陸源有機(jī)質(zhì)中的貢獻(xiàn)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì), 可能與該區(qū)域沉積物的主要源區(qū)——黃土高原植被覆蓋率低、土壤侵蝕嚴(yán)重有關(guān)。

黃河河口; 木質(zhì)素; 陸源有機(jī)碳

[Foundation: National Natural Science Foundation of China, No. 41476062]

河流是連接海陸兩大碳庫(kù)的重要紐帶, 每年經(jīng)河流向海洋輸送的有機(jī)碳高達(dá)0.4 Gt[1], 然而, 大洋水體和沉積物中的陸源有機(jī)碳含量卻非常低。河口及陸架區(qū)的有機(jī)碳埋藏量占整個(gè)海洋的90%, 是揭示海洋中陸源有機(jī)碳“失匯”的關(guān)鍵區(qū)域[2-3]。黃河作為世界上第二大輸沙河流, 多年的平均輸沙量約為1010t, 其中有機(jī)碳含量約為0.16%~0.74%, 占世界入海河流總有機(jī)碳的0.4%~1.9%[4], 因此黃河河口和鄰近海域?yàn)檠芯筷懺从袡C(jī)碳在海洋中的生物地球化學(xué)過(guò)程提供了一個(gè)優(yōu)良的天然場(chǎng)所。

木質(zhì)素是陸地維管植物特有組分, 其含量?jī)H次于纖維素[5]; 木質(zhì)素具有芳香單元的三維立體結(jié)構(gòu),化學(xué)穩(wěn)定性高, 抗微生物降解能力較強(qiáng), 因此被廣泛應(yīng)用于陸源有機(jī)碳的示蹤和古環(huán)境的重建[6-8]。然而由于木質(zhì)素是高分子聚合物, 未經(jīng)分離或化學(xué)轉(zhuǎn)化, 現(xiàn)有的分析技術(shù)很難對(duì)其進(jìn)行直接定量分析[9]。目前常用的木質(zhì)素分析方法是堿性氧化銅裂解-氣相色譜檢測(cè)法[10], 即將木質(zhì)素經(jīng)過(guò)CuO氧化裂解后,利用氣相色譜分析產(chǎn)生的木質(zhì)素酚單體化合物, 將不同類型的單體酚化合物組合可以提供有機(jī)碳的來(lái)源和降解程度等方面的信息。國(guó)外研究人員對(duì)密西西比河、剛果河、北極河流的木質(zhì)素開(kāi)展了研究[11-14],而國(guó)內(nèi)關(guān)于河流中木質(zhì)素的研究較少, 僅測(cè)定了長(zhǎng)江口鄰近陸架區(qū)表層沉積物的木質(zhì)素分布[15]。

本文選擇黃河下游河道、河口及周邊海域作為研究區(qū)域, 首次對(duì)區(qū)域內(nèi)表層沉積物進(jìn)行了木質(zhì)素分析, 并對(duì)黃河的陸源有機(jī)質(zhì)的輸入情況進(jìn)行討論。

1 采樣和方法

沉積物樣品采自黃河下游流域及臨近海域。樣品采集工作于2011年7月開(kāi)展, 站位如圖1所示, 從山東省利津縣黃河大橋到河口區(qū)共設(shè)立了33個(gè)采樣點(diǎn), 根據(jù)采樣點(diǎn)分布情況, 將采集區(qū)分為四部分: 河道區(qū)(A1~A11)、河口Ⅰ區(qū)(B1~B5)、河口Ⅱ區(qū)(C1~C11)、南部近海區(qū)(D1~D6)。用抓斗取樣法采集表層0~10 cm沉積物樣品, 取適量沉積物樣品放于自封袋中, 樣品采集后放在–20℃冰箱中保存, 分析前將樣品進(jìn)行冷凍干燥。

沉積物樣品用1.0 mol/L HCl酸化后測(cè)定總有機(jī)碳含量(TOC, %)、總氮含量(TN, %)和碳同位素比值(δ13C, ‰)。TOC和TN用北京大學(xué)分析測(cè)試中心的CHNOS元素分析儀測(cè)定(德國(guó)Elementar公司), δ13C用南京地質(zhì)與礦產(chǎn)資源研究所的Flash EA1112HT元素分析儀聯(lián)MAT 253質(zhì)譜儀(Thermo Fisher公司)測(cè)定。TOC、TN和δ13C的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別是0.02%, 0.005%和0.15‰。

木質(zhì)素測(cè)定采用堿性氧化銅裂解–氣相色譜檢測(cè)法, 取1 g左右沉積物樣品與少量CuO、Fe(NH4)2(SO4)2于2 mol/L的NaOH溶液中, N2鼓泡約5 min后, 置于170℃恒溫箱中消解2.5 h, 消解結(jié)束后加入回收內(nèi)標(biāo)乙基香蘭素(EVA: 3-乙氧基-4-羥基苯甲醛)溶液, 將固液分離后的反應(yīng)產(chǎn)物用HCl酸化至pH約為1, 避光反應(yīng)1 h后, 離心得到上清液, 用25 mL乙酸乙酯萃取3次, 上層有機(jī)相合并后加入無(wú)水硫酸鈉去除殘留水分, 濃縮得到干樣并冷凍保存, 上機(jī)測(cè)試前加入吡啶、衍生化試劑BSTFA進(jìn)行衍生化, 經(jīng)二氯甲烷定容后通過(guò)安捷倫7890A型氣相色譜儀測(cè)定。氣相色譜儀檢測(cè)器為火焰離子化檢測(cè)器(FID), 采用DB-5熔融彈性石英毛細(xì)管色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm), 升溫程序?yàn)槌跏紲囟?00℃, 保持1.0 min后以4℃/min升至270℃保持10 min。進(jìn)樣口和檢測(cè)器溫度維持在300℃。各類酚類單體的定性根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化合物的色譜保留時(shí)間來(lái)確定, 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算與內(nèi)標(biāo)回收率結(jié)合得到定量信息, 方法平均回收率為79.3%±10.3%。

圖1 研究區(qū)域和采樣點(diǎn)分布圖Fig. 1 Study area and sampling site locations in the Yellow River Estuary and the adjacent Bohai Sea

2 結(jié)果

2.1 碳、氮元素組成和碳穩(wěn)定同位素

研究區(qū)表層沉積物的全樣有機(jī)地球化學(xué)特性如表1所示。其中, TOC的均值為0.13%±0.07%, 河道區(qū)為0.11%±0.06%, 河口I區(qū)為0.18%±0.13%, 河口II區(qū)為0.14%±0.05%, 南部近海區(qū)為0.16%±0.10%。研究區(qū)域總體表現(xiàn)為低TOC值, 河道區(qū)A4的0.031%為最低值。低TOC值與杜天軍[16]、Hu[17]的研究結(jié)果類似, 可能是由于黃河沉積物主要來(lái)源于植被稀少的黃土高原[18]。沿河口區(qū)向南部近海, TOC分布無(wú)明顯的趨勢(shì), 可能是由于在河口區(qū), 河海交匯, 再加上渤海內(nèi)潮流與余流的影響, 導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)水動(dòng)力情況較為復(fù)雜, 影響了TOC的分布。盡管如此, 從河道到南部近海區(qū)表層沉積物的有機(jī)碳含量仍表現(xiàn)出微弱的上升趨勢(shì), 可能是在河口區(qū), 大量沉積的砂質(zhì)顆粒物對(duì)總有機(jī)碳含量起到了一定的稀釋作用, 也可能是隨著離黃河河口距離的增加, 海洋有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)逐漸增加導(dǎo)致的。表層沉積物中總氮(TN)含量在0.00%~ 0.03%之間, 與TOC有類似的分布(R2= 0.85, P = 0.00)。

表1 黃河河口及近海表層沉積物的全樣有機(jī)地球化學(xué)和木質(zhì)素酚分布特征Tab. 1 Bulk organic geochemical parameters and lignin phenols in surface sediments in the Yellow River and adjacent sea

TOC/TN可用來(lái)指示沉積物中有機(jī)質(zhì)的來(lái)源,通常陸生高等植物中TOC/TN較高(20~500), 而水生浮游生物的TOC/TN相對(duì)較低, 約為4 ~12之間[1]。本研究中表層沉積物的TOC/TN為8.6~36.0(圖2),反映了陸源和水生生物的混合貢獻(xiàn), 但從河口區(qū)到近海區(qū)(圖2), 沉積物的TOC/TN表現(xiàn)出明顯的升高趨勢(shì)。若依據(jù)傳統(tǒng)觀點(diǎn)解釋的話, 即TOC/TN隨離河口距離的增加而增大, 表明離河口越遠(yuǎn), 陸源貢獻(xiàn)增大, 這明顯與沉積物搬運(yùn)埋藏趨勢(shì)相悖。導(dǎo)致這種異常現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可能是河口沉積物存在明顯的無(wú)機(jī)氮吸附現(xiàn)象, 這與前人報(bào)道一致[19], 因此在黃河影響海區(qū)使用TOC/TN比值評(píng)估有機(jī)碳來(lái)源需要謹(jǐn)慎。

δ13C同TOC/TN一樣, 也可以指示有機(jī)質(zhì)的來(lái)源。這是因?yàn)樘?3植物的δ13C約–27‰, 而海洋浮游植物的δ13C約為–20‰~–22‰[20]。本研究中, 表層沉積物的δ13C為–24.17‰~–21.86‰(圖2)。河口Ⅰ區(qū)與河道區(qū)的δ13C值相似, 表明在河口Ⅰ區(qū)的沉積有機(jī)碳主要來(lái)源于河流輸送, 而河口Ⅱ區(qū)和南部近海區(qū)內(nèi)沉積物的δ13C表現(xiàn)明顯的正偏, 表明隨著離河口距離的增加, 海洋生產(chǎn)力增加, 海洋來(lái)源的有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)有所增加。

圖2 研究區(qū)內(nèi)沉積物TOC/TN、δ13C的箱式分布圖Fig. 2 Box plots showing distribution of TOC/TN and δ13C from river to coast

2.2 木質(zhì)素的含量

木質(zhì)素的含量常用8種特征的木質(zhì)素酚單體的總體含量表示。本研究中表層沉積物的Σ8為0.01×10–1~0.54×10–1mg/g(均值0.23×10–1mg/g±0.16× 10–1mg/g), 其分布無(wú)明顯趨勢(shì), 最高值出現(xiàn)在河口Ⅱ區(qū)的C9, 為0.54×10–1mg/g, 最低值則出現(xiàn)在河道區(qū)的A11, 為0.01×10–1mg/g。但Σ8與有機(jī)碳含量之間存在良好的相關(guān)性(R2= 0.81, P = 0.00), 這表明木質(zhì)素是影響沉積物總有機(jī)質(zhì)含量的重要因素。木質(zhì)素與沉積有機(jī)碳的搬運(yùn)可能受控于相似的因素, 如沉積物粒徑和水動(dòng)力等。

Λ8為0.30×10–2~4.89×10–2mg/mg(均值1.51× 10–2mg/mg±0.70×10–2mg/mg), 分布特征如圖3所示。在下游河道區(qū)內(nèi)不同樣點(diǎn)的木質(zhì)素含量間差異較大, 其中A2與A9為取自黃河河道旁土壤樣品,其木質(zhì)素含量較高。A2含量4.89×10–2mg/mg為流域內(nèi)最高值, 最低值為A1, 含量為0.43×10–2mg/mg。河口Ⅰ區(qū)的Λ8值低于河口Ⅱ區(qū)和南部近海區(qū), 自河口Ⅰ區(qū)至南部近海區(qū), Λ8先是明顯升高, 后又略有減少, 在C10處出現(xiàn)最高值3.39×10–2mg/mg, 在河口Ⅰ區(qū)B2處為最低值0.30×10–2mg/mg。除了復(fù)雜的水動(dòng)力的影響木質(zhì)素的分布外, 也有可能是木質(zhì)素本身在不同的區(qū)域表現(xiàn)了不同的降解特征。

圖3 研究區(qū)內(nèi)表層沉積物Λ8分布圖Fig. 3 Distribution of Λ8 in surface sediments from the lower Yellow River to coastal area

3 分析與討論

3.1 木質(zhì)素指示的母源植被特征

木質(zhì)素的特征參數(shù)不僅可以反映陸源有機(jī)碳的含量, 而且可以用來(lái)指示不同類型植被對(duì)陸源有機(jī)碳的相對(duì)貢獻(xiàn), 如紫丁香基酚類(syringyl S)與香草基酚類(vanillyl V)的含量比值S/V可以區(qū)分被子植物和裸子植物, 而肉桂基酚類(cinnamyl C)與香草基酚類(vanillyl V)含量比值C/V則可區(qū)分木本植物和草本植物(組織)[10]。裸子植物幾乎不含有S系列木質(zhì)素酚, 因此S/V接近于0, 而被子植物的S/V在0.6以上; 此外, C系列木質(zhì)素酚主要存在于草本植物和木本植物的葉片, 因此植物中木本組織的C/V接近于0, 而非木本植物的C/V為0.1~0.8甚至更高。本研究中, 黃河下游、河口和近海沉積物的C/V的范圍為0.08~0.79(0.24±0.12), S/V的范圍是0.15~ 1.62 (0.69±0.32), 見(jiàn)圖4, 反映出研究區(qū)域內(nèi)沉積物的陸源有機(jī)質(zhì)主要源于來(lái)被子植物的非木本組織(如草、樹(shù)葉)。這與黃河下游地區(qū)植被類型—暖溫帶落葉闊葉林相符合, 并且與孫書(shū)文在渤海及鄰近海域?qū)Ρ韺映练e物中木質(zhì)素特征的研究結(jié)果[21]相符合。

3.2 木質(zhì)素降解情況

圖4 研究區(qū)沉積物的C/V與S/VFig. 4 Plot of C/V vs. S/V phenol ratios in the Yellow-River-dominated margin

木質(zhì)素酚的酸醛比(Ad/Al)可用來(lái)評(píng)價(jià)木質(zhì)素的降解程度[22], (Ad/Al)V和(Ad/Al)S分別代表木質(zhì)素V系列和S系列酚類單體中酸類單體與醛類單體的含量比。新鮮植物組織(Ad/Al)較小, 而高度降解的木質(zhì)素的(Ad/Al)大于0.4[23]。本研究中表層沉積物的(Ad/Al)v和(Ad/Al)S分布特征如圖5所示。其中表層沉積物的(Ad/Al)V為0.31~1.01(均值為0.51±0.12),高的(Ad/Al)V表明陸源有機(jī)質(zhì)普遍經(jīng)過(guò)了較高程度的降解, 這可能主要是由于研究區(qū)內(nèi)的90%以上泥沙是來(lái)自于中游黃土高原流失的土壤[24], 新鮮植物的貢獻(xiàn)低。此外, 統(tǒng)計(jì)分析顯示, 河道、河口和近海的木質(zhì)素降解程度具有顯著性差異(P=0.04), 其中河道及河口Ⅰ區(qū)的降解程度相對(duì)高, 這主要是由于黃河長(zhǎng)距離的輸送過(guò)程中, 光化學(xué)反應(yīng)和微生物的降解作用導(dǎo)致的陸源有機(jī)質(zhì)的進(jìn)一步降解, 這也在一定程度上導(dǎo)致了河口Ⅰ區(qū)的木質(zhì)素含量較低。

圖5 沉積物中木質(zhì)素的(Ad/Al)V、(Ad/Al)S分布圖Fig. 5 Distribution of (Ad/Al)Vand (Ad/Al)Sin sediments from the lower Yellow River to coastal area

相對(duì)于(Ad/Al)V, (Ad/Al)S偏小, 特別是在河道區(qū)以及河口Ⅰ區(qū)二者差異較大; 在河口Ⅱ區(qū)及南部近海區(qū), (Ad/Al)S雖然小于(Ad/Al)V, 但二者的差異明顯縮小, 甚至在D6處高于(Ad/Al)V。從李先國(guó)[25]2013年對(duì)渤海內(nèi)的部分表層沉積物的木質(zhì)素分析結(jié)果來(lái)看, 在離黃河河口較遠(yuǎn)的萊州灣內(nèi), (Ad/Al)S值略大于(Ad/Al)V。導(dǎo)致這種變化的原因可能是由于隨著離岸距離增加, 高濁度的黃河水影響逐漸減小,海水的影響不斷增大, 對(duì)于木質(zhì)素的降解產(chǎn)生了一定的選擇性。

3.3 基于δ13C和Λ8的水生-土壤-植物三端元混合模型的有機(jī)質(zhì)評(píng)估

為了準(zhǔn)確地估算陸源有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn), 解析不同生物組成元素的地球化學(xué)循環(huán), 楊麗陽(yáng)分析了長(zhǎng)江口鄰近陸架區(qū)的表層沉積物的木質(zhì)素, 利用δ13C和Λ8建立了三端元混合模型, 估算了沉積有機(jī)質(zhì)中土壤有機(jī)質(zhì)、植物碎屑、海洋生物的貢獻(xiàn)[15]。在本研究區(qū)域內(nèi), 木質(zhì)素含量Λ8雖然受到一定程度的降解的影響, 未表現(xiàn)明顯的離岸變化趨勢(shì), 但是結(jié)合萊州灣內(nèi)的木質(zhì)素含量(均值1.20)[25]來(lái)看, Λ8值仍然是隨離岸距離發(fā)生變化的, 另外δ13C表現(xiàn)出了很好的離岸變化趨勢(shì), 因此, 本文采用該混合模型對(duì)黃河口及鄰近海域的有機(jī)碳來(lái)源進(jìn)行解析。

對(duì)于混合模型中的土壤有機(jī)質(zhì)、植物碎屑、水生生物的各端元值的選取如下: 由于黃河絕大部分泥沙來(lái)自于黃土高原, 因此土壤碳同位素的端元值應(yīng)與該區(qū)域土壤的δ13C一致。根據(jù)李龍波對(duì)黃土高原區(qū)不同植被(荒地、落葉林地、針葉林地、草地、灌木林地)覆蓋下土壤有機(jī)碳同位素組成進(jìn)行研究結(jié)果[26], 本論文采用表層土壤的δ13C(平均值為–24.9‰)作為模型中土壤δ13C的端元值; 黃河中下游的黃土高原區(qū)以碳-3植物為主的碳-3和碳-4混合草原植被類型[27]。本研究選取王國(guó)安報(bào)道的中國(guó)北方黃土區(qū)碳-3植物碳同位素(–26.7‰)[28]作為植被δ13C的端元值; 此外, 水生浮游植物的δ13C端元值采用前人報(bào)道的–20.0‰[29]。對(duì)于木質(zhì)素的端元值, 于灝等人曾對(duì)長(zhǎng)江流域不同類型植被和土壤進(jìn)行木質(zhì)素特征的研究, 并認(rèn)為在選擇植物端元值時(shí)應(yīng)該考慮不同區(qū)域內(nèi)植被特征可能造成植物木質(zhì)素背景值不同[30],然而目前尚未有對(duì)黃河流域內(nèi)植被及土壤木質(zhì)素進(jìn)行系統(tǒng)研究, 因此這里我們?nèi)匀粎⒖奸L(zhǎng)江口木質(zhì)素分析中土壤木質(zhì)素的端元值0.76×10–2mg/mg[15], 而對(duì)碳-3植物的端元值, 考慮木本植物和草本植物的混合貢獻(xiàn), 本論文參考Go?i在溫約灣的河口使用的陸地植物Λ8端元值, 即15×10–2mg/mg[13]。由于海洋及河口淡水區(qū)內(nèi)浮游植物均不含有木質(zhì)素, 因此水生浮游植物的Λ8端元值設(shè)為0。將所有沉積物的Λ8與δ13C值與各端元值投射到坐標(biāo)系中, 得到Λ8 與δ13C的分布關(guān)系(如圖6), 由圖可以看出, 沉積物中的有機(jī)質(zhì)的參數(shù)值更傾向于土壤有機(jī)質(zhì)端元。

圖6 研究區(qū)表層沉積物有機(jī)質(zhì)來(lái)源的三端元模型Fig. 6 Three-end-member mixing model assessment of organic carbon contributions in surface sediments from vascular plants, soil organic matter, and aquatic organic matter based on δ13C and Λ8

進(jìn)一步運(yùn)用公式計(jì)算各個(gè)端元的貢獻(xiàn)值, 公式如下:

δ13Caqu、δ13Cvp、δ13Csoil分別表示水生植物、碳-3植物碎屑和土壤的δ13C端元值, Λ8aqu、Λ8vp、Λ8soil分別表示水生植物、碳-3植物碎屑和土壤的Λ8端元值, faqu、fvp、fsoil分別表示水生植物、碳-3植物碎屑和土壤來(lái)源的有機(jī)質(zhì)百分含量。

通過(guò)計(jì)算, 研究區(qū)域內(nèi)沉積物中土壤有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)為31.1%~88.3%(平均59.9%±5.0%), 陸源維管植物貢獻(xiàn)為0~30.7%(平均7.3%±7.0%), 水生植物貢獻(xiàn)為16.1%~64.0%(平均32.8%±11.9%)。各點(diǎn)位的分布特征如圖7所示。

由圖7可以看出從河道區(qū)到南部近海區(qū), 總體表現(xiàn)出陸源貢獻(xiàn)低, 水生貢獻(xiàn)增加的趨勢(shì), 但是土壤有機(jī)質(zhì)在陸源有機(jī)質(zhì)中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(59.9%), 遠(yuǎn)高于陸源維管植物的貢獻(xiàn), 這可能與沉積物來(lái)源區(qū)——黃土高原植被覆蓋率低、土壤侵蝕嚴(yán)重有關(guān)。河口Ⅰ區(qū)與河道區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)率相似, 河口Ⅱ區(qū)和南部近海區(qū)離河口距離增加, 土壤有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)顯著降低, 這表明河流攜帶的陸源物質(zhì)主要在河口Ⅰ區(qū)發(fā)生沉降, 但是可以看到河口Ⅰ區(qū)的陸源維管植物貢獻(xiàn)較低, 由木質(zhì)素降解的結(jié)果來(lái)看, 存在區(qū)域差異, 在該區(qū)域陸源維管植物貢獻(xiàn)偏低可能是由于木質(zhì)素迅速降解而引起的, 或者也有可能是人為活動(dòng)破壞了其保存狀態(tài)導(dǎo)致的, 其具體原因有待進(jìn)一步探討。

圖7 土壤、陸生植物碎屑、水生植物對(duì)總有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)Fig. 7 Relative contributions of vascular plants, soil organic matter, and aquatic organic matter to total organic carbon in the surface sediments in the Yellow River dominated margin

3.4 與其他河口陸架區(qū)的比較

河流特別是大河是陸源物質(zhì)進(jìn)入海洋的重要途徑, 其中世界前10大河流的輸沙量約占全球河流的40%[1]。由于受到地貌、植被分布、氣候和人類活動(dòng)強(qiáng)度等方面的影響, 各河流在輸沙量和搬運(yùn)模式上都有著明顯不同, 進(jìn)而影響到河道、近海乃至深海有機(jī)碳在組成、輸送和埋藏上的差異。表2中總結(jié)了幾條世界大河河口陸架區(qū)木質(zhì)素特征, 可以看出多數(shù)研究里木質(zhì)素特征存在較大的差異。黃河和長(zhǎng)江沉積物(顆粒物)中木質(zhì)素含量明顯高于北極區(qū)域的勒拿河(the Lena River)、葉尼塞河(the Yenisey Rive)等河流, 也高于密西西比河(the Mississippi River)和剛果河(the Congo River), 這可能反映了各流域生產(chǎn)力和人類活動(dòng)強(qiáng)度的差異。S/V指標(biāo)隨著緯度增加總體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì), 其中勒拿河和葉尼塞河最低,這可能與這些河流流經(jīng)區(qū)域, 針葉林的廣泛分布有關(guān)。此外, 木質(zhì)素降解參數(shù)(Ad/Al)未表現(xiàn)出明顯趨勢(shì), 以剛果河最高, 黃河、長(zhǎng)江居中。

表2 世界河流顆粒物中木質(zhì)素的含量和組成比較Tab. 2 Content and composition of lignin in particulate matter from different rivers

4 結(jié)論

根據(jù)黃河下游-河口-鄰近海域表層沉積物的木質(zhì)素信息, 結(jié)合TOC/TN、δ13C等數(shù)據(jù)的討論, 得到如下主要結(jié)論: 在河口區(qū), 由于水動(dòng)力情況復(fù)雜, TOC、Λ8均未出現(xiàn)明顯的分布趨勢(shì), 而δ13C值仍然表現(xiàn)離岸增加的趨勢(shì); 另外, 研究區(qū)域有機(jī)質(zhì)含量較低, 無(wú)機(jī)氮吸附會(huì)導(dǎo)致了TOC/TN值發(fā)生異常, 因此在黃河影響河口和近海區(qū)域運(yùn)用TOC/TN值進(jìn)行有機(jī)質(zhì)源解析時(shí)需要謹(jǐn)慎處理; 利用木質(zhì)素參數(shù)C/V和S/V推斷, 研究區(qū)域沉積物中木質(zhì)素主要來(lái)自被子植物的非木本組織(如草、樹(shù)葉); 研究區(qū)域內(nèi)較高的(Ad/Al)值表明木質(zhì)素經(jīng)歷了中、高等程度的降解, 并且可能存在一定的選擇性降解; 基于δ13C和Λ8建立的土壤有機(jī)質(zhì)-陸生維管植物-水生有機(jī)質(zhì)三端元模型, 研究區(qū)表層沉積物中陸源有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)較大, 并且在陸源有機(jī)質(zhì)中, 土壤有機(jī)質(zhì)的含量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì), 這可能與黃河流域植被覆蓋較少、土壤流失嚴(yán)重有關(guān)。

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(本文編輯: 劉珊珊)

Characteristics and environmental implications of lignin in surface sediments from the lower Yellow River-Estuaryadjacent sea

WANG Ying-hui1, XU Yun-ping2, 3
(1. Ministry of Education Key Laboratory for Earth Surface Process, College of Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871, China; 2. College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 3. Shanghai Engineering Research Center of Hadal Science and Technology, Shanghai 201306, China)

Feb., 14, 2014

the Yellow River Estuary; lignin; terrestrial organic carbon

Buried terrestrial organic carbon on continental shelves plays an important role in the global carbon cycle. To better constrain the characteristics and distributions of terrestrial organic carbon in the Yellow River Estuary and adjacent Bohai Sea, in this study, we analyzed surface-sediment lignin phenols combined with TOC%, TN%, and δ13C. A cross-plot of S/V and C/V indicates that lignin is mainly derived from non-woody angiosperm tissues. The (Ad/Al)Vvalues are between 0.31 and 1.01, with an average of 0.53, indicating a high degree of lignin degradation. A three-end-member (vascular plant, soil organic matter, and aquatic organisms) mixing model based on δ13C and Λ8 reveals that the relative amount of aquatic organisms, soil organic matter, and terrestrial plants is 32.8%, 59.9%, and 7.3%, respectively. The substantially greater contribution of soil organic matter than terrestrial plants is attributed to the severe soil erosion and sparse vegetation cover in the Chinese loess plateau—a major source of the Yellow River sediments.

P736.41

A

1000-3096(2016)02-0055-10

10.11759/hykx20140214001

2014-02-14;

2014-06-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41476062)

王映輝(1991-), 女, 山東煙臺(tái)人, 博士研究生, 主要研究方向?yàn)楹Ｑ笥袡C(jī)地球化學(xué)和第四紀(jì)古海洋, 電話: 15210831764, E-mail: yinghui_91@163.com