環雷州半島近海表層沉積物有機碳分布及其控制因素分析

韓永強, 夏 嘉, 2, 譚靖千, Abarike Grace Awinmalsim, 宋之光

環雷州半島近海表層沉積物有機碳分布及其控制因素分析

韓永強1, 夏 嘉1, 2, 譚靖千1, Abarike Grace Awinmalsim1, 宋之光1

(1. 廣東海洋大學 化學與環境學院, 廣東 湛江 524088; 2. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(湛江), 廣東 湛江 524013)

對環雷州半島近海43個海底表層沉積物的總有機碳(TOC)、總氮(TN)、沉積介質條件(包括沉積物粒度)進行了分析, 探討了沉積物TOC、TN的區域分布特征以及影響有機碳分布的主要因素。結果表明, 環雷州半島近海海域海底表層沉積物有機碳含量在0~0.79%之間, 平均值為0.26%。與中國其它近海海域相比, 環雷州半島大部分近海區域海底表層沉積物有機碳含量明顯偏低, 為有機質貧乏區, 僅雷州半島西南部流沙灣近海海域為TOC相對高值區?？偟恳膊桓? 在0.011%到0.100%之間, TOC與TN存在較強的正相關性, 且平面上TOC與TN分布高度重合, 顯示氮元素主要以有機化合物形式存在。TOC/TN比值在5.1~14.3之間, 表明沉積有機質具有陸源輸入和海洋自生來源的混合特征, 但以雷州半島西側北部及東側中部海域受陸源有機質輸入影響更大。大多數站位海底沉積物粒度構成以粉砂為主、粘土次之, 少數站位以砂質沉積為主。沉積物有機碳含量與粘土及粉砂含量呈弱正相關性, 與沉積物pH值、Eh值及砂含量呈弱負相關性, 這表明海底沉積物有機質豐度受有機質來源輸入、海底氧化還原狀態和沉積水動力條件(沉積物粒度)等因素綜合控制。

海底表層沉積物; 總有機碳含量; 總氮; 環境因素; 環雷州半島海域

海洋是地球表層最重要的碳庫之一, 是全球碳循環系統的一個至關重要的子系統[1]。海洋碳儲總量約為大氣的50倍[2], 在大氣二氧化碳(CO2)濃度調節中發揮重要的作用。陸架邊緣海在全球碳循環中具有重要作用, 也是陸地與大洋的連接過渡帶, 占全球海洋總面積的7.6%。但由于其具有較高的陸源輸入和海洋初級生產力, 同時加上人類活動的強烈影響, 其生物地球化學過程比深海遠洋更為復雜多變[3]。因此調查研究近海海底沉積物有機碳含量及區域分布特征, 對于研究和預測未來海洋生態環境及變化有重要科學意義。

有關中國近海海域表層沉積有機質方面的研究多集中于渤海[4]、黃海[5-6]、長江口附近海域[7-8]、東海[9]、南海北部珠江口附近海域[10-11]; 而圍繞環雷州半島相關海域如湛江港灣、瓊州海峽、北部灣等[12-16]區域海底沉積環境、沉積物中有機及無機污染物等有一些零星的研究報道, 但缺少對環雷州半島整個區域沉積有機質大范圍系統性的研究。環雷州半島近海海域作為東亞低緯度海洋性季風影響的重要海陸過渡帶, 海底表層沉積物有機碳含量不僅受該海域海洋初級生產力和海洋沉積環境變化控制, 也受到人為活動的強烈影響。這一海域還是中國重要的紅樹林生態海域, 紅樹林的邊緣效應對海岸帶有機碳庫分布格局具有重要意義[17]。為了整體性研究環雷州半島近海海域的沉積地球化學環境特征, 本研究通過對環雷州半島近海海域海底表層沉積物進行系統采樣和室內實驗分析, 以及海洋沉積環境的現場測試, 試圖研究該海域海底沉積有機質的豐度分布特征以及環境控制因素, 探討這一特殊海域近海碳儲存規律與區域海洋環境變化。

1 研究區地質地理概況

雷州半島是中國第三大半島, 地處中國大陸最南端, 半島南北長約140 km, 東西寬60~70 km, 三面環海, 海岸線長約1 180 km。環雷州半島海域的入海河流有: 南渡河、西溪河、英利河、通明河、調風河等呈放射狀獨流入海, 盡管這些河流由于流量小, 但其攜帶的陸源沉積物對近海沉積有機質應有一定影響。同時半島岸線曲折, 港灣與島嶼眾多, 近海環境條件變化較大。此外, 環雷州半島有大量的近海養殖區, 這些近海養殖業需要投入大量餌料, 且養殖生物的新陳代謝活動都會對近海海底沉積物有機質豐度組成產生一定影響。雷州半島東部為臺地溺谷灣海岸, 南部為火山臺地海岸, 西部為海成階地和臺地溺谷灣海岸。半島東西兩側潮汐作用不同, 東側沿海受不規則半日潮影響, 西側北部灣海域受規則全日潮影響, 因而其海洋環境存在較大的差異。前人對南海北部粵西近海海域漂流瓶的運動軌跡、海流的定點連續觀測研究顯示[18], 粵西沿岸流基本是常年向西南流動, 沿雷州半島東側近岸海域南下; 瓊州海峽的潮汐情況比較復雜, 潮流漲急時刻自西向東流、落急時刻自東向西流, 流速東向流大于西向流[19]; 北部灣區域波浪的方向取決于風向, 冬季北部灣北部波浪多為東北向, 夏季以西南向居多[20]; 因而環雷州半島近海海域沉積環境比較復雜。研究區為環雷州半島近海海域, 地理范圍介于北緯20°15′N~ 21°30′N和東經109°30′E~111°45′E之間(圖1)。

圖1 研究區域及采樣站位

2 樣品與方法

2.1 樣品采集和參數測定

海底表層沉積物樣品是在2017年秋季(9月29日~10月7日)廣東海洋大學環雷州半島海洋環境與生態綜合科學考察公共航次期間搭載“天龍”號調查船, 通過重力箱式采樣器采集獲得。在預先設定的57個調查采樣站位中共獲取43個站位的表層沉積物樣品(圖1、表1), 未獲得沉積物樣品的站位主要是砂質海底。沉積物的氧化還原電位(Eh)和pH值的現場測定, 僅在箱式采泥斗采取的海底沉積物表層呈完好的切塊形狀時進行測定, 若沉積物被擾動不成塊狀則不予測定。Eh和pH值測定所用儀器為高精度便攜式氧化還原電位及pH值測定儀。表層沉積物樣品采集為現場采集未經擾動的表層0~10 cm厚度的沉積物裝入PVC樣品袋中, 排除空氣后密封冷凍保存于冰箱中, 回到實驗室后一周內對樣品進行冷凍干燥及后續實驗分析檢測。

2.2 沉積物粒度分析

取少量沉積物濕樣, 使用30% 過氧化氫和1 mol/L鹽酸分別去除有機質和無機碳, 用去離子水洗至中性。以六偏磷酸鈉作為分散劑, 充分搖勻后使用Malvern Mastersizer 2000激光粒度分析儀進行粒度分析。儀器測量范圍為0.2~1 000 μm, 粒級分辨率小于0.01 Φ。根據沉積物粒度累計百分含量, 獲得粘土(>4 μm)、粉砂(4~63 μm)和砂(>63 μm)[21]的相對含量。多次重復測定的相對誤差小于1%。

表1 所有站位表層沉積物TOC及相關物性組成分析

2.3 沉積物TOC與TN的測定

樣品經冷凍干燥后, 研磨過100目篩以備用。樣品先使用1mol/L的鹽酸去除無機碳后進行有機碳分析, 而總氮分析使用不經酸化處理的原樣直接進行測試。分析使用儀器為德國Elementar公司vario MACRO cube有機元素分析儀, 樣品中的TOC、TN的分析誤差分別為±0.02%和±0.005%。

3 結果與討論

3.1 沉積物TOC、TN分布特征及影響分析

總計43個海底表層沉積物樣品TOC含量變化范圍在0~0.79%之間, 平均為0.26%(表2)。其中, P37站位有機碳含量最高; P21、P54和P56三個站位的表層沉積物有機碳含量可能低于儀器的檢測下限, 故顯示為零值。沉積物TOC含量平面等值線圖(圖2a)顯示, 位于雷州半島西南部的流沙灣外海一帶為有機碳含量較高區域; 同時也存在兩個低值區域, 分布在雷州半島西北部近岸海域和雷州半島東南部近海海域。除流沙灣附近海域沉積物有機碳含量較高之外, 其它站位的沉積物有機碳含量普遍較低。

從表2可以看出, 雷州半島的流沙灣、粵西海域等這些靠近海岸線的淺海灣區海底沉積有機碳含量相對較高。這主要反映了近岸受人為影響顯著的局限性海域與近海開闊性海域在沉積環境方面的差異。與表2中其它近海海域相比, 環雷州半島近海海域表層沉積物中有機碳含量總體偏低。半島東側近海受不規則半日潮影響較大, 粵西沿岸流常年向西南向流動[18], 流動水體含氧量較高, 不利于有機質的保存聚集, 因此可能造成沉積物有機質含量較低。半島東南部外羅水道即瓊州海峽的東入口附近此區域為海流潮汐作用高動能區, 以砂質沉積物為主, 有機質難以在此保存。同時瓊州海峽海流方向隨季節變化, 形成一個復雜的沉積環境, 有機質在此不斷沉積懸浮, 更不利于有機質的保存。北部灣處于熱帶——亞熱帶季風氣候帶, 夏華永等[25]通過分析春夏季冷水團及鹽度的分布, 比較夏季風生流與密度流的強弱, 提出北部灣終年為逆時針環流的觀點。夏季海洋生產力明顯高于冬季且加上受地形的影響, 位于半島西南部的流沙灣海域因呈葫蘆形的半封閉海灣, 在其附近海域有利于沉積物有機質的沉積, 樣品測定結果顯示此區域的有機質含量最高。整體而言, 環雷州半島近海海域海流、潮流作用比較強、陸源沉積物輸入比較弱, 海底環境不利于有機質的沉積與保存。同時根據采樣時的現場觀察記錄以及底棲生物采樣分析發現, 箱式采樣器采集的海底表層沉積物中底棲生物量稀少, 尤其是TOC低值區域站點, 顯示環雷州半島近海海域存在海底荒漠化的態勢, 值得密切關注。海底沉積物有機碳含量低, 表明環雷州半島近海海域初級生產率低或外源有機質輸入量低、或沉積環境不利于有機質的保存。

表2 中國近海海域海底沉積物TOC與TN分布

注: 表中數據中括號內為平均值, “-”表示無參數

圖2 研究區域海底表層沉積物TOC (a)和TN (b)分布

沉積物總氮含量TN變化范圍在0.011%~0.100%之間, 平均為0.050%(表2)。其中, P37站位TN含量最高, 與TOC含量最高的站位一致。圖2顯示, 環雷州半島近海海底表層沉積物TOC與TN在空間分布上具有較高的一致性, 高值區(TOC>0.5%, TN> 0.07%)主要分布在雷州半島西南部流沙灣附近海域; 高含量的TOC和TN可能是由于流沙灣為西北向呈葫蘆形的半封閉型海灣, 在低緯度海洋性季風的影響下更多的有機質在此區域聚集沉降到沉積物中造成的。沉積物中有機質含量高, 底棲生物活躍, 也有利于各類大型海洋生物的生長繁殖。而流沙灣成為中國海水珍珠“南珠”的生產基地和廣東省重要的貝類養殖區也與此不無關系。低值區(TOC<0.3%, TN<0.05%)主要分布在雷州半島西北部近岸海域及雷州半島東南部近海海域。此外, 沉積物TOC和TN呈現出很強的正相關性(圖3,2= 0.8309), 說明沉積物中氮主要以有機化合物的形式賦存。

海洋沉積有機質主要有海相和陸相兩種來源, 而且在不同的海域或河口, 兩種來源有機質的貢獻存在明顯差異[26-27]。TOC/TN比值可以用來識別海洋沉積物中有機質的來源, 有機質的來源不同, 其比值往往呈現不同的特征值; 當TOC/TN比值<8指示海洋自生來源, TOC/TN>12時指示陸源輸入, 而處于8至12之間則為海相和陸相兩者混合來源[28]。環雷州半島近海海域海底表層沉積物中TOC/TN比值為5.1~14.3, 其均值為9.1。其中TOC/TN<8的沉積物占23.7%, TOC/TN處于8~12之間的沉積物占71.1%, TOC/TN>12的占5.3%(表1)。該結果表明, 研究區內大部分區域沉積有機質均為海陸混合輸入來源; 少部分區域(TOC/TN<8)以海洋自生來源有機質輸入為主; 個別站位(TOC/TN>12)以陸源有機質輸入為主。以海洋自生有機質輸入為主的區域主要分布在雷州半島東北部的近岸海域; 此區域屬于有機碳含量次高值區域, 且沉積物底質類型屬于泥質, 海洋自生有機碳可被細顆粒物吸附沉降進入沉積物中, 即使有沿岸流經過, 仍然能體現海洋自生有機碳的特征。而以陸源有機質輸入為主的區域主要分布在雷州半島西側中部近岸海域; 此區域是中國海水珍珠的生產基地和廣東省重要的貝類養殖區, 沉積物有機質含量受養殖餌料投放及生物代謝活動的影響較大。其它區域TOC/TN比值處于8至12之間, 表明沉積有機質具有陸源和海洋自生有機質來源的混合特征。大部分區域的TOC/TN比值大于8表明陸源有機碳是近海海底表層沉積物總有機碳來源的主體, 同時也揭示近海海域是陸源有機碳重要的匯聚場所。

圖3 海底表層沉積物總有機碳與總氮關系圖

3.2 沉積物Eh和pH分布及其影響

海底表層沉積物Eh和pH參數是在考察船后甲板上現場測定, 相關測定數值列于表1, 沉積物Eh值變化范圍在–255.1~10.5 mV之間。根據宋金明等學者[29]對沉積物氧化還原電位與氧化還原狀態的劃分, 環雷州半島近海海域海底表層沉積物表現弱還原至還原狀態。圖4a顯示, Eh高值區域出現在雷州半島的東南部近海海域, 此海域也是有機碳含量低值區之一。Eh低值區主要分布在靠近北海的近岸海域、流沙灣附近海域和雷州半島東北部近岸海域, 這些區域海底表層沉積物有機碳含量相對較高, 尤其是流沙灣附近海域。雷州半島西側近岸海域海底沉積物氧化還原電位相對比較穩定, 變化較小。近海海洋海底沉積物中時刻都在發生各種各樣的復雜化學反應[30]。而Eh作為一項綜合性指標, 直接影響了沉積物中各種物質的地球化學行為、包括自生礦物的形成和轉化及成巖作用進程等[31]。海洋沉積物的Eh由沉積物中的微生物活動控制, 而表層沉積物中的有機質的存在為微生物提供了必要生存條件[30]。沉積物Eh低值區有機碳含量相對較高, 尤其是流沙灣附近海域。Eh的高值區主要分布在雷州半島東南部近海海域和雷州半島西側北部近岸海域(流沙灣除外); 這兩個區域沉積物有機碳含量較低, 是整個研究海域的有機碳含量低值區。這說明Eh與海底表層沉積物有機質豐度成負相關性。宋金明等人的研究也表明, Eh值的大小與沉積物中有機質含量密切相關, 在平面分布上Eh與有機碳含量呈相反趨勢變化[29]。在有機質含量高的沉積物中, 有機質首先被好氧細菌和真菌降解, 消耗溶解的氧氣導致沉積物Eh降低; 當氧氣被耗盡后, 有機物逐漸被硝酸鹽、氧化錳、硫酸鹽還原菌所降解, Eh持續降低[30]。根據整個研究區域的實驗結果及相關性分析, 有機碳含量與Eh的負相關性較弱(圖5a), 可能是由于研究區域屬于近岸海域, 沉積環境復雜且受多種自然因素和人類活動的影響, 從而減弱了有機碳和Eh之間的整體負相關性。

研究區內海底表層沉積物pH在7.25~7.89之間, 沉積介質條件呈弱堿性特征。圖4b顯示, 表層沉積物的pH分布具有明顯的區域性變化特征。pH低值區主要出現在瓊州海峽、雷州半島西北部近海海域及流沙灣附近近岸海域, 這些區域的沉積物有機碳含量相對較高。雷州半島西側近海沉積物pH值由近岸向遠岸呈帶狀逐漸增大。半島東側海底表層沉積物pH值普遍較高, 在東北部出現一個高值中心。由于海底表層沉積物與底層海水構成一個臨界面, 且兩者之間存在頻繁的物質交換, 因此沉積物的pH值的大小直接取決于其上覆海水的性質[32]。同時, 沉積物中碳酸鹽及貝類殼體釋放出碳酸根離子結合水體中的氫離子, 造成氫氧根離子過剩, 致使水體偏堿性, 因而表層沉積物也呈弱堿性。pH低值區域的沉積有機碳含量較高, 尤其是流沙灣附近海域。圖5b顯示, 沉積物TOC含量與pH之間有較弱的負相關性, 這可能顯示pH值與有機碳含量之間有較為復雜的相關性, 或者說沉積物pH值對沉積有機質豐度影響不明顯。

3.3 沉積物粒度特征及其影響

研究區內表層沉積物粒度組成主要以粉砂為主, 含量在14.6%~66.6%之間, 平均為53.6%; 其次為粘土, 含量在9.4%~39.6%之間, 平均為27.9%; 砂質含量較低, 含量在3.4%~76.1%之間, 平均值為18.5%; 中值粒徑在1.57 Φ~7.48 Φ之間。粒度是控制海底表層沉積物中有機碳含量和分布的一個很重要的因素, 體現了海底水動力條件對海洋沉積有機質豐度的影響。從沉積物有機碳(TOC)含量與粘土、粉砂、砂和中值粒徑的關系圖(圖6)中可以看出, 沉積物TOC含量與顆粒物中值粒徑(Φ)、粘土以及粉砂呈正相關, 而與砂質含量呈負相關。環雷州半島西側近海海域海底表層沉積物粘土含量普遍高于雷州半島東側和瓊州海峽海底表層沉積物的粘土含量。環雷州半島近海表層沉積物有機碳含量分布與粘土含量分布具有一定的重合性。在北部灣東北部近岸海域, 出現一個有機碳低值中心, 可能是由于北部灣東部沿岸由更新統松散砂礫組成, 海水侵蝕后退形成海底殘留砂質平原[33]。瓊州海峽是強侵蝕區, 海峽內流速多在120 cm/s以上[34], 不利于來自地表徑流的陸源輸入及海岸侵蝕產生的碎屑物質在此沉積, 因此在該區域內沉積物TOC含量也相對較低。

圖4 研究區域海底表層沉積物的Eh (a)和pH (b)分布

圖5 海底表層沉積物TOC與Eh (a)、pH (b)關系圖

圖6 海底表層沉積物總有機碳與粒度參數之間的關系

4 結論

(1) 環雷州半島近海域采樣站位的海底表層沉積物有機碳含量在0~0.79%之間, 平均值為0.26%; 與其它近海海域相比, 大部分區域海底表層沉積物有機碳含量明顯偏低, 結合現場底棲生物采樣觀察, 底泥中底棲生物非常稀少, 呈現近海海底荒漠化的狀況。

(2) 環雷州半島近海海底表層沉積物TOC與TN在空間分布上具有較高的一致性。TOC/TN值在5.1~ 14.3之間, 多數分布在8~12之間, 表明研究海域沉積有機質具有陸源輸入和海洋自生的混合來源特征。

(3) 沉積物粒度組成主要以粉砂為主, 含量在14.6%~66.6%(平均值53.6%); 其次為粘土, 含量在9.4%~39.6%(平均值27.9%); 砂質含量較低, 在3.4%~76.1%(平均值18.5%); 中值粒徑在1.57 Φ~ 7.48 Φ之間。有機碳含量與沉積物的粘土含量、粉砂含量以及中值粒徑(Φ)呈一定的正相關性, 而與砂質含量呈負相關, 這表明海底表層沉積物TOC含量受沉積水動力控制。

(4) 環雷州半島近海海底表層沉積物Eh表現為弱還原至還原狀態。Eh低值區與TOC高值區對應、Eh的高值區和TOC的低值區對應, 由于研究區域屬于近海海域, 沉積環境復雜且受多種自然因素和人類活動的影響, 從而減弱了有機碳和Eh之間的相關性。而沉積物pH值與海底表層沉積物TOC含量弱的負相關性說明沉積物TOC含量不受pH值影響或影響很小。

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Distribution and controlling factors of organic carbon in surface sediments of the coastal region surrounding Leizhou Peninsula

HAN Yong-qiang1, XIA Jia1, 2, TAN Jing-qian1, ABARIKE Grace Awinmalsim1, SONG Zhi-guang1

(1. College of Chemistry and Environment, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China; 2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhanjiang), Zhanjiang 524013, China)

The total organic carbon (TOC) and total nitrogen (TN), sedimentary redox state and granularity composition of 43 seafloor surface sediments in the coastal region of Leizhou Peninsula were analyzed, and the distribution of TOC, TN and its possible controlling factors were discussed. The results show that the organic carbon content in the surface sediments of the coastal region surrounding Leizhou Peninsula is between 0 and 0.79%, with an average of 0.26%. Compared with other offshore sea area in China, the organic carbon content of seafloor surface sediments in most offshore areas of surrounding Leizhou Peninsula is significantly lower, which is an area with poor organic matter. Only the offshore sea area of Liusha Bay in the southwest of Leizhou Peninsula is an area with relatively high TOC value. The total nitrogen content is also not high, between 0.011% and 0.100%. There is a strong positive correlation between TOC and TN, and the spatial distribution of TOC and TN highly coincide, indicating that nitrogen mainly exists in the form of organic compounds. The ratio of TOC/TN is between 5.1 and 14.3, indicating that the sedimentary organic matter has the mixed characteristics of terrestrial and marine authigenic sources. However, the northern part of the western Leizhou Peninsula and the central part of the eastern Leizhou Peninsula are more affected by the input of terrestrial organic matter. Most of the stations arecomposed of silt and clay, anda few are composed of sand. The organic carbon content of sediments has a weak positive correlation with the content of clay and silt, and a weak negative correlation with the pH value, Eh value and sand content of sediments, which indicates that the TOC abundance of surface sediments is comprehensively controlled by the input of organic matter sources, the seafloor of redox state and the sedimentary hydrodynamic conditions (sediment grain size).

seafloor surface sediments; total organic carbon content; total nitrogen; environmental factor; offshore of surrounding Leizhou Peninsula

Oct. 12, 2019

P736.41

A

1000-3096(2020)03-0093-11

10.11759/hykx20191012002

2019-10-12;

2019-12-13

廣東海洋大學博士科研啟動項目(R17001); 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(湛江)項目(ZJW-2019-08)

[the Doctoral Scientific Research Foundation of Guangdong Ocean University, No. R17001; Fund of Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhanjiang), No. ZJW-2019-08]

韓永強(1992-), 男, 河南周口人, 碩士研究生, 從事海洋資源與環境研究, 電話: 18666736320, E-mail:yongqianghan_0394@163.com; 夏嘉,通信作者, 講師, 主要從事有機地球化學和元素地球化學研究, 電話: 18022664304, E-mail: xiajia_0000@163.com

(本文編輯: 康亦兼)