福建羅源灣潮灘沉積過(guò)程對(duì)人類(lèi)活動(dòng)和臺(tái)風(fēng)事件的響應(yīng)①

王愛(ài)軍 葉 翔

(國(guó)家海洋局第三海洋研究所海岸與海洋地質(zhì)環(huán)境開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室 福建廈門(mén) 361005)

0 引言

潮灘作為陸海相互作用最為頻繁、復(fù)雜的地區(qū)之一，也是臺(tái)風(fēng)由海上向陸地推進(jìn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，臺(tái)風(fēng)登陸期間改變了潮灘的沉積動(dòng)力過(guò)程、沉積結(jié)構(gòu)和潮灘演化過(guò)程［1～5］，通過(guò)提取潮灘沉積記錄可以反演臺(tái)風(fēng)信息［6］。此外，潮灘還是最早成為人類(lèi)活動(dòng)的重點(diǎn)區(qū)域之一［7～9］。隨著人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度逐漸增大，潮灘資源與環(huán)境遭到了嚴(yán)重的破壞，已經(jīng)引起了相關(guān)國(guó)際組織和沿海國(guó)家政府與科學(xué)界的高度重視和普遍關(guān)注，海岸帶陸海相互作用(LOICZ)明確提出將以地球系統(tǒng)科學(xué)的觀點(diǎn)，重點(diǎn)探討人類(lèi)活動(dòng)影響下的海岸帶物質(zhì)循環(huán)過(guò)程、系統(tǒng)演化過(guò)程以及對(duì)未來(lái)海岸帶開(kāi)發(fā)的意義［10］。

福建省是我國(guó)遭受臺(tái)風(fēng)最為嚴(yán)重的沿海省市之一，也是最早從事潮灘開(kāi)發(fā)活動(dòng)的地區(qū)之一，沿海港灣眾多，灣內(nèi)多發(fā)育淤泥質(zhì)潮灘。羅源灣位于福建東北部沿海，屬半封閉海灣，受周邊地形地貌的影響，灣內(nèi)潮灘沉積環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，能夠較好地記錄沉積環(huán)境演化過(guò)程及相應(yīng)的事件，因此是研究潮灘沉積環(huán)境演化對(duì)人類(lèi)活動(dòng)和臺(tái)風(fēng)事件響應(yīng)的理想場(chǎng)所。本文通過(guò)對(duì)羅源灣潮間帶中上部的鹽沼和鹽沼前緣光灘地區(qū)柱狀沉積物樣品的分析，嘗試提取潮灘沉積記錄中有關(guān)人類(lèi)活動(dòng)和對(duì)該地區(qū)產(chǎn)生重大影響的臺(tái)風(fēng)事件信息，為潮灘演化及相關(guān)資源合理開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

羅源灣位于福建省東北部沿海，整個(gè)海灣被羅源半島和黃歧半島環(huán)抱，灣口寬僅2 km，是一個(gè)典型的半封閉海灣，屬構(gòu)造成因海灣。羅源灣岸線曲折多樣，海灣總面積230 km2，大潮低潮線以下的水域面積105 km2，潮間帶濕地面積占約62%［11］。羅源灣海域潮汐形態(tài)數(shù)為0.28，屬正規(guī)半日潮，平均潮差為5.14 m，最大潮差為 7.47 m，最小潮差為 2.27 m;每年7～9月為臺(tái)風(fēng)季節(jié)，對(duì)羅源灣地區(qū)造成了較大的影響，平均每年有5.5次臺(tái)風(fēng)影響到羅源灣地區(qū)［12］。

根據(jù)衛(wèi)星遙感資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，羅源灣內(nèi)鹽沼濕地主要發(fā)育在海灣西側(cè)及西南側(cè)，寬度約2～5 km，灘面平緩，一般坡度小于0.1%，潮水溝比較發(fā)育，多呈樹(shù)枝狀分布，沉積物主要由黏土質(zhì)粉砂組成，潮間帶地貌分帶性不顯著，微地貌形態(tài)單一;潮間帶上部大多已圍墾，在墾區(qū)外圍形成了大片的互花米草(Spartina alterniflora Loisel)鹽沼。

圖1 羅源灣位置及采樣站位示意圖Fig.1 Location map and sampling sites

2 研究方法

2008年1月份在羅源灣馬鼻鎮(zhèn)附近海域選擇了潮間帶上部的鹽沼內(nèi)部(站位B)和光灘(站位F)的兩個(gè)站位采集了柱狀沉積物(具體采樣站位見(jiàn)圖1)。柱狀樣采集利用內(nèi)徑為70 mm、外徑75 mm的PVC管用人工直接按入地下，為減少阻力和增加進(jìn)樣率，在底部沒(méi)有安裝花瓣，PVC管在按入過(guò)程中記錄了管內(nèi)外距離沉積物的高度，到一定深度后再用人工緩慢拔出，PVC管取出后再次測(cè)量管頂部距離沉積物的長(zhǎng)度，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有樣品掉下。站位B和站位F在采樣過(guò)程中PVC管插進(jìn)沉積物的深度分別為310 cm和300 cm，實(shí)際取得沉積物長(zhǎng)度分別為165 cm和149 cm，柱狀樣在運(yùn)回室內(nèi)后取出樣品，在進(jìn)行巖性、沉積構(gòu)造描述后，以1 cm間隔進(jìn)行分樣。研究表明，柱狀樣采集過(guò)程中存在線性壓縮現(xiàn)象，并且在采樣管下也存在一定的壓縮量［13］，在本次采樣過(guò)程中也記錄了采樣管內(nèi)外距離地面的高度，結(jié)果也表明是一種線性壓縮過(guò)程。因此，本文根據(jù)此方法利用現(xiàn)場(chǎng)記錄的柱狀樣壓縮量恢復(fù)站位B和站位F的真實(shí)柱樣長(zhǎng)度均為280 cm。

將分割后的樣品均勻混合后采集大約2 g子樣，用濃度為5‰的六偏磷酸鈉溶液浸泡24小時(shí)，并利用超聲波震蕩1min，使樣品充分混和、分散后，在Mastersizer 2000型激光粒度儀上進(jìn)行粒度分析，獲得1/4φ間隔的粒度組分。沉積物粒度參數(shù)采用矩法計(jì)算［14］，沉積物分類(lèi)與命名采用 Shepard的分類(lèi)系統(tǒng)［15］。沉積物粒度分析在國(guó)家海洋局第三海洋研究所海洋與海岸地質(zhì)環(huán)境開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室完成。

210Pb的半衰期是22.3 a，適于測(cè)定近百余年的地質(zhì)事件和年齡，此法為 Goldberg所發(fā)展［16］。本文210Pb測(cè)年分析在國(guó)家海洋局大氣化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，以209Po為示蹤劑。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:準(zhǔn)確稱取沉積物干樣4 g，加入已知量的209Po作為產(chǎn)額示蹤劑，分別用濃硝酸和濃鹽酸消化，蒸干，蒸干后的剩余物用稀鹽酸浸取，離心分離出清液;向溶液中加入少量鹽酸羥胺，用氨水調(diào)節(jié)pH為2，在恒控磁力攪拌器上加熱攪拌，使210Po和209Po沉積在一個(gè)活性面為φ12 mm的銀片上。反應(yīng)完后取出銀片，分別用純凈水和無(wú)水乙醇淋洗銀片，在紅外燈下烘干后置于α能譜儀上測(cè)量。

3 結(jié)果

3.1 柱狀沉積物粒度組成及沉積結(jié)構(gòu)

柱狀樣B位于互花米草鹽沼內(nèi)部，距離鹽沼邊緣約300 m，實(shí)際取樣深度為165 cm，經(jīng)過(guò)恢復(fù)校準(zhǔn)后，真實(shí)樣長(zhǎng)為280 cm。在整個(gè)剖面上，沉積物類(lèi)型主要以黏土質(zhì)粉砂為主，在表層以下165～175 cm、230～240 cm之間為粉砂，積物黏土含量介于16.3%～34.5%之間，由底向表黏土含量總體表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，但中間出現(xiàn)多個(gè)變化階段，其中在280～230 cm之間的沉積物黏土含量由下向上逐漸減小，由230 cm層位向上黏土含量迅速增大后又開(kāi)始逐漸減小，到175 cm層位后向上沉積物黏土含量又表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢(shì)，到81 cm層位后向上又逐漸減小，自35 cm層位開(kāi)始向上則表現(xiàn)為波動(dòng)中逐漸增加的趨勢(shì)(圖2)。

圖2 羅源灣互花米草鹽沼內(nèi)(站位B)沉積物粒度特征Fig.2 Depth-distribution of core sediment grain size in Spartina alterniflora marsh

圖3 羅源灣潮間帶光灘內(nèi)(站位F)沉積結(jié)構(gòu)及沉積物粒度特征Fig.3 Depth-distribution of core sediment grain size in bare flat

柱狀樣F位于互花米草鹽沼外側(cè)大約200 m遠(yuǎn)的光灘上，實(shí)際取樣深度為149 cm，經(jīng)過(guò)恢復(fù)校準(zhǔn)后，真實(shí)樣長(zhǎng)為280 cm。在整個(gè)剖面上，沉積物類(lèi)型主要以黏土質(zhì)粉砂為主，在表層以下80～140 cm、152～158 cm、188～196 cm、226～280 cm 之間以粉砂為主，間有黏土質(zhì)粉砂和砂質(zhì)粉砂分布，沉積物黏土含量介于8.2%～34.8%之間，由下向上沉積物黏土含量總體表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，但出現(xiàn)多個(gè)旋回，280～165 cm之間的沉積物黏土含量逐漸增大，165～100 cm之間的沉積物黏土含量逐漸減小，在100～76 cm之間的沉積物黏土含量又迅速增大，76 cm以上的沉積物黏土含量變化很小(圖3)。

3.2 沉積速率

根據(jù)210Pb分析結(jié)果(圖4)，柱狀樣B和F分別在150 cm和75 cm深度左右到達(dá)本底值，并且兩個(gè)站位柱狀沉積物中210Pb比活度由表層向底層呈顯著遞減趨勢(shì)。因此，根據(jù)回歸關(guān)系式可以分別計(jì)算出兩個(gè)站位的平均沉積速率。計(jì)算結(jié)果表明，互花米草鹽沼(站位B)和潮間帶中上部光灘(站位F)的平均沉積速率為分別為1.96 cm/a和1.23 cm/a。

圖4 羅源灣海岸濕地柱狀沉積物210Pb測(cè)年結(jié)果Fig.4 210Pb dating results of sediment cores in coastal wetlands，Luoyuan Bay

3.3 柱狀沉積物粒度參數(shù)

站位B柱狀沉積物粒度分析結(jié)果顯示(圖2)，整個(gè)剖面沉積物平均粒徑為5.41～45.00 μm，最大值出現(xiàn)在230～235 cm之間，分樣過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在該層位出現(xiàn)了含貝殼碎屑的粗顆粒泥質(zhì)砂;在175 cm以下，沉積物平均粒徑由下向上總體表現(xiàn)為逐漸粗化的趨勢(shì)，在175～80 cm之間表現(xiàn)為向上逐漸細(xì)化的趨勢(shì)，80 cm以上則又表現(xiàn)為向上粗化的趨勢(shì)。除230～235 cm之間的沉積物分選很差外，其余層位沉積物分選程度較為一致;沉積物總體以正偏為主，在230～235 cm之間出現(xiàn)極負(fù)偏，峰態(tài)值也在相應(yīng)的層位出現(xiàn)較大值。

站位F柱狀沉積物平均粒徑分析結(jié)果顯示(圖3)，沉積物平均粒徑為 5.46～68.82 μm，在 165 cm以下表現(xiàn)為由下向上沉積物逐漸細(xì)化的總趨勢(shì)，在165～100 cm之間的沉積物平均粒徑顯著增大，這主要是由于該層位出現(xiàn)了含較多的貝殼碎屑的粗顆粒物質(zhì)，在100～66 cm之間的沉積物平均粒徑向上表現(xiàn)為較為顯著的細(xì)化趨勢(shì)，在66 cm以上則表現(xiàn)為不明顯的粗化趨勢(shì);100～150 cm之間的沉積物分選程度很差，150 cm以下的沉積物分選程度由下向上總體表現(xiàn)為逐漸變好，而在100 cm以上則表現(xiàn)為不明顯的由下向上逐漸變差的趨勢(shì)，并且這兩個(gè)沉積層段的沉積物分選程度相差很小;沉積物分布以正偏為主，在100～150 cm之間的沉積物為負(fù)偏，其余部分層位的沉積物表現(xiàn)為負(fù)偏;峰態(tài)值的分布與分選系數(shù)一致，在100～150 cm沉積層的沉積物峰態(tài)值較大，該沉積層上部和下部沉積物的峰態(tài)相差較小。

4 討論

4.1 人類(lèi)活動(dòng)對(duì)潮灘沉積過(guò)程的影響

羅源灣地區(qū)近現(xiàn)代以來(lái)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，各種用海方式及用海規(guī)模給海灣帶來(lái)了明顯的壓力。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，羅源灣經(jīng)歷了幾次規(guī)模較大的圍填海活動(dòng)，圍填海面積達(dá)到了71.96 km2［17］。強(qiáng)烈的圍填海打破了潮灘水沙平衡狀態(tài)，改變了潮灘剖面形態(tài)，引起潮灘局部淤積及沉積物粒度組分的變化［9，18，19］。

羅源灣在20世紀(jì)50～70年代經(jīng)歷了岐后圍墾、大獲圍墾、岐余圍墾、巽北圍墾、合豐圍墾、尖墩圍墾、廉澳塘圍墾、官坂軍墾、龍頭圍墾、南門(mén)圍墾、北營(yíng)燕窩圍墾等十多個(gè)大中型圍墾活動(dòng);20世紀(jì)70年代中期開(kāi)展的松山和大官坂大型圍墾活動(dòng)到80年代初期完工;此后又開(kāi)展了一系列的圍墾活動(dòng)，如1987年的泥田圍墾、1998年的白水圍墾等。大量的圍填?；顒?dòng)顯著影響了海灣的納潮量，灣內(nèi)潮流場(chǎng)、流向、流速等的變化進(jìn)而會(huì)影響到泥沙運(yùn)動(dòng)過(guò)程，導(dǎo)致部分海域淤積強(qiáng)度增大。數(shù)值模擬結(jié)果表明，1998年開(kāi)展的白水圍墾導(dǎo)致羅源灣內(nèi)大、小潮納潮量分別減少了2.38%和3.26%，30天的水交換能力下降了1.3%，堤外泥沙淤積增強(qiáng)［17］。通過(guò)對(duì)羅源灣光灘和鹽沼沉積物粒度組分及平均粒徑在剖面上的分布對(duì)比(圖5)，自20世紀(jì)40年代中后期以來(lái)，潮灘沉積速來(lái)顯著增強(qiáng)，進(jìn)一步說(shuō)明了圍填?；顒?dòng)加強(qiáng)了羅源灣潮灘的淤積強(qiáng)度。

4.2 臺(tái)風(fēng)活動(dòng)對(duì)潮灘沉積過(guò)程的影響

潮灘是在潮汐作用下發(fā)育形成的細(xì)顆粒堆積體，但其形成過(guò)程中并不止受潮汐作用，還受到許多突發(fā)因素的影響。災(zāi)害性天氣事件(如臺(tái)風(fēng))在非潮汐因素中扮演了非常重要的角色。研究表明臺(tái)風(fēng)登陸期間，潮灘灘面多發(fā)生侵蝕，在臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)后，會(huì)出現(xiàn)快速的淤積，并且侵蝕強(qiáng)度越大的地區(qū)，臺(tái)風(fēng)過(guò)后的淤積強(qiáng)度也越大［3，20～24］，灘面侵蝕、淤積強(qiáng)度與臺(tái)風(fēng)自身強(qiáng)度、臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)的潮汐狀況以及潮汐位相有關(guān)［23，25］，這些要素直接影響到臺(tái)風(fēng)登陸引起的波浪作用強(qiáng)度。一般認(rèn)為臺(tái)風(fēng)影響下，鹽沼地區(qū)會(huì)發(fā)生快速淤積［4，26，27］;長(zhǎng)江口鹽沼的觀測(cè)表明，臺(tái)風(fēng)期間淤積主要發(fā)生在鹽沼中上部，鹽沼下部發(fā)生侵蝕，并且鹽沼邊緣的侵蝕深度最大［3］。羅源灣觀測(cè)結(jié)果顯示，一次臺(tái)風(fēng)作用期間，互花米草鹽沼內(nèi)總體發(fā)生淤積，但部分地區(qū)也會(huì)出現(xiàn)侵蝕，并且侵蝕深度在互花米草鹽沼中下部最大，可達(dá)到4.5～5.5 cm，但在臺(tái)風(fēng)過(guò)后會(huì)出現(xiàn)快速淤積，并且鹽沼中下部的淤積速率也最大;光灘地區(qū)則是下部侵蝕較上部強(qiáng)烈［24］。研究表明，根據(jù)地層內(nèi)的沉積結(jié)構(gòu)和沉積物粒度特征可以初步判斷臺(tái)風(fēng)事件及其強(qiáng)度［2，23］。根據(jù)本文柱狀樣的粒度資料分析，沉積物黏土含量的垂向分布上出現(xiàn)多個(gè)突變界面，可能指示著臺(tái)風(fēng)信息。

通過(guò)查閱歷史文獻(xiàn)記錄［12，28，29］，以及近年來(lái)國(guó)家海洋局每年發(fā)布的《中國(guó)海洋災(zāi)害公報(bào)》資料，近現(xiàn)代歷史上對(duì)羅源灣有很大影響的臺(tái)風(fēng)分別發(fā)生在清道光十六年(公元1836年)(連江登陸，海潮泛濫，縣治水高丈余，人畜多溺死)、清宣統(tǒng)元年(公元1909年)(七月在連江登陸，颶風(fēng)大作，海潮洶涌，民舍崩塌，田禾淹沒(méi)，沿海船戶遭溺無(wú)算。)、1966年(9月3日在羅源登陸，羅源水文站實(shí)測(cè)風(fēng)速為52 m/s，5 h內(nèi)降雨量達(dá)195 mm，導(dǎo)致海堤決口)、1996年(8月1日臺(tái)風(fēng)的三個(gè)中心在霞浦、連江和平潭登陸，最大曾水在200 cm以上)，并且根據(jù)文獻(xiàn)記錄對(duì)比可知，發(fā)生在1909年的臺(tái)風(fēng)是影響強(qiáng)度最大，理論上應(yīng)該對(duì)灘面沉積物的影響最為顯著，發(fā)生于1836年的臺(tái)風(fēng)影響強(qiáng)度僅次于1909年。因此，可以根據(jù)沉積物的垂向分布特征初步劃分出年代特征，劃分臺(tái)風(fēng)事件引起的沉積界面(圖5)。需要說(shuō)明的是，由于站位B灘面高程較站位F高，因此，在同一臺(tái)風(fēng)影響下，其侵蝕強(qiáng)度較站位F弱;1836年臺(tái)風(fēng)發(fā)生時(shí)站位B的灘面高程較1909年臺(tái)風(fēng)時(shí)更低，因此，從站位B剖面上看，1836年臺(tái)風(fēng)對(duì)站位B的影響強(qiáng)度較1909年略強(qiáng)。根據(jù)推算，站位B和站位F自1909年以來(lái)的平均沉積速率分別為1.85 cm/a和1.33 cm/a，與210Pb測(cè)年結(jié)果一致;自1836年以來(lái)的平均沉積速率分別為1.31 cm/a和 1.09 cm/a，略小于210Pb 測(cè)年結(jié)果，這主要是由于沉積物被埋藏至地層后在自身重力作用下脫水而導(dǎo)致自壓實(shí)［30］，其壓縮時(shí)間較1909年更長(zhǎng)、沉積物厚度也較1909年更大，由此造成的沉積物自壓縮程度也較1909年以來(lái)的大，因此推算得到的沉積速率略小于同位素測(cè)年結(jié)果。

由此可推算站位B附近各時(shí)間段內(nèi)的沉積速率分別為:1836～1909年為0.58 cm/a、1909～1946年為0.56 cm/a、1946～1966年為 2.36 cm/a、1966～1987 為1.70 cm/a、1987～1996年為5.10 cm/a、1996～2008年為2.83 cm/a，1836年以來(lái)的平均沉積速率為1.31 cm/a，小于210Pb 測(cè)年數(shù)據(jù)(1.96 cm/a);站位F附近各時(shí)間段內(nèi)的沉積速率分別為:1836～1909年為0.77 cm/a、1909～1946年為 0.85 cm/a、1946～1966年為 2.46 cm/a、1966～1996年為 1.25 cm/a、1996～2008年為1.10 cm/a，1836年以來(lái)的平均沉積速率為1.09 cm/a，小于210Pb 測(cè)年數(shù)據(jù)(1.23 cm/a)。研究表明，在潮間帶地區(qū)隨著灘面高程的增加，沉積速率逐漸減小［20，30］。站位B較站位F更靠近陸地，因此，在自然狀況下，其沉積速率應(yīng)小于后者，而在1836～1946年之間的沉積速率變化也證實(shí)了這一點(diǎn);但是自20世紀(jì)50年代以來(lái)，羅源灣南部經(jīng)歷了較多的圍填海工程，圍填?；顒?dòng)可以使墾區(qū)附近潮間帶沉積速率顯著增加［9，31］;互花米草的引種，更大地促進(jìn)了鹽沼地區(qū)的淤積作用，導(dǎo)致該地區(qū)沉積速率顯著增大;但隨著互花米草鹽沼的不斷成熟，鹽沼內(nèi)的沉積速率逐漸減小，這與已有研究結(jié)果一致［20，32］。

圖5 羅源灣潮灘柱狀沉積物中臺(tái)風(fēng)信息記錄Fig.5 Typhoon records in core sediments of Luoyuan Bay

5 結(jié)論

(1)羅源灣潮間帶中上部沉積物以細(xì)顆粒為主，互花米草鹽沼中下部柱狀沉積物平均粒徑為5.41～45.00 μm，沉積物平均粒徑及黏土含量在采樣深度范圍內(nèi)出現(xiàn)了4次顯著變化;鹽沼外部光灘地區(qū)柱狀沉積物平均粒徑為 5.46～68.82 μm，沉積物平均粒徑及黏土含量在采樣深度范圍內(nèi)出現(xiàn)了3次顯著變化;沉積物特征在地層內(nèi)的顯著變化主要是由臺(tái)風(fēng)活動(dòng)和人類(lèi)活動(dòng)影響所致;

(2)互花米草鹽沼和潮間帶中上部光灘站位的平均沉積速率為分別為1.96 cm/a和1.23 cm/a;圍填海活動(dòng)導(dǎo)致潮間帶中上部平均沉積速率0.56 cm/a增加到2.36 cm/a，而互花米草的出現(xiàn)使得平均沉積速率顯著增加，隨著互花米草鹽沼的不斷成熟，鹽沼內(nèi)的沉積速率逐漸減小;

(3)柱狀沉積物粒度分析結(jié)果記錄了近百年來(lái)的對(duì)該羅源灣產(chǎn)生重要影響的臺(tái)風(fēng)事件，也記錄了20世紀(jì)60年代以來(lái)羅源灣經(jīng)歷的幾次較大規(guī)模的人類(lèi)活動(dòng)。

致謝 國(guó)家海洋局第三海洋研究所的于力、劉靜萍協(xié)助進(jìn)行了粒度分析，當(dāng)?shù)鼐用耜惡Ｉ顓⑴c了野外觀測(cè)工作，謹(jǐn)致謝忱!

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