黃河三角洲濱海濕地演化及其對碳與營養(yǎng)成分的扣留*

丁喜桂 葉思源 趙廣明 袁紅明 王 錦

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黃河三角洲濱海濕地演化及其對碳與營養(yǎng)成分的扣留*

丁喜桂 葉思源①趙廣明 袁紅明 王 錦

(中國地質(zhì)調(diào)查局濱海濕地生物地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島海洋地質(zhì)研究所 青島 266071)

2007年在黃河三角洲布設(shè)了一口24.6m的淺鉆ZK1, 對獲取的巖芯樣品進(jìn)行了詳細(xì)的沉積學(xué)觀測及含水量、有機(jī)碳、總碳和營養(yǎng)成分的實(shí)驗(yàn)室分析測試。通過ZK1孔的地層分析, 將其劃分為7種沉積環(huán)境, 揭示了濱海濕地地質(zhì)演化過程。并利用AMS14C測年方法, 結(jié)合黃河改道的歷史記錄, 運(yùn)用歷史地理學(xué)和沉積地質(zhì)學(xué)綜合分析的方法對黃河三角洲沉積環(huán)境進(jìn)行了年代劃分, 并計(jì)算了黃河三角洲不同沉積環(huán)境沉積物的沉積速率和碳的加積速率。結(jié)果表明: 總碳和有機(jī)碳與除硫和磷元素以外的各營養(yǎng)成分都呈良好的線性相關(guān)(2>0.7,<0.05); 碳、氮、磷的加積速率與沉積物的沉積速率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(2>0.95,<0.01), 沉積物的沉積速率是碳、氮、磷的加積速率的主控因素; 雖然現(xiàn)代黃河三角洲沉積物有機(jī)碳濃度較低(<1%), 但由于沉積物的高沉積速率, 現(xiàn)代黃河三角洲沉積物有機(jī)碳的平均加積速率達(dá)到648.1g/(m2·a), 遠(yuǎn)高于世界其它高有機(jī)碳濃度的濕地, 因此是很好的碳匯地質(zhì)體。

黃河三角洲; 濱海濕地; 沉積環(huán)境; 有機(jī)碳; 加積速率

沉積物對碳的加積和埋藏是全球碳收支平衡預(yù)算以及在地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)碳循環(huán)研究的重要內(nèi)容, 并引起了全球科學(xué)家的廣泛關(guān)注(范德江等, 2000; Brevik, 2004; Smith, 2004; Duan, 2008; Ye, 2010, 2011; Zhang, 2011; 丁玉蓉等, 2012)。由于沉積物中碳形態(tài)與碳總量受早期成巖作用的控制(Berner, 1970), 無水時(shí)期的濕地表面, 大部分新沉積的有機(jī)物質(zhì)會(huì)被分解, 營養(yǎng)成分會(huì)發(fā)生礦化作用, 并向沉積物中的孔隙水中釋放, 最終釋放到上覆地表水中(Ye, 2010, 2011), 剩下的有機(jī)物質(zhì)和營養(yǎng)成分與沉積物顆粒相結(jié)合并一起被埋藏。埋藏在較深沉積物中的有機(jī)碳及營養(yǎng)成分多以較穩(wěn)定的礦物形態(tài)存在, 不易轉(zhuǎn)化遷移。受人類活動(dòng)的影響, 河口地區(qū)聚集了大量來自陸地的有機(jī)物質(zhì)及營養(yǎng)成分, 因此, 河口濕地沉積物中有機(jī)碳和其它營養(yǎng)成分的加積速率研究是非常重要的。研究沉積物有機(jī)碳加積速率, 首先要弄清沉積物的沉積環(huán)境和年代。

對于較老歷史時(shí)期形成的濱海濕地的年代確定, 可以采用現(xiàn)代AMS14C方法。然而, 現(xiàn)代黃河三角洲形成于1855年以后, 至今只有一百多年的歷史(龐家珍等, 1979), 這已經(jīng)不在14C測年的有效范圍之內(nèi), 而210Pb測年法基于兩個(gè)最基本的假設(shè), 即具有穩(wěn)定的210Pb供給速率和沉積后處于封閉系統(tǒng)中。實(shí)際應(yīng)用中要求具有穩(wěn)定的沉積環(huán)境(穩(wěn)定的物源、穩(wěn)定的沉積速率)及沉積后未受改造(范德江等, 2000)。黃河三角洲分流河道頻繁改動(dòng), 沉積與侵蝕交替運(yùn)行, 常常出現(xiàn)沉積間斷, 沉積年代也不連續(xù), 無法滿足上述條件, 然而黃河分流河道擺動(dòng)有清楚的歷史記錄, 1934年以來的記錄尤其清楚, 三角洲的沉積物空間分布有明顯的規(guī)律可循。為此, 薛春汀等(2009)提出應(yīng)用歷史地理學(xué)和沉積地質(zhì)學(xué)綜合分析確定年代的科學(xué)方法。本文采用該方法對黃河三角洲ZK1鉆孔1855年后的沉積年代進(jìn)行了劃分, 并以此為時(shí)間標(biāo), 研究黃河三角洲濱海濕地沉積物中有機(jī)碳及營養(yǎng)成分的垂向加積速率; 對于公元11年以前形成的濕地沉積物采用現(xiàn)代AMS14C測年方法。

1 材料和方法

1.1 樣品采集

2007年8月在東營市孤島鎮(zhèn)軍馬七分場進(jìn)行鉆探取樣, 獲取ZK1孔巖心樣品21.29m, ZK1鉆孔地理坐標(biāo): 37o53′48.29″N, 118o40′53.32″E(圖1), 孔深24.6m, 孔口高程4.93m。在室內(nèi)對該巖芯進(jìn)行了詳細(xì)描述和30cm間距的取樣, 在部分巖性明顯無變化、質(zhì)地均勻處放寬至50cm, 對人為擾動(dòng)強(qiáng)烈的巖心不取樣, 共獲取沉積物樣品34個(gè)。

圖1 ZK1鉆孔位置圖

1.2 樣品處理與測試

樣品經(jīng)自然風(fēng)干, 研磨, 過篩后, 分析總碳(TC)、有機(jī)碳(Corg)、總氮(N)及P、CaO、MgO、K2O、Zn、Cu、Mn、Fe2O3、Al2O3、Na2O等元素及組分的含量。樣品分析測試由河北省中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院完成。采用粉末壓片X射線熒光光譜法測定樣品中P、Ca、Mg、K、Zn、Cu、Mn、Fe等元素的含量; 用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定Mo元素含量; 用非水容量法測定土壤樣品中TC量; 測試土壤樣品中的有機(jī)碳(Corg)含量時(shí), 先對樣品進(jìn)行預(yù)處理, 除去樣品中的無機(jī)碳, 然后用非水容量法測定; 用凱氏氮法測定N含量; 用電位法測定地球化學(xué)調(diào)查土壤樣品的pH值; 采用環(huán)刀法測定土壤原位密度; 有孔蟲鑒定前處理依照標(biāo)準(zhǔn)處理方法(汪品先等, 1985), 篩選出粒級(jí)>63μm的沉積物置于鏡下鑒定, 有孔蟲種類和豐度換算為每50g干重的量成。

1.3 加速器質(zhì)譜(Accelerator Mass Spectrometry, AMS)14C測年方法

使用全樣進(jìn)行14C年齡測定。樣品前處理步驟如下: 加入2mol/L HCl煮沸, 除去無機(jī)碳酸鹽, 棄去溶液。加入2%的NaOH溶液對沉淀物進(jìn)行堿洗, 去除腐殖酸, 再加入2mol/L的HCl對不溶部分進(jìn)行酸洗, 然后將沉淀物洗至中性, 即獲得胡敏酸。為將分離出的胡敏酸轉(zhuǎn)化為可供AMS測量用的石墨樣品, 先將其置于真空系統(tǒng)中燃燒并收集CO2氣體。石墨合成采用氫法, 將純化的CO2氣體送入合成裝置中, 用氫氣為還原劑, 鐵粉為催化劑, 使CO2還原為碳, 即石墨, 最后壓制成AMS測量用的靶物質(zhì), 在北京大學(xué)加速器質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)室的加速器質(zhì)譜計(jì)上進(jìn)行14C測量。

1.4 沉積環(huán)境劃分和與濕地形成年代分析

對于沒有14C測年的濕地或水生系統(tǒng)沉積的年代確定, 應(yīng)用歷史地理學(xué)和沉積地質(zhì)學(xué)綜合分析確定沉積年代(薛春汀等, 2009)。根據(jù)沉積物的性質(zhì)、厚度、高程來判斷沉積環(huán)境, 追蹤其物質(zhì)來源, 判斷沉積物是從哪一條分流河道輸送來的, 那么這一條分流河道的活動(dòng)年代就是這層沉積物形成的年代。分流河道改道后, 新河口沉積物位于老河口的側(cè)部或兩個(gè)老河口之間, 年輕的三角洲前緣粉砂覆蓋在老三角洲側(cè)緣(或分流間灣)粘土質(zhì)粉砂之上, 年輕的三角洲側(cè)緣(或分流間灣)粘土質(zhì)粉砂覆蓋在老三角洲前緣粉砂之上, 這是在黃河三角洲常見的沉積層序, 然后利用分流河道變遷圖、不同年代的地形圖和海區(qū)水深圖, 應(yīng)用歷史地理學(xué)和沉積地質(zhì)學(xué)綜合分析就可以準(zhǔn)確地確定沉積年代。

1.5 數(shù)據(jù)處理與制圖

碳和營養(yǎng)成分的加積速率采用如下公式計(jì)算:

=BD××DR,

式中, DR表示沉積物的沉積速率; BD表示土壤原位密度;表示濃度;表示加積速率。

數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析采用Person相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)。圖件采用CorelDraw 12.0和Graph1.2等繪圖軟件完成。

2 結(jié)果和討論

2.1 ZK1孔沉積環(huán)境分析、沉積年代確定

ZK1孔整個(gè)巖芯以灰、黑、深灰、褐色土黃色粉砂、粘土質(zhì)粉砂為主, 局部夾薄層極細(xì)砂和黑色有機(jī)質(zhì), 部分層位見大量貝殼碎屑和生物擾動(dòng)構(gòu)造, 其層序自下而上可分為U1、U2、U3、U4、U5、U6和U7等7個(gè)沉積單元(圖2):

U1 位于孔深21.6—24.6m, 高程-16.67—-19.67m, 厚3m, 21.6—22m為灰黑色粉砂, 含水量大, 在21.66—21.7m處有大量貝殼碎片; 22—22.45m為均勻、松散的灰色細(xì)砂; 22.45—22.62m為灰褐色粘土質(zhì)粉砂, 致密, 夾少量粉砂透鏡體和生物擾動(dòng)構(gòu)造; 22.62—23.25m為灰黃色細(xì)砂, 均勻, 在22.67m處見貝殼碎片; 23.25—24.6m為黃灰色極細(xì)砂, 含水量多, 均勻, 松散, 下端見極少量黑色有機(jī)質(zhì); 根據(jù)14C測年, 該層為距今約8140a的潮坪沉積。此外, 末次冰期后, 海平面上升的平均速率為0.96cm/a(Hanebuth, 2011), 而渤海西部的平均潮差大約為2m左右, 因此海侵過程中形成的這層潮坪沉積物形成年限=平均潮差/海平面上升平均速率, 即200cm÷ 0.96cm/a=208a≈200a, 即該潮坪濕地演化的時(shí)間大約為距今8140a至距今8340a。而該層的沉積厚度為3m, 其沉積速率應(yīng)該為300cm/200a=1.5cm/a。

U2 位于孔深18.75—21.6m, 高程-13.82—-16.67m, 厚2.85m, 以粉砂、細(xì)砂、極細(xì)砂等粗顆粒沉積物為主, 中部有兩段粘土質(zhì)粉砂層, 含大量貝殼碎片和生物擾動(dòng)構(gòu)造; 有孔蟲屬種也表現(xiàn)為接近正常鹽度的環(huán)境, 即濱海至淺海的過渡環(huán)境, 受黃河淡水的影響較小, 有孔蟲的種數(shù)和豐度均較其它層位高, 指示水動(dòng)力條件較為穩(wěn)定、沉積速率低的陸架環(huán)境, 屬濱海濕地的鄰近區(qū)域; 另外,14C年齡也指示該層為距今約6753—2208a期間的陸架沉積, 從鉆孔中獲得此時(shí)期沉積的厚度約為202cm, 其沉積速率應(yīng)該為202cm/4545a=0.04cm/a。可見當(dāng)時(shí)的陸架沉積非常緩慢。應(yīng)該指出的是, 本層19.75m處出現(xiàn)14C年齡倒置現(xiàn)象, 可能是因?yàn)楸緦由飻_動(dòng)比較強(qiáng)烈, 依據(jù)有孔蟲得到的AMS14C數(shù)據(jù)出現(xiàn)倒置現(xiàn)象, 該數(shù)據(jù)在確定沉積年代時(shí)不予采用。

圖2 黃河三角洲ZK1 孔沉積環(huán)境及形成年代

圖中所用的14C 年齡為Calib501 軟件校正后的日歷年齡

U3 位于孔深16.34—18.75m, 高程-11.41—-13.82m, 厚2.41m, 以土黃色、黃褐色粘土質(zhì)粉砂為主, 粘土含量較高, 土質(zhì)均勻、致密夾少量灰色粉砂, 見大量粉砂透鏡體、生物擾動(dòng)構(gòu)造及貝殼碎片; 該層中部為灰色粉砂與粘土質(zhì)粉砂互層, 夾大量粉砂透鏡體和生物擾動(dòng)構(gòu)造, 在17.81m處見一完整螺化石(可能是紅帶織紋螺)及大量貝殼碎片; 該層顯示出環(huán)境的較大變化, 有孔蟲的數(shù)量較第2層少。該層有孔蟲中(Gerke)是主要優(yōu)勢種之一, 其數(shù)量占19.8%, 該種是現(xiàn)代黃河水下三角洲、前三角洲和三角洲側(cè)緣表層沉積物中最主要的種。水下三角洲的形成為濱海濕地的形成準(zhǔn)備了空間。該沉積單元年代的確定是根據(jù)在該層17.81m處取貝殼碎片做了14C測年分析, 結(jié)果顯示, 該處貝殼形成時(shí)間約為1787aBP, 即公元163年, 該段沉積物厚度為94cm, 其沉積的時(shí)間為公元11—163年, 因此該段沉積速率為94cm/(163-11)a=0.62cm/a。亦即是公元11年時(shí)期前三角洲的沉積速率仍然較低, 比現(xiàn)代活動(dòng)河口的前三角洲沉積速率17cm/a(趙廣明等, 未發(fā)表數(shù)據(jù))低27倍。由此推測當(dāng)時(shí)的黃河懸沙量比現(xiàn)在低得多, 人類活動(dòng)造成的水土流失現(xiàn)象十分顯著。

U4 位于孔深9.38—16.34m, 高程-4.45—-11.41m, 厚6.96m, 以致密、均一的土黃色或土紅色粉砂為主, 其中11.4—12m處為粘土質(zhì)粉砂與粉砂韻律互層, 夾黑色有機(jī)質(zhì)層, 14.4—15.32m為灰黃色粘土質(zhì)粉砂, 混雜少量粉砂; 15.32—16.34m為粉砂與粉砂質(zhì)粘土的交互沉積層, 見粉砂透鏡體; 據(jù)該孔附近228鉆孔(薛春汀, 2008)揭露的現(xiàn)代三角洲的底界高程為-3.8m, 推測-4.45m(亦即是孔深9.38m處)為ZK1孔的現(xiàn)代黃河三角洲沉積物底界, 亦即是老黃河三角洲的頂界。此外, 根據(jù)鉆孔巖芯觀察以及有孔蟲豐度的變化, 在孔深16.34m處為老黃河三角洲的前三角洲沉積與三角洲前緣沉積的分界線, 其時(shí)間可計(jì)算為(1875cm-16.34cm)/0.62cm/a+11a=400a。雖然該沉積單元的上界是現(xiàn)代黃河三洲1855a的界線, 下界是公元400a, 但由于黃河于1048—1128年由天津入海, 而于1128—1855年在蘇北入海, 因此, 該單元的沉積時(shí)間是1048a-400a=648a, 其相應(yīng)的沉積速率計(jì)算為(1634cm-938cm)/648a=1.1cm/a。該沉積單元上部(水深在6m之內(nèi))已進(jìn)入濱海濕地演化初期, 又稱淺海濕地, 會(huì)有較高的初級(jí)生產(chǎn)力。

U5 位于孔深6.4—9.38m, 高程-1.47—-4.45m, 厚2.97m, 該沉積單元主要為土黃色粘土質(zhì)粉砂, 局部夾粉砂層和黑色有機(jī)質(zhì), 下部為土黃色粘土質(zhì)粉砂與灰色粉砂互層結(jié)合該單元所處的高程、有少量的有孔蟲分布及當(dāng)時(shí)黃河河道所在位置, 該單元為1855年以來的現(xiàn)代黃河三角洲側(cè)緣沉積, 為淺海濕地。

U6 位于孔深2.88—6.4m, 高程2.05—-1.47m, 厚3.52m, 該層為灰褐色粉砂, 有機(jī)質(zhì)含量高, 3.26m處有5cm厚的黑色腐殖質(zhì)層, 多見土黃色、灰色粉砂, 致密, 見粉砂薄夾層。在3.23m處見有蘆葦根分布。該單元沉積物中未見有孔蟲分布上。根據(jù)這個(gè)高程數(shù)據(jù), 推測是潮灘沉積(下三角洲平原沉積), 亦即是潮坪濕地的形成, 可有低矮鹽沼植物(如赤堿蓬)的分布。該沉積單元的頂界應(yīng)該是1889年前, 因?yàn)閺漠?dāng)時(shí)河道的分布圖與該孔的位置比較, 確定該孔所處的位置已經(jīng)成陸。

據(jù)U5和U6頂?shù)捉绯练e時(shí)間以及相應(yīng)的沉積厚度, 其沉積速率為(938cm-288cm)/(1889a-1855a)= 19.1cm/a, 以該沉積速率及其相應(yīng)的沉積厚度可計(jì)算出沉積單元U5的頂界時(shí)間為(938cm-640cm)/ 19.1cm/a+1855a=1871a。

U7 位于孔深0—2.88m, 高程4.93—2.05m, 厚2.88m, 該層上部以黑、褐、灰色粉砂為主, 表層含大量黑色有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì), 見土紅色粘土團(tuán)礫, 可能是古土壤層; 下部以土黃色粉砂為主, 其間多處夾雜土黃色粘土質(zhì)粉砂層, 局部見黑色有機(jī)質(zhì)及植物碎屑。根據(jù)黃河河道歷史變遷記錄, 該沉積單元是1964a至1976a之間形成的上三角洲平原, 其沉積速率為288cm/(1976a-1964a)=24cm/a。在所有沉積單元中, 該層的沉積速率居首位, 可見當(dāng)時(shí)河流泛濫形成的沉積層是很可觀的。該沉積時(shí)期是濱海濕地發(fā)育期。上述有機(jī)質(zhì)的大量分布也指示著濱海濕的較高生物量的形成。

2.2 沉積物有機(jī)碳及營養(yǎng)成分的總體特征及相關(guān)性分析

2.2.1 總體特征 黃河三角洲ZK1孔沉積物的有機(jī)碳(Corg)、營養(yǎng)成分及Al元素的濃度見表1。Corg、總氮(N)濃度較低, 分別為0.7—5.5mg/g、149.29— 788.26μg/g,遠(yuǎn)低于美國佛羅里達(dá)中部濕地沉積物中同名組分含量(Nair, 2001); S濃度為215.58— 991.62μg/g, 遠(yuǎn)低于美國南部Everglades國家野生生物保護(hù)區(qū)沉積物的同名組分(Craft, 1998)。沉積物中其它營養(yǎng)成分中的常量元素K、Ca和Mg的濃度范圍分別為16.0—24.1mg/g、34.0—71.4mg/g、9.9— 17.9mg/g; 營養(yǎng)成分中的微量元素P、Fe和Mn濃度范圍依次為426.82—635.97μg/g、17.9—46.6mg/g、337.56—1066.14 μg/g; 營養(yǎng)成分中的痕量元素Cu和Zn的濃度范圍分別為: 6.29—41.47μg/g、30.78— 102.74μg/g。這些營養(yǎng)成分中除P的濃度與美國佛羅里達(dá)中部濕地同名組分相當(dāng)(Nair, 2001), 其它濃度均遠(yuǎn)高于美國佛羅里達(dá)中部濕地和路易斯安那濱海濕地的同名組分的Mehlich提取分量(Nair, 2001; Hatton, 1982)。Al的濃度高于其他元素的濃度, 其值域分布范圍為51.4—78.8mg/g, 研究區(qū)Al值比美國密西西比三角洲沉積物的同名組分濃度值(均值為20mg/g)高。

表1 黃河三角洲ZK1孔巖芯沉積物特征表

Tab.1 Chemical element composition of the sediments in core ZK1 from the Yellow River Delta

2.2.2 相關(guān)性分析 對沉積物中碳、Al及營養(yǎng)成分濃度的相關(guān)性進(jìn)行了分析, 如表2所示, Corg與N的濃度呈良好的線性相關(guān)(2＝0.827,<0.01), 證實(shí)了有機(jī)質(zhì)對改善土壤結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)成分狀況方面具有重要作用(Nair, 2001)。營養(yǎng)成分中除了元素S以外, 其它各元素與Corg和Al的濃度呈顯著線性相性(2>0.7,<0.05)。這也證實(shí)了高有機(jī)質(zhì)土壤具有較高的營養(yǎng)成分吸附能力(Azevedo, 2001)。營養(yǎng)成分P與各元素的相關(guān)性一般, 這說明該區(qū)沉積物P含量主要受沉積物母質(zhì)決定, 沉積物發(fā)育程度差。

2.3 原位密度(BD)、碳、氮、磷和硫的垂向分布

ZK1孔沉積物中營養(yǎng)成分含量的垂向分布如圖3 所示。BD(原位密度)的分布范圍為1.1—1.8g/cm3總體變動(dòng)幅度較小, 16.34m以上隨深度變化呈略遞減趨勢, 16.34m以下隨深度變化呈遞增趨勢。TC、Corg、N、P的分布規(guī)律極為相似, 且與沉積物粒度變化一致, 以16.34m為界, 以上層位無明顯變化, 以下層位呈遞減趨勢, 其峰值均出現(xiàn)在沉積物粒度較細(xì)的前三角洲, 次峰值出現(xiàn)在上三角洲平原, 這是由于細(xì)顆粒沉積物所占表面積大, 可以吸附大量的有機(jī)質(zhì), 同時(shí)粗顆粒沉積物往往在高能水動(dòng)力環(huán)境下沉積, 而顆粒較小的有機(jī)物密度較小, 在高能環(huán)境下容易遭受侵蝕再搬運(yùn)而遷移, 在低能環(huán)境下則與細(xì)粒沉積物一起沉淀。S的含量在垂向上呈遞增的變化趨勢, 其峰值出現(xiàn)在陸架與潮坪的分界。在下三角洲平原和三角洲前緣TC、Corg、N、P的含量略呈上升趨勢, 但均無較大變動(dòng)幅度。在其它層位呈遞減的變化趨勢。S元素與TC、Corg不同, 總體隨深度增加呈遞增的變動(dòng)趨勢, 在底部21.6m以下的潮坪環(huán)境中達(dá)到峰值。Corg/N的峰值也出現(xiàn)在21.6—24.6m的潮坪環(huán)境中。Corg/N比值被廣泛用于區(qū)分沉積物有機(jī)質(zhì)來源于海洋藻類還是來源于陸地(Prahl, 1994; Thornton, 1994; Meyers, 1994, 1997; Ruttenberg, 1997; Andrews, 1998; Muller, 1999)。Bordovsky (1965)認(rèn)為Corg/N比值<8是典型的海洋物質(zhì); Prahl等(1980)給出了比值大于12代表沉積物陸源有機(jī)質(zhì)的值。Corg/N比值在ZK1孔沉積物中的變化, 符合該孔沉積環(huán)境由陸相向海相的過渡, 海侵過程中, 沉積物中有機(jī)質(zhì)主要來源于黃河流域, 當(dāng)?shù)刂脖坏呢暙I(xiàn)較小, 進(jìn)入陸架、前三角洲的海相沉積環(huán)境中, 海洋物質(zhì)對沉積物中有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)較大, Corg/N比值<8。

表2 沉積物碳、Al及營養(yǎng)成分濃度的相關(guān)系數(shù)

Tab.2 Correlations between carbons, Al and nutrients in the sediments

**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān); *表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

圖3 碳、氮及磷、硫含量垂向分布圖

2.4 碳、氮、磷的加積速率

Zk1孔的平均沉積速率為7.7cm/a, 上三角洲平源的沉積速率最大, 為24cm/a, 陸架的沉積速率最小, 為0.04cm/a?？偺嫉募臃e速率范圍為7.8—6639.9 g/(m2·a), 平均加積速率為1633.5g/(m2·a); 有機(jī)碳的加積速率范圍為0.8—972.9g/(m2·a), 平均加積速率為244.6g/(m2·a); 氮的加積速率范圍為0.2—153.4 g/(m2·a), 平均加積速率為37.6g/(m2·a); 磷的加積速率范圍為0.3— 242.5g/(m2·a), 平均加積速率為67.4g/(m2·a)?？偺?、有機(jī)碳、氮和磷的加積速率都是在上三角洲平原沉積環(huán)境中最大, 在陸架沉積環(huán)境中最小。總碳、有機(jī)碳和磷的加積速率在不同沉積環(huán)境中的大小順序均為: 上三角洲平原>三角洲側(cè)緣>下三角洲平原>潮坪>三角洲前緣>前三角洲>陸架, 氮的加積速率在不同沉積環(huán)境中的大小順序?yàn)? 上三角洲平原>三角洲側(cè)緣>下三角洲平原>三角洲前緣>潮坪>前三角洲>陸架。

碳的加積速率是濕地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的一個(gè)重要內(nèi)容(葉思源等, 2011), 碳、氮、磷的加積速率主要取決于沉積速率、沉積物的BD以及碳、氮、磷在沉積物中的含量。相關(guān)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)(表4), 碳、氮、磷的加積速率與其在沉積物中的含量相關(guān)性并不顯著, 而與沉積物的沉積速率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(2>0.95,<0.01), 因此, 沉積物的沉積速率是碳、氮、磷加積速率的主控因素。

由表3可知, 黃河三角洲Corg的平均加積速率為244.6g/(m2·a), 而1855年以來的現(xiàn)代黃河三角洲Corg的平均加積速率高達(dá)648.1g/(m2·a), 遠(yuǎn)高于美國的佛羅里達(dá)濕地的320g/(m2·a)和路易斯安娜濕地的300g/(m2·a), 更高于其它文獻(xiàn)報(bào)道的Corg的累積速率100—200g/(m2·a)(Turner, 2000; Chmura, 2003; Bridgham, 2006; Craft, 2007), 從而表明: 雖然黃河三角洲沉積物中Corg濃度低, 但由于較高的沉積速率, 使Corg的加積速率較高, 具有很好的固碳能力。

3 結(jié)論

(1) ZK1孔巖芯的沉積環(huán)境自下而上可分為7個(gè)沉積單元, 分別是距今約8140年以前海進(jìn)時(shí)的潮坪濕地、公元11年以前的濕地邊界陸架沉積、公元11—400年前三角洲沉積、公元400—1048濕地形成的初期的三角洲前緣沉積、1855—1871年濕地形成的初期的三角洲側(cè)緣沉積、1871—1889年形成的濕地下三角洲平原以及1964—1976年形成的的濕地上三角洲平原沉積等。

表3 黃河三角洲不同沉積環(huán)境垂向沉積速率與C的加積速率計(jì)算

Tab.3 Vertical sedimentation and acumulation rates of carbon in different sedimentary environments in the Yellow River Delta

表4 加積速率與其他參數(shù)的相關(guān)性分析

Tab.4 Correlations among carbon acumulation rate, sedimentation rate, BD, TC, and Corg in the sediments

**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān); DR為沉積物的沉積速率; BD表示原位密度;表示元素濃度;表示加積速率

(2) 濕地在地質(zhì)演化歷史過程中, 其沉積物總碳和有機(jī)碳與除S和P元素外的各營養(yǎng)成分都呈很好的線性相關(guān)(2>0.7,<0.05)。

(3) 總碳、有機(jī)碳、氮和磷的加積速率都是在上三角洲平原沉積環(huán)境的濕地中最大, 在陸架沉積環(huán)境中最小, 且碳、氮、磷的加積速率與沉積物的沉積速率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(2>0.95,<0.01), 說明沉積物的沉積速率是碳、氮、磷的加積速率的主控因素。

(4) 雖然現(xiàn)代黃河三角洲濕地, 由于其氣候干澡、降水少, Corg濃度相對較低, 但由于沉積物的高沉積速率, 使現(xiàn)代黃河三角洲Corg的平均加積速率達(dá)到648.1g/(m2·a), 遠(yuǎn)高于世界其它高Corg濃度的濕地, 使該地質(zhì)體保存了巨大的碳庫。

致謝

本文在鉆孔分樣和論文寫作過程中得到了薛春汀教授的大力指導(dǎo)和幫助, 在此誠致謝意！

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ACCUMULATION OF CARBON AND NUTRIENTS IN COASTAL WETLAND IN THE YELLOW RIVER DELTA

DING Xi-Gui, YE Si-Yuan, ZHAO Guang-Ming, YUAN Hong-Ming, WANG Jin

(Key Laboratory of Coastal Wetland Biogeosciences, China Geologic Survey; Key Laboratory of Marine Hydrocarbon Resources and Environmental Geology, Ministry of Land and Resources; Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, China)

Core ZK1 in a shallow depth of 24.6m was drilled in the Yellow River Delta in 2007, from which sediments were sampled for detailed sedimentological observations and analyses for water content, organic carbon (Corg), total carbon (TC), and nutrient compositions. Stratigraphic analysis recognized seven sedimentary environments, and the evolution of coastal wetland was revealed by chronological dating by AMS14C. Sedimentation rate and carbon accumulation rate were calculated, and historic records of the Yellow River diversions was established. Results show that TC, Corg, and nutrients (except for element S) are in good linear correlations (2>0.7,<0.05); the accumulation rates of Corg, TC, N, and P have very significant positive correlations with sedimentation rates (2>0.95,<0.01). The sedimentation rates were the main factor controlling the accumulations of Corg, TC, N, and P. Although the Corgconcentration is low (<1%) in modern Yellow River Delta sediments, the average accumulation rate of Corgin the core sediment is very high at 648.1g/(m2·a) due to high sedimentation rate, which is much higher than those in other high-Corgwetlands in the world. Thus, the modern Yellow River Delta is a large carbon sink due to its high sedimentation rates.

coastal wetland; sedimentary environment; organic carbon; accumulation rate; the Yellow River Delta

10.11693/hyhz20130116002

* 國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)基金, 201111023號(hào); 海洋地質(zhì)保障工程項(xiàng)目, GZH201200503號(hào); 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目, 41240022號(hào); 科技部支撐項(xiàng)目, 2012BAC07B01號(hào); 地質(zhì)大調(diào)查項(xiàng)目, 1212010611402號(hào); 國土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金, MRE200920號(hào). 丁喜桂, E-mail: xigui_ding@126.com

葉思源, 研究員, E-mail: siyuanye@hotmail.com

2013-01-16,

2013-03-15

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