基于沉積速率確定海洋沉積物的監(jiān)測頻率

洛 昊, 梁 斌, 鮑晨光, 李 冕, 于春艷, 馬明輝

(國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心, 遼寧 大連 116023)

沉積物作為重要的海洋環(huán)境介質(zhì), 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(jiān)測對于反映海洋環(huán)境健康具有意義重大[1], 而且沉積物監(jiān)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(nèi)海洋環(huán)境污染及氣候變化趨勢。1984年5月, 隨著“全國海洋環(huán)境污染監(jiān)測網(wǎng)”的建立與運行, 中國正式將沉積物監(jiān)測納入到海洋環(huán)境趨勢性監(jiān)測計劃中。此后, 沉積物監(jiān)測頻率也經(jīng)歷了3次調(diào)整, 2000年之前監(jiān)測頻率為每2年1次, 2000～2003年沉積物監(jiān)測頻率為每年1次, 2004～2009年監(jiān)測頻率為每2年1次(單數(shù)年進行監(jiān)測), 2010年以來重新調(diào)整為每年1次。目前, 中國沉積物監(jiān)測頻率的設(shè)計主要依據(jù)監(jiān)測經(jīng)費和當年監(jiān)測任務的飽和程度確定, 缺乏合理的設(shè)計依據(jù)和優(yōu)化原則, 設(shè)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(jiān)測頻率的設(shè)計方法體系, 并對中國現(xiàn)行海洋沉積環(huán)境監(jiān)測頻率進行優(yōu)化,從而實現(xiàn)監(jiān)測資源合理利用、提高監(jiān)測效率。

1 研究方法

1.1 設(shè)計依據(jù)

1.1.1 監(jiān)測頻率與沉積速率有關(guān)

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

沉積物監(jiān)測結(jié)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(jiān)測是以測試表層沉積物中環(huán)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(jiān)測結(jié)果反應的時間跨度主要與海洋沉積物沉積速率有關(guān)。

1.1.2 監(jiān)測方案與沉積速率的關(guān)聯(lián)性分析

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

表1 國外海洋沉積物監(jiān)測頻率設(shè)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(huán)境監(jiān)測方案發(fā)現(xiàn), 雖然各地區(qū)監(jiān)測機構(gòu)關(guān)于沉積物監(jiān)測頻率的設(shè)計存在差異,但總體上仍遵循高速沉積區(qū)監(jiān)測頻率高、低速區(qū)監(jiān)測頻率低的規(guī)律。歐盟對其水框架體系內(nèi)成員國統(tǒng)一規(guī)定沉積物監(jiān)測周期為6 a, 因為其區(qū)內(nèi)的沉積速率普遍低于 1 cm/a; 歐洲非歐盟地區(qū)如北海的沉積速率為0.05～0.2 cm/a, 其監(jiān)測周期為2 a或2 a以上;美國根據(jù)沉積速率和地理位置差異, 也采取了不同海洋沉積物監(jiān)測頻率, 切薩皮克灣為每年1次, 其灣內(nèi)平均沉積速率為0.33 cm/a, 航道區(qū)1.7 cm/a; 普吉特海灣底棲生物調(diào)查頻率為每年1次, 而關(guān)于沉積物化學成分的監(jiān)測周期則為 5 a, 其灣內(nèi)沉積速率變化范圍為0.1～2 cm/a; 緬因灣等低速沉積區(qū)的沉積速率僅為0.08 cm/a, 因此其監(jiān)測周期設(shè)計為10 a (表2)。

表2 沉積物監(jiān)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(shè)計標準

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

根據(jù)中國近岸海域沉積速率和環(huán)境特點, 中國海洋沉積物監(jiān)測頻率的設(shè)計標準為:

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

1.3 沉積速率計算

沉積速率的數(shù)據(jù)主要來自于中國海洋沉積環(huán)境研究的相關(guān)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(jié)果也不同, 如果將這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的空間對比分析, 會使統(tǒng)計結(jié)果的失真。因此, 有必要選擇統(tǒng)一的沉積物沉積速率計算方法, 使數(shù)據(jù)具有可比性。

沉積物沉積速率的計算方法根據(jù)不同研究需要可分為兩大類: (1)地質(zhì)歷史時期的沉積速率, 如同位素14C同位素測年[31-32]; (2)現(xiàn)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(jù)所在海域的沉積環(huán)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(zhì)歷史時期沉積率估算; 河流輸沙法不能準確估算河口區(qū)域沉積物與外界交換的數(shù)量而產(chǎn)生誤差, 其結(jié)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(jiān)測;210Pb 和137Cs半衰期短、易測量、經(jīng)濟, 可以有效地標定近百年來的現(xiàn)代沉積速率, 而且許多實驗結(jié)果證實在同一區(qū)域內(nèi)用210Pb 和137Cs 同時測定和計算沉積速率, 兩者結(jié)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(yōu)點和不足, 經(jīng)綜合比較, 由于: (1)210Pb測年法在20世紀70 年代已經(jīng)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(shù)據(jù)資料和理論基礎(chǔ), 能夠保證數(shù)據(jù)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(tǒng)一計算方法。

2 結(jié)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(huán)境復雜多變, 各個區(qū)域的沉積速率也不同(圖1)。

2.1.1 河口區(qū)域沉積速率高

中國海域的沉積物高速沉積區(qū)主要集中在河口區(qū)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(qū)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(zhì)區(qū)沉積物, 因此沉積速率與入海泥沙有著重要關(guān)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(guān)[44]。遼東灣近岸入海河流眾多, 該區(qū)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(qū)主要分布在物源充足的沿岸海域, 而遠海泥質(zhì)區(qū)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(nèi)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(yōu)化結(jié)果

中國海洋沉積物監(jiān)測頻率優(yōu)化結(jié)果見表3。沉積速率高于1cm/a的海域, 監(jiān)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(jiān)測周期為5 a, 如渤海中部, 黃海、東海遠海等區(qū)域; 個別沉積速率極低的海域, 監(jiān)測周期為10 a,如南沙海域(≤2 cm/1 000a)。監(jiān)測頻率高的區(qū)域主要集中在近岸沉積速率高的海域, 近海和遠海區(qū)域監(jiān)測頻率可適當降低。

表3 中國海洋沉積物監(jiān)測頻率優(yōu)化結(jié)果Tab.3 Optimization results of marine sediment monitoring frequency

3 結(jié)論

作者基于國內(nèi)外海洋沉積物監(jiān)測方案的設(shè)計理論和經(jīng)驗, 初步建立了依據(jù)沉積速率確定海洋沉積物監(jiān)測頻率的方法和標準, 并對中國海洋沉積物監(jiān)測頻率進行了初步優(yōu)化。研究結(jié)果顯示, 中國近岸區(qū)域沉積速率高于遠海, 河口區(qū)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(jiān)測頻率為每年1次, 如黃河口、長江口等河口區(qū)域; 沉積速率低于1cm/a的海域, 監(jiān)測周期為5 a, 如渤海中部, 黃海、東海遠海區(qū)域等; 個別沉積速率極低的海域, 監(jiān)測周期為10 a, 如南沙海域(≤2 cm/1000 a)。監(jiān)測頻率高的區(qū)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(qū)域監(jiān)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(jiān)測頻率設(shè)計的初步優(yōu)化方案, 尚需進一步優(yōu)化和完善。目前的設(shè)計依據(jù)只有沉積速率單一要素, 優(yōu)化結(jié)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(fā)、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(fā)事件影響海域, 應充分考慮這些常規(guī)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(jiān)測頻率如果設(shè)計為每年 1次也不合理。所以加入常規(guī)和突發(fā)環(huán)境因素以及沉積物粒度和有機碳含量等作為判斷依據(jù), 能夠讓監(jiān)測頻率設(shè)計更合理、監(jiān)測結(jié)果更精確。

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