西沙群島東島潟湖沉積物碳、氮元素地球化學(xué)特征及其指示的環(huán)境變化

劉曉瞳，葛晨東，鄒欣慶，黃梅，唐盟，李亞麗

(1.南京大學(xué) 中國南海研究協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023；2.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023；3.南京大學(xué) 海岸與海島開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023)

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西沙群島東島潟湖沉積物碳、氮元素地球化學(xué)特征及其指示的環(huán)境變化

劉曉瞳1,2,3，葛晨東1,2,3，鄒欣慶1,2,3，黃梅1,2,3，唐盟1,2,3，李亞麗1,2,3

(1.南京大學(xué) 中國南海研究協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023；2.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023；3.南京大學(xué) 海岸與海島開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023)

根據(jù)對(duì)西沙群島東島潟湖沉積柱樣DD-01粒度特征，210Pb年代學(xué)，C、N元素地球化學(xué)，有機(jī)碳同位素(δ13C)以及生物殘留組分的分析，探討了東島沉積環(huán)境的演變。結(jié)果顯示，沉積柱剖面自下而上可分成4段：(1)34～40 cm的沉積層受鳥糞影響較大，TN、TOC含量分別介于0.15%～0.27%及1.78%～2.8%，δ13C值介于-24.86‰～-23.84‰，可見大量鳥糞沉積，植物穎果以及淡水相介形類殘?bào)w；(2)28～34 cm (年代約132 a BP)的沉積層中淡水相的介形類以及植物穎果和鳥糞沉積幾乎絕跡，海相有孔蟲以及海膽刺殘?bào)w數(shù)量激增，TN含量介于0.05%～0.06%，TOC含量在0.4%～1.17%之間，分別降至相對(duì)低值；δ13C值變輕，介于-25.95‰～-25.45‰；平均粒徑較粗，穩(wěn)定在1.3Φ左右；TIC含量較高，介于10.95%～11.26%，接近純凈碳酸鹽的含量。C、N元素的含量較上下層位均出現(xiàn)了劇烈的變化，這可能受到了海洋沉積動(dòng)力事件影響，使得東島的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了劇烈的變化；(3)19～28 cm 深度，TN、TOC出現(xiàn)增加的趨勢(shì)，沉積物中又重現(xiàn)植物穎果及其殘?bào)w，此段沉積物更多受到牛糞的影響，δ13C值保持在較輕的水平；(4)19 cm(年代約90 a BP)處至表層，TN、TOC含量快速波動(dòng)增長，受到鳥類種群恢復(fù)帶來的大量鳥糞輸入的影響，δ13C的值也出現(xiàn)了變重的趨勢(shì)。

TOC；δ13C；環(huán)境變化；人類活動(dòng)；西沙群島東島

1 引言

全球環(huán)境變化已經(jīng)成為當(dāng)前人類面臨的一大挑戰(zhàn)，隨著人類活動(dòng)不斷增強(qiáng)，對(duì)全球環(huán)境的影響也日趨劇烈，在一些生態(tài)脆弱區(qū)更是表現(xiàn)的極為明顯[1—3]。南海具有極為豐富的生物多樣性，是環(huán)境變化的敏感區(qū)域之一[4]。

自20世紀(jì)40年代我國收復(fù)西沙群島以來，由于西沙群島獨(dú)特的地理位置以及環(huán)境特點(diǎn)，我國學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了多次的科學(xué)考察，在地質(zhì)學(xué)、地貌學(xué)、海洋學(xué)等方面取得了諸多的成果[5]。業(yè)治錚等[5]分析總結(jié)了西沙各島的分布特點(diǎn)、形成原因、演化現(xiàn)狀，提出西沙群島主要形成于中全新世晚期，約3 000～4 000 a BP；鐘晉樑和黃金森[6]對(duì)西沙群島各島的粒度進(jìn)行了研究，分析了各島的粒度特征、生物組分、堆積速度等；張明書等[7]通過永興島“西永1井”、“西永2井”、“西琛1井”的實(shí)施，揭露了西沙各島的成島歷史，并初步總結(jié)了西沙海域中新世以來海平面變化，氣候演變的歷史和重要的古海洋事件等，推動(dòng)了我國珊瑚礁相沉積學(xué)的發(fā)展。近年來的研究調(diào)查表明，隨著人類活動(dòng)頻繁增加，對(duì)西沙群島以及東島的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了重要的影響[5]。孫立廣等[8]調(diào)查了西沙群島若干鳥島的鳥類種群和生態(tài)，利用應(yīng)用地球化學(xué)、生態(tài)學(xué)等多學(xué)科交叉的基本理論和方法研究了鳥糞沉積層的生態(tài)環(huán)境記錄；探討了幾千年來鳥類聚散對(duì)環(huán)境變化、人類活動(dòng)的響應(yīng)；拓寬了鳥類生態(tài)學(xué)家對(duì)紅腳鰹鳥的認(rèn)識(shí)。Liu等[9]通過對(duì)東島牛塘沉積柱DY2、DY4的研究，從沉積剖面中識(shí)別出保存完好的古海鳥糞土沉積層，為進(jìn)一步研究歷史時(shí)期南海島嶼海鳥生態(tài)系統(tǒng)和氣候演化記錄提供了良好的信息載體。我國人民很早就在西沙群島海區(qū)從事航運(yùn)和漁業(yè)活動(dòng)，東島上至今還存留著明朝時(shí)期漁民祭祀留下的祭壇，人類在島上活動(dòng)帶來的動(dòng)植物繁衍至今，勢(shì)必對(duì)島上的原生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了一定的影響。

東島被譽(yù)為擁有西沙的最后一片原始森林，其周邊海域豐富的海洋表層魚類和適宜的氣候使得其成為海鳥居住的天堂，其沉積物中鳥糞有機(jī)質(zhì)含量豐富，具有重要的生態(tài)環(huán)境意義以及保護(hù)價(jià)值。有機(jī)質(zhì)類型不同，其具有的C、N元素特征和δ13C值也會(huì)有所不同[10—11]，眾多學(xué)者已經(jīng)證明這種方法可以區(qū)分有機(jī)質(zhì)的來源，從而反演環(huán)境的變化[12—13]，Lamb等[14]指出可以根據(jù)C/N值和有機(jī)碳同位素值來區(qū)別海洋有機(jī)質(zhì)來源，進(jìn)而推測(cè)其環(huán)境演變；葛晨東等[15—16]對(duì)海南島萬泉河口沙美內(nèi)海柱樣的進(jìn)行的C、N元素的分析，得出了有機(jī)碳的變化反映了流域內(nèi)人類活動(dòng)的歷史。本文擬通過研究東島上一片淡水資源牛塘的沉積物的粒度、210Pb定年、C、N元素以及有機(jī)碳同位素含量的變化趨勢(shì)來探討東島沉積環(huán)境的演變，也為更好地保護(hù)東島獨(dú)特的生態(tài)景觀和生態(tài)資源提供一定的理論依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

東島(16°39′～16°41′N，112°43′～112°45′E)位于南海西沙群島東部的東島環(huán)礁，是一個(gè)“西北-東南”走向，呈長橢圓形的熱帶珊瑚島嶼(圖1)，形成于西沙群島的主要成島期。陸地面積1.55 km2，高程約3～6 m，年平均氣溫26～27℃，年降雨量1 500 mm左右，有明顯的干濕季，雨期集中在6—11月[17]。東島有“鳥島”之稱，被列為國家二級(jí)保護(hù)動(dòng)物紅腳鰹鳥(Sulasula)的生態(tài)保護(hù)區(qū)，其數(shù)量估計(jì)在5萬只左右，常年有約10萬只紅腳鰹鳥、小軍艦鳥(Fregataminor)等40多種鳥類在島上繁衍生息[8]。東島植被豐富茂密，邊緣的沙堤上分布著草海桐(Scaevolasericea)、銀毛柴(Messerschmidiaargentea)等灌木，中部平坦的盆地內(nèi)分布著大片的白避霜花樹(Pissoniagrandis)喬木林，占了約東島面積的一半，它們是紅腳鰹鳥的棲息地[18]。此外，島上還生活著大約70多頭“野生”黃牛。

圖1 西沙群島東島地理位置及采樣站位圖Fig.1 Geographical location of the Dongdao Island of Xisha Islands， showing the sample site

“牛塘”是東島上一天然的潟湖，位于島的中南部，是島上唯一的淡水湖泊，因其為島上黃牛群提供淡水而得名。牛塘長度100 m左右，最寬處約20 m，水深在0.5 m以下。我們的采樣點(diǎn)位于牛塘東南邊上的沼澤，塘邊散布低矮灌木植物，據(jù)駐島官兵介紹，沼澤在干季由于水位下降出露，豐水期淹沒在水下。

3 材料和方法

3.1 樣品的采集

2015年8月7日在西沙群島東島，以人工重力的方式用潔凈PVC管采集了牛塘東南方向表層至底部全長為60 cm(管內(nèi)巖芯長40 cm)的柱狀樣，命名為DD-01(16°39′53″N， 112°43′54″E)?，F(xiàn)場采樣后用膠帶密封保存，以防止沉積物氧化。樣品運(yùn)回南京大學(xué)后先于冰柜中冷藏保存，后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)刨分柱狀樣，對(duì)半刨分，一份保存，一份留作實(shí)驗(yàn)分析。樣品刨開后，以1 cm為間隔從上往下等距離分樣，共取得27個(gè)樣品。根據(jù)壓實(shí)率換算，這27 cm的樣品對(duì)應(yīng)的實(shí)際深度為40.5 cm。分好的樣品放入冰柜中冷凍，之后用冷凍干燥機(jī)(ALPHA-1-4型，德國Martin Christ公司生產(chǎn))進(jìn)行低溫凍干，凍干好的樣品取一部分用瑪瑙研缽磨細(xì)攪勻，放入樣品袋中以備后續(xù)實(shí)驗(yàn)分析。

3.2 沉積物樣品測(cè)定

利用英國Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer2000型激光粒度儀對(duì)沉積物樣品進(jìn)行了粒度分析；沉積物中的總碳、總氮的測(cè)定是由Thermo公司生產(chǎn)的FLASH EA 1112 series CNS元素分析儀測(cè)得，無機(jī)碳的測(cè)量是通過UIC CM5015型碳庫侖儀測(cè)得；樣品中有機(jī)碳的含量是用總碳的含量減去無機(jī)碳的含量得出。以上實(shí)驗(yàn)均在南京大學(xué)海岸與海島開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。樣品有機(jī)碳同位素測(cè)定在中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，所用儀器為美國Thermo Finnigan 公司生產(chǎn)的Delta plus Advantage氣體同位素質(zhì)譜儀。測(cè)定前需先用10%鹽酸除去樣品中無機(jī)碳。樣品中掃描電鏡分析使用Carl zeiss supra 55場發(fā)射掃描電鏡，在南京大學(xué)內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。測(cè)量加速電壓為15 kV，束斑大小為2 μm。210Pb的測(cè)定在南京師范大學(xué)江蘇省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，使用儀器為美國EG&GORTEC公司生產(chǎn)的高純鍺γ譜儀。采用恒定比活度模式(Constant Rate of Supply，簡稱CRS模式)建立沉積物巖芯年代序列[19]，根據(jù)下式計(jì)算沉積物某層的沉積年代t和沉積速率DR：

t=λ-1ln(A0/A)，

(1)

DR=Z/t，

(2)

公式(1)和(2)中A0是沉積物柱芯中210Pbex的總累計(jì)輸入量(Bq/cm2)，A為深度Z以下各層沉積物中210Pbex的累計(jì)總量(Bq/cm2)，Z為沉積物埋藏深度，DR為沉積速率(cm/a)，λ為210Pb衰變常數(shù)(0.031 14 a-1)。

4 分析結(jié)果與討論

4.1 沉積速率與年代序列

使用CRS模式計(jì)算沉積物年代不要求210Pbex的比活度隨深度分布呈指數(shù)分布，且可以計(jì)算出不同質(zhì)量深度區(qū)間的沉積速率[19]。通過210PbCRS模式進(jìn)行定年計(jì)算，結(jié)果見表1，得出DD-01沉積柱樣表層的沉積速率為0.212 cm/a。

表1 DD-01沉積柱210Pb定年結(jié)果

續(xù)表1

4.2 沉積剖面描述及組分特征

根據(jù)沉積剖面不同的顏色、物質(zhì)組成、粒度特征可將整個(gè)沉積剖面劃分為4段(其中0～28 cm可細(xì)分為2段)，每段的特征、深度和物質(zhì)組成見表2。

表2 東島牛塘沉積物DD-01剖面沉積特征

圖2 DD-01沉積柱生物殘?bào)w掃描電鏡圖像Fig.2 SEM images of biological remains in core DD-01A.植物穎果殘?bào)w(深度15 cm)；B.介形類化石(深度36 cm)；C～G.有孔蟲化石(深度28～34 cm)；H.海膽刺殘?bào)w(深度30 cm)A. Caryopsis plant residues(depth 15 cm); B. Ostracoda fossil(depth 36 cm); C-G. Foraminifera fossil(depth 28～34 cm); H. Sea urchin spines residues(depth 30 cm)

圖3 鳥糞沉積的掃描電鏡圖像和X射線衍射譜圖Fig.3 SEM images and X-ray diffraction spectrum of the guano deposits圖譜A. 深度36 cm；圖譜B.深度16 cmSpectrum A.depth 36cm; Spectrum B. depth 16 cm

圖4 DD-01沉積柱巖性剖面以及粒度組分、平均粒徑、TOC、TIC、TN、C/N、δ13C 隨深度的變化Fig.4 Lithologic section， compositions， and profiles of mean grain size， TOC， TIC， TN， C/N，δ13C with the depth in DD-01 core

圖5 東島地理環(huán)境示意圖(據(jù)晏宏改)[21]Fig.5 Geographical environment sketch map of Dongdao Island(modified from Yanhong) [21]

根據(jù)分樣記錄以及掃描電鏡鏡下觀察，如表1、圖2、圖3 所示，DD-01沉積柱中含有豐富的鳥糞沉積、介形類、有孔蟲殼、海膽刺以及植物穎果殘?bào)w。在整個(gè)沉積剖面上，物質(zhì)組成的分異規(guī)律與沉積特征表現(xiàn)出良好的一致性。鳥糞殘?bào)w以及陸地來源的植物穎果(圖2A)在0～28 cm以及34～40 cm大量出現(xiàn)，并且還存在大量的淡水或半咸水種屬湖相介形類(CyprinotuscingalensisBrady，圖2B)殼體。而在28～34 cm段的沉積物幾乎未找到鳥糞沉積以及植物穎果的存在，介形蟲殼體也幾乎絕跡，而此段沉積珊瑚砂層中有著海膽刺(圖2H)以及豐富的有孔蟲豐度，以典型熱帶-亞熱帶海相底棲有孔殼為主，包括Pseudorotalia(圖2C)，Calcarina(圖2D)，Elphidium(圖2E)，Planorbulinella(圖2F)，Lenticulina(圖2G)等，珊瑚砂層上下的沉積物中也有相應(yīng)的有孔蟲種屬，但是豐度比此段低得多。沉積物28～34 cm段物質(zhì)組成的變化，表明28～34 cm處珊瑚砂層的沉積環(huán)境應(yīng)與上下層位有所不同。

4.3 沉積物的粒度特征

如圖4所示，DD-01沉積柱的粒度主要以砂和粉砂為主，黏土含量較少，砂占41.1%～92.2%，平均含量72.5%；粉砂占6.9%～55.9%，平均含量26%；黏土含量0.9%～3.1%，平均含量1.5%。DD-01柱的平均粒徑在1.3Φ～4.2Φ內(nèi)擺動(dòng)，變化趨勢(shì)隨深度自下而上可以分為4段：(1)34～40 cm沉積物平均粒徑總體上隨深度向上略微增加，但是在35～37 cm出現(xiàn)較細(xì)物質(zhì)，數(shù)值在1.7Φ～1.9Φ之間，沉積物含鳥糞成分，結(jié)合氣味以及沉積物顏色，可以推測(cè)此階段的沉積物受到了鳥糞沉積的影響。(2)28～34 cm處的平均粒徑數(shù)值穩(wěn)定在1.3Φ左右，顆粒相對(duì)于上下層位都較粗，表明該段沉積水動(dòng)力作用較強(qiáng)，沉積物有著穩(wěn)定單一的物質(zhì)來源。(3)19～28 cm處平均粒徑產(chǎn)生劇烈變化，隨深度向上先變細(xì)后變粗，數(shù)值在1.6Φ～4.2Φ之間。自19～22 cm，Φ值隨深度向上減小，粒徑出現(xiàn)變粗趨勢(shì)。(4)19 cm至表層，平均粒徑有小的波動(dòng)，總體上保持平穩(wěn)，數(shù)值在2.1Φ～2.8Φ之間，平均值2.5Φ。顯示牛塘周圍沉積環(huán)境相對(duì)較為穩(wěn)定。

沉積物的粒度參數(shù)特征取決于物質(zhì)的主要來源，同時(shí)也受到搬運(yùn)過程中新成分混合的影響[20]。晏宏等[21]研究結(jié)果表明牛塘沉積物主要來自沙堤方向的水流搬運(yùn)，水流主要從東南口進(jìn)入且水動(dòng)力作用強(qiáng)度是沉積物平均粒徑的主要控制因素。其3根沉積柱樣DY4、DY6和DY2(圖5)的平均粒徑分別為265 μm、118 μm、53 μm，從入水口往里呈逐級(jí)減少的趨勢(shì)。本文樣品DD-01恰好位于牛塘東南入水口，根據(jù)分析結(jié)果，DD-01平均粒徑為2.05Φ，約為241 μm，可能由于位于口門處，水動(dòng)力強(qiáng)度較大，粗顆粒物質(zhì)也無法穩(wěn)定沉積下來被帶至更遠(yuǎn)處，因此平均粒徑要略小于DY4，但和DY6、DY2相比仍保持著逐漸減小的變化趨勢(shì)，與前人的研究具有一致性。

4.4 沉積物碳、氮及有機(jī)碳同位素的垂向分布特征與物源指示

DD-01沉積柱TOC、TN、TIC、C/N值以及δ13C隨深度的變化曲線如圖4所示。TOC平均含量為2.65%(0.39%～5.65%)，TN平均含量為0.26%(0.04%～0.58%)，TIC平均含量為10.26%(9.16%～11.25%)，C/N比平均值為10.6(7.96～21.2)，δ13C平均值為-23.96‰(-25.95‰～-22.09‰)。根據(jù)這些指標(biāo)在沉積物中呈現(xiàn)出分異變化的值，將DD-01孔自下而上分為4段。

DD-01沉積柱34～40 cm段的沉積物，地球化學(xué)指標(biāo)TN在0.15%～0.27%之間，平均值為0.2%；TOC在1.78%～2.8%之間，平均值為2.35%；TIC在9.9%～10.46%之間，平均值為10.27%； C/N值在9.91～13.47之間，平均值為11.65。δ13C值介于-24.86‰～-23.84‰之間，平均值為-24.33‰。隨著深度向上，TN、TOC的含量總體呈波動(dòng)減少趨勢(shì)，δ13C值變輕，TIC含量增大。

DD-01沉積柱28～34 cm段的沉積物，地球化學(xué)指標(biāo)TN在0.05%～0.06%之間，平均值為0.05%；TOC在0.4%～1.17%之間，平均值為0.644%；TIC在10.95%～11.26%之間，平均值為11.12%；C/N比值在8.67～21.2之間，平均值為12.4。δ13C在-25.95‰～-25.45‰之間，平均值-25.78‰。TN、TOC、TIC含量及δ13C的值穩(wěn)定，隨深度未發(fā)生明顯變化，C/N比值在此階段出現(xiàn)了相對(duì)高值21.2。

DD-01沉積柱19～28 cm的沉積物，地球化學(xué)指標(biāo)TN在0.11%～0.29%之間，平均值為0.2%；TOC在1.25%～2.28%之間，平均值為1.9%；TIC在10.35%～10.78%之間，平均值為10.6%； C/N值在7.93～13.85之間，平均值為9.73；δ13C介于-25.98‰～-25‰之間，平均值為-25.56‰。隨著深度向上，TN、TOC的含量有略微的增加；TIC的含量呈減少的趨勢(shì)。δ13C值總體上未發(fā)生太大的變化。

DD-01沉積柱19 cm深度至表層的沉積物，地球化學(xué)指標(biāo)TN在0.23%～0.59%之間，平均值為0.4%；TOC在2.28%～5.01%之間，平均值為3.97%；TIC在9.16%～10.25%之間，平均值為9.72%； C/N值在7.96～11.02之間，平均值為9.93；δ13C介于-23‰～-21.93‰之間，平均值為-22.35‰。隨著深度向上，TN、TOC的含量出現(xiàn)快速波動(dòng)的增長，二者的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)相當(dāng)?shù)囊恢滦?；TIC的含量呈波動(dòng)減少的趨勢(shì)。δ13C值出現(xiàn)快速的變重，后保持相對(duì)穩(wěn)定。

已有研究表明，沉積物中的有機(jī)質(zhì)能夠記錄到環(huán)境變化的信息以及對(duì)人類活動(dòng)的響應(yīng)[19，22—24]。通過C/N值和有機(jī)碳同位素(δ13C)來區(qū)分沉積物的有機(jī)質(zhì)來源已經(jīng)被廣泛的研究和應(yīng)用[25—26]，Bordovsky[27]認(rèn)為C/N值小于8是典型的海洋物質(zhì)；Prahl等[28]給出了C/N值大于12，其物源是來自于陸源的植物和腐殖質(zhì)。Fontugne和Jouanneau[29]給出了典型的海洋有機(jī)碳同位素值為-22‰～-19‰，取平均值-21‰，Emerson 和 Hedges[30]給出了陸源C3植物有機(jī)碳同位素值為-28‰～-26‰，取平均值-27‰，O′Leary[31]給出了 C4植物有機(jī)碳同位素平均值為-14‰。海洋藻類和陸源C3植物的δ13C值相差7‰。由圖4所示，DD-01柱狀樣的的δ13C值在28～33cm處變輕，穩(wěn)定在-25.95‰～-25.8‰之間，均小于上下層位，表明此階段沉積環(huán)境較前后均有所不同，物質(zhì)來源得到了更多的來自陸源的C3植物；而DD-01的C/N值的變化也表現(xiàn)出了相同的趨勢(shì)，C/N值在28 cm深度出現(xiàn)了相對(duì)高值21.2，且數(shù)值均大于上下層位，其變化趨勢(shì)也表明了物源主要來自于陸源。

對(duì)于現(xiàn)代和古風(fēng)暴沉積的識(shí)別上，有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽含量已被廣泛運(yùn)用[32]。在此深度，TN含量介于0.11%～0.29%、TOC含量在1.25%～2.28%之間，分別減少至相對(duì)低值；TIC含量增加，介于10.95%～11.26%，接近于純凈碳酸鹽的含量(12%)，單純的雨水沖刷進(jìn)入牛塘的徑流難免攜帶其他雜質(zhì)，說明這些層位的沉積物沉積時(shí)沉積環(huán)境發(fā)生的突變是快速的，暗示了極端沉積事件的發(fā)生。

沉積物在潟湖環(huán)境內(nèi)的沉積輸運(yùn)方式可分為兩種，一種是細(xì)顆粒物質(zhì)以懸移質(zhì)的形式輸運(yùn)并緩慢沉積，另一種則是粗顆粒的物質(zhì)通過風(fēng)力或者借助高能事件的強(qiáng)水動(dòng)力搬運(yùn)作用，以躍移的方式快速沉積[33]。根據(jù)上文分析，沉積物的粒度在此深度內(nèi)呈現(xiàn)出峰值突出，粒徑偏粗的特征，結(jié)合有機(jī)質(zhì)含量的銳減以及混雜著較多的貝殼碎屑，海相有孔蟲及海膽刺數(shù)量激增而淡水相的介形類和鳥糞殘?bào)w幾乎絕跡，表明這一砂層是高能水動(dòng)力條件下的沉積產(chǎn)物。

風(fēng)暴潮會(huì)從周邊海域帶來了大量的珊瑚砂堆積，其中含有豐富的海相有孔蟲及海膽刺；降雨量的增加也會(huì)導(dǎo)致地表侵蝕能力增強(qiáng)從而使得地表徑流能攜帶更多的珊瑚砂在牛塘沉積，TIC含量因此而增多。牛塘是一小型封閉的湖泊，大量以及長時(shí)間尺度的降雨使得牛塘水位升高，會(huì)淹沒更多的湖岸，湖邊植物的覆蓋面積也會(huì)減小，進(jìn)一步導(dǎo)致東島上生物量的銳減，因此在此段沉積物中也未見到植物穎果的存在。白避霜花喬木林木質(zhì)疏松，枝條脆弱，容易被臺(tái)風(fēng)襲擊而斷枝[34]。棲息地遭到破壞，海鳥被迫遷徙。另一方面，臺(tái)風(fēng)引起的大風(fēng)和強(qiáng)降雨也會(huì)破壞鳥類的巢穴，從而導(dǎo)致雛鳥和成鳥死亡。因此該層中幾乎沒有鳥糞沉積。牛塘中的有機(jī)質(zhì)主要來源于海鳥糞和湖泊周圍的植被，TN、TOC含量在這一深度前后發(fā)生了很大的變化，反映了劇烈的氣候變化對(duì)東島的生態(tài)演化產(chǎn)生了相當(dāng)?shù)钠茐男杂绊憽ｘB糞輸入的減少以及大風(fēng)席卷的植物殘?bào)w及周邊的腐殖質(zhì)堆積在牛塘里，因此出現(xiàn)了來自于陸源的物源信息。

根據(jù)西沙群島的氣候條件，臺(tái)風(fēng)帶來的降水占年降水量較大的比例，降雨量通常和熱帶氣旋的頻率有密切聯(lián)系[35]。Liu等[36]研究得出東島生物量的高低變化與涼濕小冰期存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，生物量的低值可能源自于熱帶氣旋頻率的增加而導(dǎo)致降雨量的增多，公元1400年后降雨量的增大暗示了發(fā)生在西沙海區(qū)的熱帶氣旋頻數(shù)的增加。周亮等[37]通過對(duì)海南島東南部沉積記錄的研究分析了過去350年間南海北部海域古風(fēng)暴事件的時(shí)間序列，其中公元1875年-1925年年間風(fēng)暴事件出現(xiàn)的頻數(shù)較大。根據(jù)沉積速率，28 cm對(duì)應(yīng)的年代約為132 a BP。根據(jù)上文分析及前人研究結(jié)論對(duì)比，我們有理由認(rèn)為28～34 cm深度珊瑚砂粗顆粒沉積層是高能水動(dòng)力條件以及風(fēng)暴條件下的堆積產(chǎn)物。

自28 cm深度往上至19 cm處，TN、TOC含量開始有所增加，沉積物中重新出現(xiàn)了植物穎果以及鳥糞沉積，這表明經(jīng)歷海洋沉積動(dòng)力事件之后，東島的生態(tài)出現(xiàn)了恢復(fù)的跡象。而TIC含量的減少可以理解為湖泊周圍有機(jī)質(zhì)含量的輸入增多而導(dǎo)致富含碳酸鹽的珊瑚砂含量發(fā)生了相對(duì)“稀釋”作用。沉積物在粒度在此階段出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，自28 cm植被開始恢復(fù)，沉積物粒徑有變細(xì)的趨勢(shì)，而19～22 cm深度粒度變粗。牛塘湖泊沉積環(huán)境的形成伴隨著周圍植被的迅速擴(kuò)張和鳥類的快速聚集，牛塘面積小，沉積物主要來源于降水沖刷，搬運(yùn)距離很短，沉積物的粒度很大程度上取決于水動(dòng)力作用的強(qiáng)弱，這與牛塘周圍植被情況有著密切的聯(lián)系。根據(jù)人類在東島活動(dòng)的歷史記載以及研究，東島上出現(xiàn)過兩次放養(yǎng)黃牛的歷史，孫立廣等[8]研究結(jié)果表明至少在明末清初，黃牛就被我國沿海人民帶到東島。而另一次有史料記載的發(fā)生在1909年，廣東水師提督李準(zhǔn)，分乘軍艦前往西沙群島勘察時(shí)，就帶去了黃牛在島上放養(yǎng)[38]。因此這一段粒度的變粗可能與野牛群的繁殖壯大有關(guān)，野牛以牛塘周圍的植物為食，可能使得周圍植物處在不斷的退化之中。據(jù)趙三平[39]，東島上植物主要以C3植物為主，其δ13C值介于-29‰～-26‰，而野牛以島上的植被為食，在野外中觀察到其糞便中含有大量殘留的羊角樹、白避霜花種子，經(jīng)測(cè)量牛糞的δ13C值為-28.12‰。這表明野牛主要以島上的喬木、灌木等陸地C3植物為食。

野牛對(duì)于東島的鳥類生態(tài)系統(tǒng)來說是一種入侵生物，在東島有限的生態(tài)資源下，野牛數(shù)量的增長可能會(huì)對(duì)鳥類的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的威脅。首先，野牛以島上的植物的葉片果實(shí)為食，其中也就包括了紅腳鰹鳥作為棲息地的白避霜花樹，前文就已提到白避霜花樹枝脆易斷，野牛的活動(dòng)很可能造成其倒伏。據(jù)張宏達(dá)[18]，東島上鳥糞的開采導(dǎo)致鳥糞層被移除，這也不利于白避霜花喬木林的生長和恢復(fù)，野牛的活動(dòng)可能會(huì)進(jìn)一步增加白避霜花樹林退化的危險(xiǎn)。其次，野牛可能還會(huì)直接影響到鳥類的棲息和繁殖。據(jù)孫立廣等[40]，紅腳鰹鳥在臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣里會(huì)躲到地面躲避，野牛在樹林中活動(dòng)可能會(huì)造成其傷亡，而幼鳥則會(huì)受驚吐出食物，降低其成活率。東島上紅腳鰹鳥以飛魚(Flyingfish)和魷魚(Squid)為食物，其糞樣的δ13C值約-22‰，具有典型的海洋碳同位素特征[39]。而DD-01沉積柱19～28 cm處樣品δ13C值在-25.98‰～-25‰之間，結(jié)合此段有機(jī)質(zhì)及粒度變化特征，表明19～28 cm處樣品更多受到了牛糞輸入的影響，鳥類種群的恢復(fù)則可能受到了一定的限制。

自19 cm深度(90 a BP)往上，TN、TOC迅速波動(dòng)上升，δ13C值出現(xiàn)快速變重的趨勢(shì)，這表明有機(jī)質(zhì)輸入增多而且有機(jī)質(zhì)來源也發(fā)生了變化。在野外調(diào)查中，東島駐島官兵向我們介紹，東島上生態(tài)資源有限，野牛的數(shù)量并非一直盲目的擴(kuò)張，也受到過人為的控制。在困難時(shí)期物資匱乏時(shí)以及在逢年過節(jié)時(shí)，島上官兵也會(huì)對(duì)野牛進(jìn)行捕殺充當(dāng)補(bǔ)給。隨著野牛數(shù)量穩(wěn)定，東島的生態(tài)環(huán)境、鳥類種群逐漸恢復(fù)，植被恢復(fù)至適合鳥類生存的規(guī)模，鳥類種群數(shù)量快速增加，特別是在20世紀(jì)80年代以來，廣東省人民政府劃定東島為紅腳鰹鳥的自然保護(hù)區(qū)，而野牛作為東島上獨(dú)特的生態(tài)景觀，也受到了嚴(yán)格的數(shù)量上的保護(hù)并控制其繁衍，鳥類的生存環(huán)境得到了進(jìn)一步的改善。而鳥糞的大量輸入導(dǎo)致牛塘的δ13C值出現(xiàn)變重的趨勢(shì)。

5 結(jié)論

本文分析了西沙群島東島牛塘沉積物粒度、210Pb、總有機(jī)碳、總氮、無機(jī)碳、C/N值、有機(jī)碳同位素以及生物殘留組分的特征，還原了東島歷史上可能因海洋沉積動(dòng)力事件對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響以及鳥類與生態(tài)環(huán)境之間的相互響應(yīng)關(guān)系。

東島牛塘DD-01沉積柱沉積特征自下而上可分為4段：34～40 cm為具有一定黏性，顆粒均勻的深棕色腐殖質(zhì)層；28～34 cm為顆粒較粗，有機(jī)質(zhì)含量低的淺棕黃色珊瑚砂層；28 cm深度至表層為富含有機(jī)質(zhì)，可見植物殘?bào)w穎果種子的棕黃色腐殖質(zhì)層。其中以19 cm為界，19～28 cm中鳥糞沉積不多，可見植物殘?bào)w及植物穎果，而19 cm至表層，沉積物顆粒均勻可見更多的腐殖質(zhì)以及鳥糞沉積。與沉積特征相對(duì)應(yīng)的地球化學(xué)指標(biāo)及生物殘留組分在4段也表現(xiàn)出明顯的變化。34～40 cm，沉積物受到了鳥糞沉積的影響，有機(jī)質(zhì)含量降低以及δ13C值變輕與鳥類遷徙數(shù)量減少導(dǎo)致的鳥糞輸入減少有關(guān)。28～34 cm，沉積物中含有豐富的海相有孔蟲豐度，植物穎果、鳥糞沉積及淡水相介形殘?bào)w近乎絕跡，各地球化學(xué)指標(biāo)較上下層位均有著明顯的變化，TN、TOC含量分別出現(xiàn)相對(duì)低值，平均粒徑與TIC含量增大出現(xiàn)高值，指示物源信息的δ13C值變輕至相對(duì)低值，C/N數(shù)值較大，上述指標(biāo)的突變表明在此沉積單元內(nèi)沉積環(huán)境的快速轉(zhuǎn)變，可能的風(fēng)暴事件及高能水動(dòng)力條件對(duì)牛塘乃至東島的生態(tài)環(huán)境造成了劇烈的影響。

自28 cm往上，TN、TOC含量開始有所增長，有機(jī)物質(zhì)輸入增多，沉積物中重新出現(xiàn)鳥糞、植物穎果及殘?bào)w，表明東島自身生態(tài)環(huán)境逐漸恢復(fù)，野牛的活動(dòng)可能使得鳥類種群的恢復(fù)受到一定的限制，而植被與牛糞的輸入使得δ13C值保持在較輕的水平。自19 cm至表層，TN、TOC劇烈波動(dòng)增長，δ13C也出現(xiàn)快速變重的趨勢(shì)，島上植被恢復(fù)至適合鳥類生存的規(guī)模，海鳥的數(shù)量也迅速增加，δ13C值快速變重，可能與鳥糞輸入增多有關(guān)。

致謝：對(duì)本次野外考察中為提供幫助的何勝參謀以及西沙各駐島官兵表示誠摯的感謝；野外采樣得到了中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所譚明研究員的幫助；中國科學(xué)院南京地質(zhì)與古生物研究所曹美珍研究員、李保華研究員對(duì)沉積物中介形蟲以及有孔蟲化石進(jìn)行了種屬的鑒定；在文章寫作中得到了高抒教授的指導(dǎo)以及研究生王穎、宗嫻、王成龍、莊喜陽的幫助，在此一并表示感謝。感謝本文審稿專家提出的批評(píng)和修改建議。

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Liu Xiaotong1，2，3，Ge Chendong1，2，3，Zou Xinqing1，2，3，Huang Mei1，2，3，Tang Meng1，2，3， Li Yali1，2，3

(1.CollaborativeInnovationCenterofSouthChinaSeaStudies，NanjingUniversity，Nanjing210023，China; 2.SchoolofGeographicandOceanographicSciences，NanjingUniversity，Nanjing210023，China; 3.TheKeyLaboratoryofCoast&IslandDevelopmentofEducation，NanjingUniversity，Nanjing210023，China)

A sediment core， DD-01， was collected from Cattle Pond， on Dongdao Island in the Xisha Islands. Measurements of grain size， C and N elemental geochemistry， δ13C and biological remains were taken， and a210Pb chronology established， to study the evolution of the sedimentary environment of Dongdao Island. The results indicate that 4 depositional units can be distinguished between the bottom and the surface layers. The sediment unit below 34 cm was more influenced by guano than the others; its TN and TOC contents are between 0.15%-0.27% and 1.78%-2.8% respectively， δ13C ranges from -24.86‰ to -23.84‰， and there is a large amount of guano sediment， caryopses， and fresh Ostracodes residues. At a depth of 28-34 cm (about 132 a BP)， the guano sediment， caryopses and fresh Ostracodes residues disappear， and the number of foraminifers and sea urchin spines increases sharply. The TOC values in this unit are between 1.25% and 2.28%， and TN ranges from 0.11% to 0.29%. δ13C values vary in the range of -25.95‰ to -25.45‰， which is much lower than those in the top 28 cm and those in the bottom 34 cm. A larger mean grain size was also observed， with a stable value of 1.3 Φ， and TIC values were higher at between 10.95% and 11.26%. All of this data shows that this sediment unit may have been influenced by marine dynamic events， which changed the environment of Cattle Pond over a long period. At a depth of 19-28 cm， TN and TOC show increasing trends， and the caryopses reappear. The sediment is more affected by cow-dung and the δ13C remains at a low level. Above 19 cm (about 90 a BP)， the TN and TOC values increase rapidly but with fluctuations， suggesting an increasing source of organic matter. An increasing trend in δ13C is related to the input of guano， which was caused by recovery of the sea bird population．

TOC；δ13C；environmental change；human activity；Dongdao Island of Xisha Islands

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.06.005

2016-08-30；

2017-01-17。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41530962)；中國南海研究協(xié)同創(chuàng)新中心2015年度兩項(xiàng)重大任務(wù)“基于資源分布特點(diǎn)的我國南海主要島礁戰(zhàn)略地位研究”和“南海疆界線位置地學(xué)依據(jù)研究”。

劉曉瞳(1990—)，男，安徽省淮南市人，主要從事海洋生物地球化學(xué)方向研究。E-mail：liuxiaotong613@163.com

*通信作者：葛晨東(1966—)，女，安徽省壽縣人，教授，主要從事海洋生物地球化學(xué)方向研究。E-mail：gcd@nju.edu.cn

P736.21

A

0253-4193(2017)06-0043-12

劉曉瞳，葛晨東，鄒欣慶，等. 西沙群島東島潟湖沉積物碳、氮元素地球化學(xué)特征及其指示的環(huán)境變化[J].海洋學(xué)報(bào)，2017，39(6)：43—54，

Liu Xiaotong，Ge Chendong，Zou Xinqing， et al. Carbon， Nitrogen geochemical characteristics and their implications on environmental change in the lagoon sediments of the Dongdao Island of Xisha Islands in South China Sea[J]. Haiyang Xuebao，2017，39(6)：43—54， doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2017.06.005