魏夢(mèng)杰 , 葉思源, , 丁喜桂, , 袁紅明, , 趙廣明, , 王 錦,

(1.青島大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院, 山東 青島266071; 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局濱海濕地重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島266071; 3.國(guó)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, 山東 青島 266071)

濕地碳扣留和埋藏速率研究對(duì)全球碳收支平衡預(yù)算有重要的意義, 很多科學(xué)家在相關(guān)研究課題上取得了重大進(jìn)展[1-6]。一方面, 河流徑流不斷輸送豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 碳的沉積量不斷增加, 進(jìn)而作用于濕地生態(tài)系統(tǒng)和河口生產(chǎn)力；另一方面, 早期成巖作用也對(duì)碳的扣留有重大的影響作用[7]。

在濱海濕地及其相鄰水生系統(tǒng)中, 沉積物表面吸附的元素大部分會(huì)迅速礦化, 并通過(guò)沉積物的孔隙釋放到地表水中[4], 而有機(jī)質(zhì)則很容易被分解以CO2形式釋放到空氣中, 只有很少的與沉積物結(jié)合的細(xì)小有機(jī)質(zhì)顆粒和營(yíng)養(yǎng)元素才能隨沉積物沉積下來(lái)。在研究碳的扣留量時(shí), 有機(jī)碳(Corg)的相關(guān)研究尤為重要, 較高濃度Corg對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸附能力更強(qiáng)[8], 進(jìn)一步影響濕地系統(tǒng)的生產(chǎn)力。濱海濕地碳的埋藏通量是生物地球化學(xué)作用于沉積作用競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。定量分析河口碳通量涉及到河口沉積環(huán)境的劃分與年代的確定。

黃河三角洲古環(huán)境演化的研究很多[9-11], 但對(duì)現(xiàn)代黃河三角洲的沉積環(huán)境劃分還沒(méi)有統(tǒng)一的方法。Bornhold等[12]和Prior等[13]都將現(xiàn)代黃河三角洲的水下三角洲分為三角洲平臺(tái)、三角洲前緣斜坡和三角洲隆起, 這樣的劃分只反映了黃河口前方的地貌變化, 而對(duì)兩側(cè)并不適用, 很難將上述劃分應(yīng)用于鉆孔巖芯的沉積環(huán)境分析。成國(guó)棟等[14]根據(jù)河控三角洲傳統(tǒng)的沉積環(huán)境劃分并結(jié)合黃河三角洲河口側(cè)部黏土質(zhì)粉砂特別發(fā)育的特點(diǎn)對(duì)現(xiàn)代黃河三角洲沉積環(huán)境進(jìn)行了劃分, 本研究采用該沉積環(huán)境劃分模式對(duì)ZK5孔進(jìn)行沉積層序分析。雖然黃河三角洲地區(qū)全新世地層研究的成果很多, 但現(xiàn)代黃河三角洲沉積物的年代研究不夠詳細(xì), 很多沉積年代的研究利用了現(xiàn)代的同位素方法, 存在很多弊端[15]。現(xiàn)代黃河三角洲是 1855年以后形成的, 距現(xiàn)在也只有150多年的歷史, 這已經(jīng)不在14C測(cè)年的有效范圍之內(nèi)。 雖然210Pb是百年尺度內(nèi)測(cè)年的一種好方法, 但需要具有穩(wěn)定的物源、穩(wěn)定的沉積速率及沉積后未受改造。冰川和湖泊沉積更易滿足這些條件, 陸架沉積物只能基本滿足[15], 黃河三角洲分流河道頻繁改動(dòng), 在給定的區(qū)域內(nèi)不能保持穩(wěn)定連續(xù)地接受沉積物, 常常出現(xiàn)沉積間斷, 沉積年代也不連續(xù), 無(wú)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(lái)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[16]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。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)的基本情況

2007年在黃河三角洲布設(shè)淺鉆(ZK5), ZK5孔位于東營(yíng)市孤島鎮(zhèn)(119°05′13″E, 37°51′37″N), 所在區(qū)域高程為0.393 m, 表面分布有濕地植物堿蓬、 柳、蘆葦?shù)取?/p>

1.2 樣品采集和分析

1.2.1 樣品采集

研究所用 ZK5孔沉積柱樣, 系中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局2007年執(zhí)行“黃河三角洲濱海濕地綜合地質(zhì)調(diào)查與評(píng)價(jià)”項(xiàng)目所獲樣品, 孔深23.7 m, 孔口高程0.393 m,鉆機(jī)型號(hào)為 XY-100, 為了可以進(jìn)行較長(zhǎng)的單回次取芯, 選擇了長(zhǎng)度為100 m鉆機(jī)。樣品保存于7.6 cm直徑的 PVC管中, 經(jīng)封口, 常溫下保持巖芯管水平放置, 運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室, 根據(jù)巖性進(jìn)行層次劃分, 每層采集足夠樣品用作實(shí)驗(yàn)室分析。

1.2.2 沉積物含水量與原位密度分析

ZK5孔巖芯間隔10 cm取10 g左右的沉積物放置小瓶中烘干(60 ℃), 稱出其質(zhì)量, 計(jì)算出含水量。

根據(jù)黃河三角洲獲得的70個(gè)鉆孔樣品的含水量(W, %)與原位密度(BD, g/cm3)做出擬合方程: BD=2.3111–0.0353W,R2=0.888,P<0.01,n=70, 由此計(jì)算出所需的BD。

1.2.3 總碳、有機(jī)碳、總氮及營(yíng)養(yǎng)元素分析

樣品經(jīng)過(guò)風(fēng)干, 研磨, 進(jìn)行 pH、總碳(TC)、總氮(N)及營(yíng)養(yǎng)元素分析。pH用電位法測(cè)定, 配置水土比例為 1∶1的混合溶液, 將 pH玻璃電極和甘汞電極插入土壤懸液中, 測(cè)定其電動(dòng)勢(shì)值, 再換算成pH值。TC濃度, 用非水容量法測(cè)定。將少量樣品在1 000℃灼燒1 h, 加入少量線性氧化銅為助溶劑,經(jīng)高溫管式爐1 100 ~1 150℃分解, 產(chǎn)生的二氧化碳為樣品中的全碳量, 經(jīng)碳硫分析儀非水滴定液吸收,并根據(jù)試液顏色變化進(jìn)行滴定測(cè)定全碳量。測(cè)定土壤樣品中Corg濃度, 稱取150~300 mg樣品, 置于經(jīng)1 000℃灼燒1 h的瓷舟中, 先用2%稀磷酸處理, 烘箱 80℃烘干, 再用 5%稀磷酸處理, 烘箱 80℃烘干,反復(fù)處理至氣泡冒盡, 除去樣品中的無(wú)機(jī)碳, 然后用非水容量法測(cè)定。營(yíng)養(yǎng)成分N量用凱氏氮法測(cè)定；P和S量及金屬元素Cu、Mn和Zn均用粉末壓片X射線熒光光譜法測(cè)定；Mg、Ca和K量的測(cè)定, 先用粉末壓片 X 射線熒光光譜法測(cè)定 Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、K2O的量, 再通過(guò)分子質(zhì)量計(jì)算金屬元素的量；Mo元素用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定。測(cè)試精度優(yōu)于5%。

1.2.4 加速器質(zhì)譜14C測(cè)年

使用全樣進(jìn)行14C年齡測(cè)定。樣品前處理步驟如下: 加入2 mol/L HCl煮沸, 除去無(wú)機(jī)碳酸鹽, 棄去溶液。加入2%的NaOH溶液對(duì)沉淀物進(jìn)行堿洗,去除腐殖酸, 再加入2 mol/L的HCl對(duì)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 Automatic Material analysis System(AMS)測(cè)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(cè)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(cè)量。

1.2.5 沉積學(xué)觀測(cè)與年代確定

對(duì)于沒(méi)有14C測(cè)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[16]。根據(jù)沉積物的性質(zhì)、厚度、高程來(lái)判斷沉積環(huán)境, 追蹤其物質(zhì)來(lái)源, 判斷沉積物是從哪一條分流河道輸送來(lái)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)黏土質(zhì)粉砂之上, 年輕的三角洲側(cè)緣(或分流間灣)黏土質(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(jiàn)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。

1.3 數(shù)據(jù)處理與制圖

數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析采用SPSS軟件的Person相關(guān)系數(shù)分析。圖件采用CorelDRAW Graphics Suite X 4.0和 Grapher9.0等繪圖軟件完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 ZK5孔的沉積環(huán)境與沉積年代確定

本文根據(jù) ZK5的沉積學(xué)觀測(cè), 將現(xiàn)代黃河三角洲自上而下劃分為 7個(gè)沉積單元, 同時(shí)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(duì)不同沉積環(huán)境部分進(jìn)行了年代劃分。在此基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)代物理化學(xué)參數(shù)測(cè)試成果, 計(jì)算了濱海濕地及其鄰區(qū)不同古環(huán)境中沉積物對(duì)碳的扣留通量。

ZK5孔整個(gè)巖芯以土黃色粉砂、灰黃色黏土質(zhì)粉砂為主, 部分層位有機(jī)質(zhì)含量較高, 未見(jiàn)老三角洲沉積物。1855~1976年黃河經(jīng)歷數(shù)次改道, 現(xiàn)代三角洲前緣粉砂與三角洲側(cè)緣黏土質(zhì)粉砂交替出現(xiàn),依次疊覆在陸架沉積物上, 形成了由水生系統(tǒng)(低潮時(shí)>6 m等深線)、淺海濕地直至上三角洲平原適度的過(guò)渡。通過(guò)觀察巖芯垂向上沉積物的特征, 包括沉積物類型, 顏色及分布紋理, 時(shí)間序列地形圖、堤壩的建筑時(shí)間, 結(jié)合黃河改道的歷史記錄將 ZK5孔劃分為7個(gè)層序, 自下而上依次為距今9 802~9 602 a的潮坪沉積(U1), 1855年前的陸架沉積, 距今大約315 a(U2), 1855~1877年三角洲沉積(U3), 1877~1897年三角洲前緣沉積(U4), 1934~1960年三角洲側(cè)緣沉積(U5), 1960~1964年三角洲前緣沉積(U6), 1976年以來(lái)形成的決口扇沉積(U7)7個(gè)沉積單元(圖1)。

2.1.1 U1潮坪沉積

該層位于孔深 19.9~23.7 m, 高程–19.507~–23.307 m, 厚 3.8 m, 灰色粉砂與淺灰色粉砂混合,黃褐色粉砂, 含少量極細(xì)砂, 見(jiàn)黑色有機(jī)質(zhì), 在23.16, 23.48, 23.37 m處見(jiàn)貝殼碎片；有孔蟲(chóng)種數(shù)均隨深度向上增加, 優(yōu)勢(shì)種為Ammonia beccariivar.,Elphidium magellanicum,Protelphidium tuberculatum及Quinqueloculina akneriana rotunda, 廣鹽性種Ammonia beccariivar.,Elphidium magellanicum,Protelphidium tuberculatum隨深度向上增加, 也能在淡化水域生存的有孔蟲(chóng)種Quinqueloculina akneriana rotunda則隨深度向上減少。由此可推測(cè)該層為海侵過(guò)程中形成的潮坪沉積。據(jù) ZK5孔以南附近的ZK218孔河流沉積與上層潮坪沉積的界限處樣品經(jīng)校正后的14C測(cè)年為9 602 aBP[17], 所以我們估算該層為距今9 602 a之前形成的潮坪沉積, 因?yàn)閆K5孔位于 ZK218孔的東北方向, 海侵由東北向西南方向進(jìn)行, 所以ZK5的沉積環(huán)境要略老于ZK218孔, 亦即是當(dāng)時(shí)的潮坪濕地。此外, 末次冰期后, 海平面上升的平均速率為0.96 cm/a[18], 而渤海西部的平均潮差大約為 2 m左右, 因此海侵過(guò)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~200 a, 即該潮坪濕地演化的時(shí)間為距今9 802 a至距今9 602 a。

2.1.2 U2水下三角洲

該層位于孔深 15.6~19.9 m, 高程–15.207~–19.507 m, 厚4.3 m, 以灰色、灰黑色黏土質(zhì)粉砂為主, 見(jiàn)大量生物擾動(dòng)構(gòu)造、粉砂透鏡體及黑色有機(jī)質(zhì)。16.13~16.3 m處夾灰色粉砂層, 見(jiàn)大量貝殼碎片及2個(gè)大小約1 cm的完整毛蚶貝殼；下部多見(jiàn)深灰色粉砂質(zhì)黏土與黃色粉砂質(zhì)黏土混雜, 19.5~19.53 m見(jiàn)黑色腐殖質(zhì)薄夾層；19.53~19.9 m灰褐色粉砂, 在19.71 m處有2 cm厚的黏土質(zhì)粉砂薄夾層；有孔蟲(chóng)種數(shù)均隨深度向上增加, 表現(xiàn)為正常鹽度的環(huán)境,有孔蟲(chóng)豐度猛增, 指示沉積速率低的陸架環(huán)境；該層為1855年前的陸架沉積, 該層16.25 m處的樣品經(jīng)校正后的14C年齡為315 aBP。該14C年齡樣品處距其上覆的水下三角洲沉積的界線為 0.65, 其相應(yīng)的沉積時(shí)間為220 a, 因此其沉積速率為0.3 cm/a。

2.1.3 U3前三角洲沉積

該層位于孔深 12.45~15.6 m, 高程–12.057~–15.207 m, 厚3.15 m, 以灰黃色、黃褐色黏土質(zhì)粉砂為主, 多處見(jiàn)黑色有機(jī)質(zhì)薄夾層, 在 12.45~12.65 m見(jiàn)灰黃色黏土質(zhì)粉砂與粉砂互層, 15.34~15.6 m處見(jiàn)黃色黏土質(zhì)粉砂與黑色有機(jī)質(zhì)互層；該層有孔蟲(chóng)種類及豐度均急劇減少, 顯示環(huán)境的巨大變化, 有孔蟲(chóng)中Quinqueloculina akneriana rotunda和Ammonia beccariivar.是主要種, 其中Quinqueloculina akneriana rotunda的數(shù)量占31.38%~66.67%,Ammonia beccariivar.的數(shù)量占 0~20.8%, 前者遠(yuǎn)大于后者,Quinqueloculina akneriana rotunda是現(xiàn)代黃河水下三角洲、前三角洲表層沉積物中最主要的種[19], 根據(jù)粒度、有孔蟲(chóng)垂向變化, 可推測(cè)該沉積物是前三角洲沉積, 且根據(jù)黃河河道的歷史記錄, 黃河河道在1855~1889年及 1889~1897年期間均出現(xiàn)在該區(qū)域,由此可推斷, 該層為 1855~1897年期間形成的前三角洲沉積, 為濱海濕地的形成創(chuàng)造了空間。U3和U4均是在1855~1897年期間形成的, U3和U4的深度界限已根據(jù)沉積物的特征及有孔蟲(chóng)的相關(guān)鑒定劃為12.45 m, 時(shí)間的確定則要根據(jù)沉積速率和深度來(lái)確定, 平均沉積速率為14 cm/a, U3的沉積厚度為3.15 m,沉積時(shí)間約為 22 a, 所以 U3的沉積時(shí)間為 1855~1877年。

圖1 黃河三角洲ZK5孔全新世沉積環(huán)境及形成年代Fig.1 Holocene depositional environment and age of ZK5 in the northern Yellow River Delta

2.1.4 U4三角洲前緣沉積

該層位于孔深 9.72~12.45 m, 高程–9.327~–12.057 m, 厚2.73 m, 以土黃色、黃褐色粉砂為主,含水量大, 有孔蟲(chóng)數(shù)量急劇減少, 在11.1~11.33 m處見(jiàn)黃褐色粉砂質(zhì)黏土與粉砂混雜, 11.33~11.64 m以黃褐色黏土質(zhì)粉砂為主, 夾粉砂薄層, 為三角洲前緣沉積。U3的上界時(shí)間即是該層的下屆時(shí)間, 所以該層為1877~1897年三角洲前緣沉積。

2.1.5 U5三角洲側(cè)緣沉積

該層位于孔深4.75~9.72 m, 高程–4.357~ –9.327 m,厚4.97 m。4.75~8.0 m以土黃色黏土質(zhì)粉砂為主, 在5.22 m處有土灰色粉砂薄夾層, 5.6 m處見(jiàn)灰色粉砂透鏡體；5.8~6.9 m黏土含量較高, 5.9 m處見(jiàn)黑色粉砂夾層, 在 6.2 m 處見(jiàn)完整貝殼, 大小約 2 mm,6.2~6.24 m及6.48~6.5 m處為灰色黏土質(zhì)粉砂層, 淤泥狀, 生物擾動(dòng)強(qiáng)烈, 有機(jī)碳含量高；8.0~9.72 m以黃褐色粉砂質(zhì)黏土為主, 含水量大, 偶見(jiàn)黑色有機(jī)質(zhì)；有孔蟲(chóng)呈間斷性出現(xiàn), 種類和數(shù)量均較沉積單元U4的多, 以Ammonia beccariivar.,Cribrononion vitreum,Quinqueloculina akneriana rotunda和Protelphidium tuberculatum為主要種屬, 含量分別占32.43%~72.36%, 5.4%~21.7%, 6.5%~18.9%。若參看黃河河道活動(dòng)記錄, 于1934~1960年期間, 黃河先后在該鉆孔的南邊及北邊活動(dòng), 故推測(cè)該沉積單元為1934~1960年期間的三角洲側(cè)緣沉積, 濱海濕地屬處于水生系統(tǒng)向淺海濕地演化過(guò)度時(shí)期。

2.1.6 U6三角洲前緣沉積

該層位于孔深2.35~4.75 m, 高程–1.957~–4.357 m,厚2.4 m, 2.35~2.6 m為改造層；2.6~4 m以黃色、灰黃色粉砂為主, 偶見(jiàn)粉砂與黏土質(zhì)粉砂互層；4~4.7 m灰色粉砂與淺黃色黏土質(zhì)粉砂互層, 含水量大, 在4.54~4.7 m處, 黑色有機(jī)質(zhì)含量較高, 有異味；有孔蟲(chóng)種類和數(shù)量較為穩(wěn)定, 以Ammonia beccariivar.和Quinqueloculina akneriana rotunda為主要種, 含量占 25%~84.7%和 8.5%~21.7%, 結(jié)合黃河河道分布的歷史記錄: 1960~1964年河流在該地區(qū)活動(dòng), 由此作者推斷沉積單元U6為1960~1964年三角洲前緣沉積。

根據(jù)鉆孔高程推算, 在沉積單元U5中約6.4 m處水深為–6 m, 且此沉積單元中含大量植物腐爛形成的黑色有機(jī)質(zhì), 應(yīng)該是淺海濕地漂浮植物的生長(zhǎng),由較高的生產(chǎn)力所致。

2.1.7 U7決口扇沉積

該層位于孔深0~2.35 m, 高程0.393~–1.957 m,厚 2.35 m, 該層以土黃色粉砂為主, 含少量黏土,1.34~1.4 m見(jiàn)黏土質(zhì)粉砂夾層, 頂部土壤含水量較少, 土質(zhì)較干, 下部含水量較大；為 1976年后形成的決口扇沉積, 其上分布有大量堿蓬、檉柳、蘆葦?shù)戎参? 進(jìn)入濱海濕地環(huán)境演化階段。

2.2 濱海濕地沉積物營(yíng)養(yǎng)元素特征

ZK5沉積物的 Al及營(yíng)養(yǎng)元素的濃度見(jiàn)表1。在pH基本一致的情況下, 與中國(guó)東北部的向海濕地同名組分元素對(duì)比, N的濃度基本相當(dāng), P的濃度是向海濕地同名組分濃度的2~4倍, S的濃度是向海濕地同名組分的1/2[20]。較低的S元素濃度, 表明黃河三角洲濕地沉積物主要是陸地物源主導(dǎo)的,受海洋影響相對(duì)較弱, 因?yàn)?S主要是來(lái)自海水供給。營(yíng)養(yǎng)元素中的常量元素K, Ca和Mg的質(zhì)量比范圍分別為19.31~40.38, 7.95~11.09, 33.15~60.83 mg/g；營(yíng)養(yǎng)元素中的微量元素P, Fe和Mn質(zhì)量比范圍分別為 540.32~634.55 mg/kg、10.21~17.02 mg/g、372.98~ 899.57 mg/kg；營(yíng)養(yǎng)元素中的痕量元素Cu和 Zn的質(zhì)量比范圍分別是 11.47~33.30, 33.54~88.01 mg/kg。TC濃度低于向海濕地的同名組分濃度[20], 高于美國(guó)俄亥俄州濕地的同名組分濃度[21]。Al不是植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)元素, 在此只是作為背景值來(lái)參考, Al的質(zhì)量比范圍是 50.89~75.25 mg/g,相對(duì)美國(guó)密西西比三角洲沉積物的同名組分濃度高[22]。

表1 黃河三角洲沉積物元素特征表Tab.1 Element characteristics of the sediments in the Yellow River Delta

由表2可知, 營(yíng)養(yǎng)元素除了P和S外, 其他營(yíng)養(yǎng)元素Cu, Mn, Zn, Fe, Mg, Ca, K, N, Al都與TC呈極顯著的線性相關(guān)(R2>0.85,P<0.01)。Al及營(yíng)養(yǎng)元素均與Corg呈顯著線性相關(guān)(R2>0.80,P<0.01)。除Al外, 其他元素均是植物生長(zhǎng)必須的營(yíng)養(yǎng)元素, 但營(yíng)養(yǎng)元素P和S其他營(yíng)養(yǎng)元素的相關(guān)性較差, 說(shuō)明沉積物物源在很大程度上影響了其濃度。

表2 Al及營(yíng)養(yǎng)元素濃度的相關(guān)性Tab.2 Correlations between carbon, N and nutrients

2.3 C, N, P, S在不同沉積單元的分布特征

圖2 C、N及Corg等元素垂向上的分布Fig.2 Vertical distribution map of C, N and organic carbon concentration

ZK5孔沉積物元素的濃度在不同沉積單元的分布特征如圖2所示?？傮w上, 該孔沉積物TC的均值是 Corg的 7倍左右, 縱觀在不同沉積單元, 各單元的 TC(11.2~17.82 mg/g)和 Corg(1.16~2.95 mg/g)濃度差距從3倍到10倍不等。美國(guó)俄亥俄州濕地Corg/TC的值在0.7以上[21], 由此說(shuō)明黃河三角洲的沉積物中的有機(jī)碳的分解速率極大, 其總碳的物質(zhì)組成主要來(lái)自無(wú)機(jī)碳, 應(yīng)該是黃河流域風(fēng)化剝蝕產(chǎn)物。深度22.02~22.7 m處沉積物的TC濃度是Corg濃度的35倍, 此地層是 TC(9.1 mg/g)和 Corg(0.26 mg/g)差距最大的沉積地層, 而且這一沉積地層的pH值高于其他沉積地層, 因此推斷這段時(shí)期內(nèi)鮮有植物生長(zhǎng)從而造成了這種TC/Corg過(guò)大的結(jié)果。

由圖2可知, N和P的變化趨勢(shì)基本一致, 只是變化強(qiáng)度上有所差異；N和 P的濃度最大值都出現(xiàn)在前三角洲沉積, 兩者也都在此沉積單元出現(xiàn)了極低值甚至最低值, 此層濃度變化最大, 說(shuō)明此沉積時(shí)間段內(nèi)生物地球化學(xué)作用復(fù)雜。S的濃度在0~12.45 m基本保持恒定, 在前三角洲沉積地層濃度變化差異最大, S是海水中濃度較高的元素, 所以在前三角洲沉積(U3)早期, 沉積速率慢, 與海水作用時(shí)間長(zhǎng), 因此沉積物中S的濃度較高, 從前三角洲沉積后期開(kāi)始濃度開(kāi)始趨于恒定。TC和 Corg的濃度具有非常一致的變化趨勢(shì), 這與相關(guān)性結(jié)果互相照應(yīng)(R2＝0.840,P<0.01), 其濃度變化在前三角洲沉積地層比較劇烈, TC和Corg濃度的最大值則出現(xiàn)在三角洲側(cè)緣沉積和前三角洲沉積, 三角洲前緣和前三角洲沉積的沉積物以細(xì)粒為主, 使得更多吸附在沉積物上的元素沉積下來(lái)。Corg/N的變化范圍是1~11,通常Corg/N反應(yīng)表層有機(jī)質(zhì)的分解情況和土壤的穩(wěn)定程度。隨著有機(jī)質(zhì)(OM)的分解CO2釋放到空氣中,Corg/N越小土壤穩(wěn)定程度越高。0~2.35 m的Corg/N>5, 說(shuō)明1976年以來(lái)形成的決口扇沉積的穩(wěn)定性會(huì)隨著OM的分解增加, 一般Corg/N降到5左右土壤的穩(wěn)定性較好。潮坪沉積的Corg/N較大, 這是由于海侵過(guò)程物源比較豐富而且形成潮坪過(guò)程更容易形成泥炭層, 這也解釋了潮坪沉積Corg濃度升高的原因。

2.4 碳的加積速率

各個(gè)沉積單元的TC和Corg的加積速率列于表3。ZK5孔的平均沉積速率為17.16 cm/a, 最大值為60.00 cm/a, 沉積環(huán)境為三角洲前緣, 最小值為2.64 cm/a,沉積環(huán)境為陸架沉積。TC的平均加積速率為5079.05 g/(m2·a), 加積速率范圍為 641.19~14649.19 g/(m2·a)。Corg的平均加積速率為753 g/(m2·a), 加積速率范圍為134.68~2102.16 g/(m2·a), TC和Corg的最大和最小加積速率都分別是在三角洲前緣和陸架沉積環(huán)境。

TC和Corg的沉積速率變化趨勢(shì)是一致的, 三角洲前緣(后期的三角洲前緣)>三角洲側(cè)緣>前三角洲>決口扇沉積>陸架, TC和Corg的加積速率與可能的相關(guān)因素的相關(guān)性分析見(jiàn)表4。由表4可知, TC的加積速率與沉積速率呈極顯著線性相關(guān)(R2＝991,P<0.01), Corg的加積速率與沉積速率(R2＝0.972,P<0.01)和TC的加積速率(R2＝0.994,P<0.01)呈極顯著線性相關(guān)。由此可知, 沉積物的沉積速率是TC和Corg加積速率的主要影響因子。因此, 雖然黃河三角洲 Corg的濃度比其他濕地低, 但是由于黃河攜帶大量沉積物使沉積速率很高, 黃河三角洲的 Corg的平均加積速率高于美國(guó)的佛羅里達(dá)濕地(320 g/(m2·a))[23]和路易斯安娜濕地(300 g/(m2·a))[24], 也高于其他文獻(xiàn)報(bào)道的 Corg的累積加積速率(100~200 g/(m2·a))[25-26],從而表明, 黃河三角洲較其他濕地有更好的固碳能力。

3 結(jié)論

1) ZK5孔全新世以來(lái)的沉積環(huán)境自下而上依次為距今9 802~9 602 a的潮坪沉積(U1)1855年前的陸架沉積, 距今大約315 a(U2), 1855~1877年前三角洲沉積(U3), 1877~1897年三角洲前緣沉積(U4),1934~1960年三角洲側(cè)緣沉積(U5), 1960~1964年三角洲前緣沉積(U6), 1976年以來(lái)形成的決口扇沉積(U7)7個(gè)沉積單元。

表3 黃河三角中不同沉積環(huán)境垂向沉積速率與Corg的加積速率Tab.3 Vertical accretion of nutrients and Corg in Yellow River Delta

表4 TC和Corg加積速率線性相關(guān)Tab.4 Correlations between accretion of TC, Corg and relative elements

2) TC與除P、S外的營(yíng)養(yǎng)元素及Al呈很好的線性相關(guān), Corg與Al及各營(yíng)養(yǎng)元素都呈很好的線性相關(guān)；Al濃度越大指示著黏土含量越高, 其吸附元素的能力越強(qiáng)。

3) TC和Corg的加積速率與沉積物的沉積速率呈極顯著正相關(guān), 可得知 TC和Corg扣留的最主要影響因子是沉積物的沉積速率；而Corg的加積速率與TC的加積速率呈極顯著線性相關(guān)。

4) Corg的加積速率波動(dòng)范圍134.68~2102.16 g/(m2·a),明顯高于世界其他濕地的加積速率；而TC的加積速率變化范圍為 642~14649 g/(m2·a), 沉積物的高沉積速率很大程度上提高了 TC和Corg的加積速率, 從而揭示了黃河三角洲濱海濕地在地質(zhì)歷史演化過(guò)程中始終是一個(gè)很好的碳匯地質(zhì)體。

[1]Peter S.Carbon sequestration in croplands: the potential in Europe and the global context [J].European Journal of Agronomy, 2004, 20(3): 229-236.

[2]Elizabeth M, Gail L C, Steven B, et al.A blueprint for blue carbon: toward an improved understanding of the role of vegetated coastal habitats in sequestering CO2[J].Front Ecol Environ, 2011, 9(10): 552-560.

[3]Zhang Shiping, Wang Lei, Hu Jiajun, et al.Organic carbon accumulation capability of two typical tidal wetland soils in Chongming Dongtan, China[J].Journal of Environmental Sciences, 2011, 23(1): 87-94.

[4]Ye S Y, Law E A, Wu Q, et al.Pyritization of trace metals in estuarine sediments and the controlling factors: a case in Jiaojiang Estuary of Zhejiang Province, China[J].Environ Earth Sci , 2010, 61(5): 973-982.

[5]Ye S Y, Laws E A, Zhong S, et al.Sequestration of metals through association with pyrite in subtidal sediments of the Nanpaishui Estuary on the Western Bank of the Bohai Sea, China[J].Marine Pollution Bulletin, 2011, 62(5): 934-941.

[6]Marie S, Luise G.Carbohydrates, carbon and nitrogen in soils of a marine and a brackish marsh as influenced by inundation frequency[J].Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2012, 107: 89-96.

[7]Graetz D A, Reddy K R, Nair V D, et al.Evaluation of constructed wetlands in Phosphate Mined Lands in Florida[J].Wetlands, 2001, 21(2): 232-239.

[8]丁玉蓉, 葉思源, 趙全升.黃河三角洲新生濕地土壤對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分和碳的扣留[J].地質(zhì)論評(píng), 2012, 58(1): 183-189.

[9]Liu J, Saito Y, Wang H, et al.Stratigraphic development during the Late Pleistocene and Holocene offshore of the Yellow River delta, Bohai Sea[J].Jorunal of Asian Earth Sciences, 2009, 36(4-5): 318-331.

[10]鮮本忠, 姜在興.黃河三角洲地區(qū)全新世環(huán)境演化及海平面變化[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì), 2005, 25(3): 1-7.

[11]徐家聲, 孟毅, 張效龍, 等.晚更新世末期以來(lái)黃河口古地理環(huán)境的演變[J].第四紀(jì)研究, 2006, 26(3): 327-333.

[12]Bornhold B D, Yang Z G, Keller G H, et al.Sedimentary framework of Modern Huanghe(Yellow River)Delta[J].Geo-Marine Letter, 1986, 6(2): 77-83.

[13]Prior D B, Yang Z S, Bornhold B D, et al.The subaqueous delta of the Modern Huanghe(Yellow River)[J].Geo-Marine Letter, 1986, 6(2): 65-75.

[14]成國(guó)棟, 薛春汀.黃河三角洲沉積地質(zhì)學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社, 1997: 48-55.

[15]范德江, 楊作升, 郭志剛.中國(guó)陸架210Pb測(cè)年應(yīng)用現(xiàn)狀與思考[J].地球科學(xué)進(jìn)展, 2000, 12(3): 297-302.

[16]薛春汀, 葉思源, 高茂生, 等.現(xiàn)代黃河三角洲沉積物沉積年代的確定[J].海洋學(xué)報(bào), 2009, 31(1): 117-124.

[17]王宏, 范昌福.環(huán)渤海海岸帶14C 數(shù)據(jù)集(Ⅱ)[J].第四紀(jì)研究, 2005, 25(2): 141-152.

[18]Till J J, Harold K V, Yusuke Y, et al.Formation and fate of sedimentary depocentres on Southeast Asia's Sunda Shelf over the past sea-level cycle and biogeographic implications[J].Earth-Science Reviews, 2011, 104(1-3): 92-110.

[19]薛春汀, 李紹全, 周永青.西漢末-北宋黃河三角洲(公元11-1099年)的沉積記錄[J].沉積學(xué)報(bào), 2008, 26(5): 804-812.

[20]Wang G P, Liu J S, Tang J.The long-term nutrient accumulation with respect to anthropogenic impacts in the sediments from two freshwater marshes (Xianghai Wetlands, Northeast China)[J].Water Research, 2004 38(20): 4462–4474.

[21]Blanca B, William J.A comparison of soil carbon pools and profiles in wetlands in Costa Rica and Ohio[J].Ecological Engineering, 2008, 34(4): 311–323.

[22]Nair V D, Graetz D A, Reddy K R, et al.Soil development in phosphate-mined created wetlands of Florida, USA[J].The Society of Wetland Scientists,Wetlands, 2001, 21(2): 232-239.

[23]Hatton R S, Patrick W H, DeLaune R D.Sedimentation,nutrient accumulation, and early digenesis in Louisiana Barataria Basin coastal marshes[M].USA, New York:Academic Press, 1982: 255–267.

[24]Craft C B.Freshwater input structures soil properties, vertical accretion, and nutrient accumulation of Georgia and U.S[J].Tidal Marshes Limnol Oceanogr, 2007, 52(3): 1220-1230.

[25]Turner R E, Swenson E M, Milan C S.Organic and inorganic contributions to vertical accretion in salt marsh sediments[J].Concepts and Controverisies in Tidal Marsh Ecology, 2000, 25(6): 583-595.

[26]Bridgham S D, Megonigal J P, Keller J K, et al.The carbon banlance of North American wetlands[J].Wetlands, 2006, 26(4): 889-916.