黃亞楠

( 1. 中山大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，廣東 珠海 519082；2. 西班牙國家加速器中心，安達(dá)盧西亞自治區(qū) 塞維利亞 41092)

1 引言

東海大陸架及毗鄰區(qū)（23°～33°N，117°～131°E）位于西北太平洋西部，是世界上最大的邊緣海之一。長江口北側(cè)啟東角與朝鮮半島西南側(cè)濟(jì)州島之間的連線是黃海與東海的分界線。東海面積約為9×105km2，大陸架平均水深約為72 m，最大水深約為2 719 m，位于沖繩海槽的南部。多重邊界（空氣–海洋、陸地–海洋和沉積物–海水）相互作用極大地改變了東海海域的地球化學(xué)過程[1–3]。多年觀測表明東海夏季受到西南季風(fēng)的影響，而冬季則受到東北季風(fēng)的影響[1–3]。東海的水體結(jié)構(gòu)變化很大，在夏季和秋季表現(xiàn)出分層現(xiàn)象，在冬季表現(xiàn)出強(qiáng)烈的垂直混合[1]。東海大陸架受到各種水團(tuán)的作用，主要有長江沖淡水、沿東海大陸架邊緣的黑潮、向北流動的黑潮底層分支流、臺灣暖流、浙閩沿岸流、黃海沿岸流以及上升流等[2–3]（圖1）。其中，黑潮和臺灣暖流都具有相對較高的鹽度和溫度的特征。再者，與潮流相關(guān)的潮汐、泥沙輸入和頻繁且強(qiáng)烈的風(fēng)暴潮都會增加淺海泥沙再懸浮[2]。這些物理過程使得東海成為世界上最活躍的邊緣海之一。東亞大陸（主要是中國、韓國和日本）通過河流也向東海提供大量的營養(yǎng)物質(zhì)和懸浮顆粒物，東海成為研究沉積動力學(xué)過程的重要場所[1–3]。

圖1 東海及毗鄰區(qū)239+240Pu 樣品的采集站位（海流根據(jù)文獻(xiàn)[3]改繪）Fig. 1 The sites of 239+240Pu samples in the East China Sea and adjacent waters (current modified from reference [3])

钚（Pu）是一種人工放射性元素，主要應(yīng)用于核武器的裂變材料以及核電廠的核燃料，也存在于輻照核燃料的產(chǎn)物中。由于20 世紀(jì)大規(guī)模的核試驗(yàn)（1945–1980 年進(jìn)行了543 次），使得239+240Pu 隨著大氣（平流層和對流層）沉降遍布全球，大約6.52 PBq（1 PBq = 1015Bq）的239Pu、5.35 PBq 的240Pu 和142 PBq的241Pu 被釋放到環(huán)境中[4]。2017 年10 月27 日世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機(jī)構(gòu)（IARC）把钚列在一類致癌物清單中，它對人類的健康構(gòu)成了潛在的威脅。雖然放射性核素239+240Pu 在環(huán)境中具有潛在的危害性，但是239+240Pu 在海洋沉積的示蹤中具有定年的可靠性特點(diǎn)[5]，是研究海洋沉積變化的重要示蹤劑之一。東海具有寬廣的大陸架，是研究放射性核素239+240Pu 等的重要場所[1–21]。雖然東海海域利用239+240Pu 在污染物堆積、跨境輸運(yùn)與生態(tài)動力學(xué)等方面已開展了相關(guān)研究（圖1，表1），但是這些研究分散且不系統(tǒng)，各環(huán)境要素之間的聯(lián)系缺乏綜合分析，尤其是對陸架海239+240Pu 的沉積過程更是缺乏探討。本文從大氣沉降到海水、生物體、沉積物捕獲器以及沉積物這5 個方面梳理東海大陸架及毗鄰區(qū)海域中已發(fā)表的239+240Pu比活度、240Pu/239Pu 原子比值和239+240Pu 累積通量或沉積通量等數(shù)據(jù)，探討239+240Pu 的現(xiàn)代沉積過程及研究進(jìn)展，以期為未來東海及毗鄰海域中239+240Pu 的深入研究提供一定的科學(xué)參考。

2 數(shù)據(jù)來源

從表1 可知樣品采集時間在1971–2019 年之間，前后近50 年通過原位觀測、走航、拖曳、錨系和剖面觀測等方法對東海及毗鄰區(qū)中的239+240Pu 進(jìn)行環(huán)境調(diào)查；共計有280 個采樣站位，研究區(qū)域基本覆蓋整個東海及毗鄰區(qū)海域。需要說明的是東海海域所研究的樣品主要側(cè)重于海水與沉積物，對大氣、生物體和沉積物捕獲器中239+240Pu 的研究較少。中國早在1981 年已經(jīng)在東海海域初步開展了海水中239+240Pu 來源的調(diào)查，并利用α 能譜儀測定海水中Pu 的比活度（Pu 可能是239+240Pu）。東海陸架區(qū)泥質(zhì)沉積物的分布呈現(xiàn)近岸多且厚，遠(yuǎn)岸淺且少的變化趨勢。在對東海大陸架樣品239+240Pu 的研究中，沉積物樣品（藍(lán)色點(diǎn)）多采集于東海大陸架近岸區(qū)，而海水樣品（紅色點(diǎn)）多采集于東海大陸架遠(yuǎn)岸區(qū)。研究還發(fā)現(xiàn)早期樣品中239+240Pu 的測定主要是利用α 能譜法，而近期樣品中239+240Pu 的測定主要是利用質(zhì)譜法（ICP-MS 或AMS），這與測定技術(shù)的發(fā)展和升級有關(guān)。在利用α 能譜法和ICP-MS 測定樣品中239+240Pu 比活度時，有研究發(fā)現(xiàn)兩者呈顯著正比關(guān)系（r2=0.98）并且斜率為0.988 9[14]，這表明兩種方法的測量結(jié)果差異不大，具有可比性。測定樣品中的239+240Pu 時，通過IAEA（SD-N-1、133A、327、368、375、376、384、395 或443 等）標(biāo)樣進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

表1 東海及毗鄰區(qū)239+240Pu 樣品的數(shù)據(jù)信息Table 1 Data information about 239+240Pu samples in the East China Sea and adjacent waters

3 東海中239+240Pu 的現(xiàn)代沉積過程

3.1 大氣中239+240Pu 的變化

東海及毗鄰區(qū)海域空氣中的239+240Pu，主要是來自于全球的大氣核試驗(yàn)沉降?？諝庵锌刂?39+240Pu 的濃度有5 大因素：再懸浮、全球飄塵事件、大火或有機(jī)物的燃燒、大規(guī)模的火山噴發(fā)和海霧飛沫效應(yīng)[22]。通過對空氣中239+240Pu 濃度的研究，有助于了解大氣沉降到海洋環(huán)境中239+240Pu 的變化趨勢。然而，當(dāng)前東海海域239+240Pu 大氣沉降的直接觀測極少，僅在長江口海域進(jìn)行了239+240Pu 濕沉降通量的間接計算，其值34.56 Bq/m2僅能夠代表東海30°～33°N 近岸海域239+240Pu 濕沉降通量的近似值[23]。從圖2 可知全球地表空氣（距地高度未詳）中預(yù)測的239+240Pu 濃度（1951–1980 年）、日本東京（1954–1982 年；35.7°N，139.5°E）和日本茨城縣那珂郡東海村（1961–1980 年；36.8°N，140.6°E）地表空氣中平均239+240Pu 濃度的變化趨勢[22]；主要表現(xiàn)為全球地表空氣中預(yù)測239+240Pu 的濃度要高于東京和東海村的，全球預(yù)測和東京地表空氣中239+240Pu 濃度峰值出現(xiàn)在1963 年，而東海村239+240Pu 濃度峰值出現(xiàn)在1964年（滯后了1 a）。另外，值得注意的是東海村曾在1999年9 月30 日發(fā)生了嚴(yán)重核（235U）臨界事故。日本東京和東海村大致與東海海域處于同一緯度圈（30°～40°N），其空氣中239+240Pu 濃度的變化趨勢，可以作為東海大氣中239+240Pu沉降變化的參考。當(dāng)然利用放射性核素大氣沉降的緯圈效應(yīng)，并通過線性模型計算出的長江口海域239+240Pu 濕沉降年變化趨勢也是在1963 年出現(xiàn)峰值[23]。深入的研究發(fā)現(xiàn)，239+240Pu 濕沉降與降雨量存在定量關(guān)系。例如，1994–2000 年在東海北部韓國安山市觀測降雨量（單位：mm）的對數(shù)（lnP）與雨水中239+240Pu 濃度（單位：mBq/m3）的對數(shù)ln239+240Pu呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系，即ln239+240Pu=-0.089 1×lnP+3.166（r=-0.76，n=71，p＜0.01）[13]。同時，在降雨中也發(fā)現(xiàn)雨水中l(wèi)n137Cs（單位： mBq/m3）與ln239+240Pu（ 單位：mBq/m3）也呈現(xiàn)顯著正相關(guān)的線性關(guān)系，即ln137Cs=0.196×ln239+240Pu+0.240 （r=0.88，n=16，p＜0.01）。這些相關(guān)關(guān)系對于認(rèn)識東海近年大氣中239+240Pu 的沉降與變化有一定的參考意義。

圖2 全球預(yù)測地表空氣與日本城市中239+240Pu 的濃度[22]Fig. 2 The concentrations of 239+240Pu in surface air form globally predicted and Japanese cities[22]

3.2 海水中239+240Pu 的變化

3.2.1 表層海水中239+240Pu 的變化

大氣沉降到東海及毗鄰海域海水中的239+240Pu 在海流或者渦流的作用下，主要以水平或者垂直的方式進(jìn)行遷移。在遷移的過程中被海水中的懸浮顆粒物或者生物體吸附，被沉積物捕獲器捕獲或者被生物體包裹，進(jìn)而沉積到海底。由于受到海水深度的影響，海水中239+240Pu 的沉積是一個隨時間變化的過程。在這個過程中，首先由天氣變化造成的海洋物理過程的變化，這可能是控制海水中239+240Pu 濃度分布變化的重要因素[1]。冬季相較于夏季東海表層海水中239+240Pu 濃度發(fā)生了明顯的變化，這可能是由于中等深度（500 m以下）富含239+240Pu 的海水在冬季上升所造成的[1]。與冬季相比，夏季239+240Pu 的平均濃度較低；夏季海水升溫會產(chǎn)生溫躍層，導(dǎo)致海水垂直混合較弱，阻止攜帶有239+240Pu 的顆粒物向表面或者淺層遷移。其次，長江徑流輸入可能是影響東海海水中239+240Pu 濃度分布的另一個重要因素。這是因?yàn)閿y帶有大量陸源顆粒物的長江沖淡水沿中國沿海向西南流動。東海表層水中的239+240Pu 可能受到來自海底沉積物中239+240Pu 的再懸浮或長江徑流的影響[1]。同時，也有研究表明，韓國河流每年向黃海輸入溶解239+240Pu 的通量為0.1×109Bq/a；顆粒物的通量為24.1×109Bq/a；總通量為24.2×109Bq/a[13]，這勢必對東海海水中239+240Pu 濃度分布產(chǎn)生一定的影響。再者，太平洋海域通過北赤道流和黑潮等輸運(yùn)到東海海域海水中的顆?；钚苑派湫院怂兀?10Pb、Th 和239+240Pu）也在東海大陸邊緣海海底沉積。

東海表層海水中239+240Pu 濃度隨時間（1980–2015 年）的變化呈現(xiàn)一定程度的下降趨勢，這與海水中239+240Pu的非保守性有關(guān)，在海水中239+240Pu 更易被顆粒物等清除（圖3a）。有研究表明，海水中溶解的239+240Pu 與懸浮顆粒物（SPM）存在顯著正相關(guān)的線性關(guān)系，即239+240Pu=32×SPM+20（n=42，r=0.71）[1]。在位于長江口最大懸濁帶外海海域的CB-23 和CB-29 站位[7]，海水表層樣品的239+240Pu 濃 度 分 別 為（84.3±4.6）mBq/m3和（61.3±5.8）mBq/m3（圖3a），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出同時期其他樣品中239+240Pu 濃度，這可能與長江徑流帶來高濃度懸沙的輸入有關(guān)。這兩個站位水柱中，239+240Pu 的累積通量分別為（4.2±0.5）Bq/m2和（2.8±0.2）Bq/m2，遠(yuǎn)低于同緯度239+240Pu 的大氣沉降通量（42 Bq/m2）。有研究表明，海水的深度與海水中239+240Pu 的累積通量呈現(xiàn)顯著的線性 正 相 關(guān) 性，即 深 度（Depth）=32×239+240Pu（Bq/m2）+20（n=12，r=0.94）[1]。由于CB-23 和CB-29 站位水深較淺（分別為57 m 和40 m[7]）和快速的邊界清除作用等，各種海洋因素疊加導(dǎo)致水柱中239+240Pu 的累積通量遠(yuǎn)低于30°N 大氣沉降的平均值。海水中240Pu/239Pu 原子比值，目前僅有10 個海水表層樣品（CB-23、CB-29、CB-49、DH32、DH51、PN05、DH02、DH05、DH23 和K6）進(jìn)行了研究，其范圍在（0.203±0.010）～（0.249±0.008），顯 然240Pu/239Pu 原 子 比 值 介 于0.18 到0.30 之間，這表明海水中不僅存在全球大氣沉降直接來源的239+240Pu（0.18），也有黑潮攜帶的來自太平洋核試驗(yàn)場（Pacific Proving Grounds，PPG）的相對高240Pu/239Pu 原子比值（0.33～0.36）的239+240Pu。最近的研究表明，攜帶有PPG 的239+240Pu 能夠輸運(yùn)到更遠(yuǎn)的高緯度北太平洋和白令海海域[24]。由于當(dāng)前東海海域表層海水中240Pu/239Pu 原子比值實(shí)測數(shù)據(jù)較少，20 多年海水中240Pu/239Pu 原子比值的變化趨勢不十分明顯（圖3b）。本文推測東海在受到各種環(huán)境因素（溫度、鹽度和pH 值等）的影響下，海水中239+240Pu 的來源處于一種混合后的平衡狀態(tài)（同時補(bǔ)充，同時清除）。當(dāng)然，未來東海海水中240Pu/239Pu 原子比值變化趨勢，仍需要更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證與分析。

圖3 東海及毗鄰區(qū)表層海水中239+240Pu 濃度與240Pu/239Pu 隨時間的變化Fig. 3 Changes of 239+240Pu concentration and 240Pu/239Pu in surface water of the East China Sea and adjacent waters over time

3.2.2 水柱中239+240Pu 的變化

海水中239+240Pu 主要存在2 種相態(tài)：溶解態(tài)和顆粒態(tài)。目前東海水柱中溶解態(tài)和顆粒態(tài)239+240Pu 的分布仍較少。由于海水中239+240Pu 地球化學(xué)特征的相似性，在日本海N2 站位發(fā)現(xiàn)同一水柱中不同相態(tài)239+240Pu 峰值所在層位深度并未重疊，而是存在差異[1]。東海水柱中239+240Pu 的這兩個相態(tài)是否也存在差異，有待進(jìn)一步研究。在不區(qū)分顆粒相與溶解相的情況下，東海水柱中239+240Pu 的分布呈現(xiàn)出3 種模式（圖4），這些分布模式主要與采樣站位水深和顆粒物濃度有一定的聯(lián)系。對于陸架近岸區(qū)，由于水深較淺，海水混合較為均勻，水柱中并未出現(xiàn)明顯峰值的特征。第一種情況是隨著水深的增加，239+240Pu 濃度減小，例如位于東海近岸區(qū)CB-17（水深71 m，圖4a）和CB-23（57 m）水柱[7]。第二種情況：隨著水深的增加，239+240Pu 的濃度增大，例如東海PN-8（水深80 m，圖4b）、PN-10（水深45 m）和PN-12（水深42 m）水柱[12]。需要說明的是相同深度間隔，深層海水采集的樣品個數(shù)較淺層海水采集的樣品個數(shù)少。這樣導(dǎo)致深層采樣密度較小，不利于觀察深層海水239+240Pu 濃度的變化趨勢。第三種分布模式，對于絕大多數(shù)水深超過500 m 的東海海域，239+240Pu 的濃度會出現(xiàn)峰值，這可能與不同深度海水中懸浮顆粒物的濃度有關(guān)[12]。目前東海海域已研究的水深超過1 000 m 水柱僅有CB-11（2 280 m，圖4c）柱樣，239+240Pu 的濃度峰值出現(xiàn)在550 m 水深的位置[7]。相似地，在南海STAESII 站位（3 840 m）也發(fā)現(xiàn)類似的隨著水深增加，239+240Pu的濃度峰值出現(xiàn)在500 m 水深的位置[25]，然后隨著深度增加239+240Pu 的濃度出現(xiàn)遞減的趨勢。然而，由于受到目前東海已研究水柱最大水深的限制，239+240Pu 濃度的分布是否還存在其他類型，仍待于進(jìn)一步的研究。

圖4 水柱中239+240Pu 濃度的分布特征[7,12]Fig. 4 Distribution of 239+240Pu concentration in different water columns[7,12]

有研究表明，海水中239+240Pu 濃度分布模式與海水的透光率或者顆粒物濃度有關(guān)[12]。懸浮顆粒物濃度越大，透光率越低；反之亦然。例如東海海水中239+240Pu濃度（mBq/m3）的垂直分布與透光率（LT）成反比，即239+240Pu=–12.896×LT+14.547（n=11，r=0.72）[12]。通過透光層深度變化可知，東海陸架中部海域（PN-8、PN-10 和PN-12）懸浮顆粒物的濃度在中層（20～40 m）達(dá)到最小值，然后隨深度急劇增加，在近海底層達(dá)到較高值[12]；尤其是在夏季和秋季東海大陸架的底部海水混濁層變得更厚，懸浮顆粒物的濃度增加。另外，需要說明的是，在幾乎相同的深度也觀察到了海洋密度躍層和懸浮顆粒的不連續(xù)層[12]。因此，懸浮顆粒物不連續(xù)層的出現(xiàn)，使得其與239+240Pu 濃度變化的相關(guān)關(guān)系變得更復(fù)雜。

對于東海海域水柱中239+240Pu 累積通量的研究，目前僅發(fā)現(xiàn)5 個水柱（CB-11、CB-15、CB-17、CB-23和CB-29）[7]，其累積通量范圍為（0.8±0.1）～（22.7±1.0）Bq/m2。這表明海水中仍有一定量的239+240Pu 存在，并未完全被清除而沉積到海底。

3.3 海洋生物體中239+240Pu 的變化

研究浮游動物體內(nèi)239Pu 或者239+240Pu 的目的，是因?yàn)樗鼈兡軌蚍从成持車Ｋ?39Pu 或者239+240Pu 濃度的變化。為了確定所分析生物體中人工放射性核素（137Cs 或者239+240Pu 等）的生物富集程度，通常假設(shè)在人工放射性核素的供體環(huán)境和受體之間建立了動態(tài)平衡，同時假設(shè)生物體對239+240Pu 的不同氧化態(tài)的吸收并沒有優(yōu)先順序[11]。目前，有關(guān)中國海域海洋生物體中239+240Pu 的研究尚少。東海近岸海域（31°N，126°E）僅在1996 年10 月走航觀測中采集了1 個站位的混合浮游動物樣品[11]，樣品中主要生物是中華哲水蚤（Calanus sinicus）。中華哲水蚤是一種小型海洋浮游動物，其作為經(jīng)濟(jì)魚類的餌料，主要分布在黃海和東海的近岸海域，是黃海、東海海域的優(yōu)勢種。通過測得中華哲水蚤樣品中239+240Pu 比活度為（0.148±0.014）mBq/g，從而定量計算東海浮游生物對239+240Pu 的富集因子（CF）為2.7×103[11]。由于受到該航次采集樣本數(shù)量的限制，東海浮游生物對239+240Pu 富集因子的變化范圍仍需要更多的樣品進(jìn)行分析。同時，該研究發(fā)現(xiàn)浮游動物中各物種的239Pu 或者239+240Pu 濃度與混合浮游動物測得239Pu 或者239+240Pu 濃度具有相似的變化趨勢，并表現(xiàn)在冷水區(qū)域239Pu 或者239+240Pu 濃度較高，在溫水區(qū)域239Pu 或者239+240Pu 濃度較低[11]。因此，可知高緯度的冷水區(qū)浮游動物體中239Pu 或者239+240Pu 的濃度較高[11]。也有研究表明，東海和沖繩海槽區(qū)的浮游生物、藻類和生物懸浮物對239+240Pu 的富集因子為103～105[6]，這些研究說明東海不同生物體對于239+240Pu 富集程度存在一定的差異[6,11]。由于東海生物體內(nèi)239+240Pu 的研究還處于起步階段，未來仍需要深入的研究。無獨(dú)有偶，在東海大陸架遠(yuǎn)海區(qū)石垣島珊瑚（1937–1997 年）和與論島珊瑚中也發(fā)現(xiàn)了239Pu 或者239+240Pu 的存在，并顯示出全球大氣沉降和PPG 兩個239+240Pu 來源的特征[26–27]。這表明239+240Pu 已經(jīng)入侵到生物的方方面面，無論是簡單生物體還是復(fù)雜生物體。

中華哲水蚤239+240Pu 比活度的研究，對了解海洋食物鏈中較低營養(yǎng)水平的生物體中是否存在239+240Pu 的富集有重要的意義。然而，目前對于東海海域食物鏈較高營養(yǎng)級生物體中239+240Pu 的研究還處于空白。東海是洄游性魚類的主要活動區(qū)域，例如東海小黃魚有4 個不同的種群，每個種群都有其獨(dú)特的越冬、產(chǎn)卵與索餌的洄游路線。高級生物體內(nèi)239+240Pu 比活度長時間尺度的研究主要是利用盒子模型[28]，模型中把大氣核爆空間分為4 層（平流層、對流層、海水淺層和深層，圖5a），并把每層作為獨(dú)立的空間，其中海水的淺層作為生物體主要活動空間。假設(shè)生物體在海水淺層洄游的路線是在相對固定的海水層位中，并假設(shè)生物體組織（例如圖5b 太平洋長鰭金槍魚，Thunnus alalunga）對239Pu 等核素響應(yīng)是足夠迅速。通過對盒子模型的應(yīng)用，可以了解不同空間放射性核素239Pu 或239+240Pu 的傳遞、損失與富集等過程，這對東海高營養(yǎng)級生物體（如經(jīng)濟(jì)魚類組織）中放射性核素的生態(tài)動力學(xué)研究有借鑒意義。

圖5 長鰭金槍魚組織中239Pu 比活度的變化[28]Fig. 5 Changes of the 239Pu specific activity in Thunnus alalunga tissues[28]

3.4 沉積物捕獲器中239+240Pu 的變化

東海沉積物捕獲器中239+240Pu 的研究數(shù)據(jù)較少，最早由日本研究者報道[9,29]。雖然目前東海及毗鄰區(qū)僅布設(shè)了一個沉積物捕獲器來研究239+240Pu 的時間序列變化，但這為未來東海其他海域沉積物捕獲器研究239+240Pu 提供了一個可能的參考。這是因?yàn)槭艿綉腋☆w粒物來源差異的影響，不同海域位置的沉積物捕獲器所接收顆粒物會有不同，顆粒物攜帶的239+240Pu 信息會存在差異，239+240Pu 時間序列也會相應(yīng)的變化。東海大陸架海域F4 站位（28.681°N，127.075°E）水深604 m，位于黑潮北向的主軸上（圖1）。1995 年10 月利用時間序列捕獲器在此站位連續(xù)觀測了17 d，其中第17個觀測日沉積物捕獲持續(xù)時間為6 h，其他都為12 h。捕獲器設(shè)置深度分別為502 m 和574 m；錨定離海底深度分別為102 m 和30 m，并假設(shè)捕獲器擺動幅度不影響其觀測結(jié)果或者影響忽略不計。

東海沉積物捕獲器中多層239+240Pu 比活度時間序列的研究非常典型[9,29]，該研究給出了不同層位239+240Pu 比活度和通量時間序列（圖6）。從圖6a 可知雖然沉積物捕獲器分別在502 m 和574 m 層位布放（兩者間隔72 m），但是測得的兩個時間序列239+240Pu比活度差異并不是十分的明顯，并且各時段239+240Pu 比活度也差異不大。然而，東海其他海域是否與F4 站位具有一致的239+240Pu 沉積特征，仍需要進(jìn)一步的研究。早期研究表明，長江流域輸入的239+240Pu 是東海大陸架海域沉積物中239+240Pu 累積的最主要原因[7,10]。從圖6b可知東海遠(yuǎn)岸海底沉積物捕獲器中239+240Pu 相對高的累積通量值，歸因于沉積顆粒物沿大陸坡霧濁層的向下流動，沉積顆粒物周期性橫向輸運(yùn)的結(jié)果[9,29]。因此，沉積顆粒物的橫向擴(kuò)散也是東海陸架中239+240Pu 累積的重要原因。需要說明的是，這種橫向輸運(yùn)可能并非持續(xù)的過程，而是一個瞬態(tài)過程。因此，239+240Pu 累積通量值具有很高的可變性（圖6b）。沉積物捕獲器中239+240Pu 累積通量與顆粒物的總質(zhì)量通量呈現(xiàn)顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，即239+240Pu 通量=3.157×顆粒物的總質(zhì)量通量+0.737（n=32，r=0.97）[9]。沉積物捕獲器設(shè)置的深度對沉積物捕獲器獲得的239+240Pu 顆粒物累積通量存在一定的影響[9,29]，但對239+240Pu 的表觀停留時間沒有影響。

圖6 比較不同深度海水中239+240Pu 比活度和累積通量時間序列[9,29]Fig. 6 Compare the specific activity and flux time series of 239+240Pu specific activity in seawater at different depths[9,29]

東海大陸邊緣的總質(zhì)量通量變化較大與內(nèi)潮有關(guān)，內(nèi)潮通常從大陸架邊緣向中坡發(fā)展[9,29]。內(nèi)潮使得東海大陸架邊緣的239+240Pu 累積通量有明顯的增加趨勢，且在海底附近尤為明顯。另外，對東海大陸坡上的239+240Pu 橫向輸運(yùn)過程認(rèn)識非常重要，這是因?yàn)榇箨懫率沁B接大陸架和大陸隆過渡帶。利用239+240Pu 來研究污染物通過陸坡向深海的輸運(yùn)過程仍是空白，東海大陸邊緣239+240Pu 詳細(xì)的輸運(yùn)機(jī)制仍需要進(jìn)一步的數(shù)據(jù)來證實(shí)。

3.5 海底沉積物中239+240Pu 的變化

3.5.1 表層沉積物中239+240Pu 的變化

東海及毗鄰海域表層沉積物的239+240Pu 比活度與240Pu/239Pu 原子比值的研究較多，其中239+240Pu 比活度范圍在（0.008±0.006）～3.021 mBq/g 之間，位于杭州灣出?？谔嶤3 站位的239+240Pu 比活度最小，而位于臺灣省東北部沖繩海槽南端590-22 站位的239+240Pu 比活度最大。表層沉積物中240Pu/239Pu 原子比值范圍在（0.158±0.022）～（0.297±0.042）之間，其中位于長江口南側(cè)M1站位的240Pu/239Pu 比值最小，臺灣暖流北上方向H4 站位的240Pu/239Pu 比值最大。除了浙閩沿岸流近岸區(qū)的M1 站位和D1 站位的原子比值低于0.18外（圖7）[18]，其他116 個240Pu/239Pu 原子比值數(shù)據(jù)基本上介于0.18～0.30 之間，這表明全球大氣沉降（0.18）和PPG（0.33～0.36）輸入的239+240Pu 是東海海域中239+240Pu的兩個主要來源。進(jìn)而，通過簡單的兩端元模型[30]就可以計算出東海表層沉積物中不同239+240Pu 來源的比例。

圖7 東海及毗鄰區(qū)表層沉積物中239+240Pu 比活度與240Pu/239Pu 的相關(guān)關(guān)系Fig. 7 The relationship between 239+240Pu specific activity and 240Pu/239Pu in surface sediments of the East China Sea and adjacent waters

通過對東海大陸架表層沉積物中239+240Pu 比活度與240Pu/239Pu 原子比值擬合發(fā)現(xiàn)，沉積物樣品的采樣時間雖然不同，但是兩者之間的關(guān)系仍表現(xiàn)出顯著的線性關(guān)系。兩者之間線性關(guān)系具有分段模式，這不同于以往在東海近岸海域少量表層沉積物樣本的研究：表層沉積物中240Pu/239Pu 原子比值與239+240Pu 比活度的倒數(shù)呈現(xiàn)負(fù)的相關(guān)關(guān)系（240Pu/239Pu=–0.001 7×1/239+240Pu+0.254，n=74，r=0.51）[17,20]。從圖7 可知當(dāng)239+240Pu 比活度小于1 mBq/g 時，240Pu/239Pu 原子比值與239+240Pu 比活度呈現(xiàn)顯著的線性正相關(guān)（240Pu/239Pu= 0.072×239+240Pu +0.227，n=108，r=0.42）；當(dāng)239+240Pu 比活度大于1 mBq/g時，240Pu/239Pu 原子比值與239+240Pu 比活度呈現(xiàn)顯著的線性負(fù)相關(guān)（240Pu/239Pu =–0.014×239+240Pu +0.256，n=11，r=0.47）。表層沉積物中239+240Pu 比活度在1 mBq/g 左右時，240Pu/239Pu 原子比值與239+240Pu 比活度的線性關(guān)系出現(xiàn)拐點(diǎn)，其原因仍需要更多數(shù)據(jù)去驗(yàn)證。本文認(rèn)為表層沉積物采樣時間基本在全球大氣核試驗(yàn)的高峰期（20 世紀(jì)60 年代）后，表層沉積物中的239+240Pu 是海水中239+240Pu 長時間混合與沉積的結(jié)果。因此，表層沉積物中的239+240Pu 是不同年代不同來源239+240Pu 的混合產(chǎn)物。還有研究表明，懸浮顆粒物的橫向或者側(cè)向輸運(yùn)導(dǎo)致了表層沉積物中239+240Pu 來源的復(fù)雜性[9,29]。根據(jù)現(xiàn)有的240Pu/239Pu 原子比值數(shù)據(jù)，本研究認(rèn)為存在兩種或以上的海流能夠在水深相對較淺的東海及毗鄰區(qū)海底區(qū)疊加交匯，那么最有可能是臺灣暖流與黑潮底層分支流在以H4 站位為中心的區(qū)域交匯（圖1 黑色虛線站位590-22→站位H4→站位M1）。有研究表明，中國臺灣東北部確實(shí)存在黑潮底層分支流，并向東海陸架區(qū)入侵[31]。另外，利用239+240Pu 很難說明黑潮邊緣交換過程[18]，這是因?yàn)楹诔边吘壏秶约敖粨Q的作用機(jī)制目前還非常模糊。

3.5.2 沉積物柱樣中239+240Pu 的變化

對于沉積物柱樣中239+240Pu 的垂直分布，在相對穩(wěn)定的沉積環(huán)境中主要有3 種模式[5]，這種分布特征在東海大陸架均有發(fā)現(xiàn)[15–16,20]。從近岸到遠(yuǎn)海，東海大陸架海域柱樣中239+240Pu 的分布呈現(xiàn)雙峰（多峰）、單峰和無峰的模式（圖8）；239+240Pu 分布的單峰模式與大氣沉降表面空氣中239+240Pu 濃度的變化趨勢一致（圖2）。利用沉積物柱樣中239+240Pu 的分布特征，可以進(jìn)行定年?，F(xiàn)代沉積速率的分布可反映沉積強(qiáng)度、物質(zhì)來源和沉積環(huán)境穩(wěn)定性[32]。然而，沉積物中放射性核素239+240Pu 在被生物擾動時，可能影響其在沉積物中的分布特征。由于沉積物中孔隙度、生物擾動以及風(fēng)暴潮等多重因素的影響，使得沉積物柱樣中239+240Pu 的分布可能出現(xiàn)混合或者向下遷移[33]。

目前東海及毗鄰區(qū)已經(jīng)研究了58 根239+240Pu 柱樣，根據(jù)柱樣中239+240Pu 的分布特征和沉積環(huán)境類型，本文選取比較典型的3 根柱樣為SC07（水深14 m，圖8a）、DH1（圖8b）和SST1（水深1 080 m，圖8c）柱樣，分別位于長江口水下三角洲、東海陸架區(qū)和沖繩海槽。首先是這3 根柱樣239+240Pu 的埋藏深度不同，從近岸到遠(yuǎn)海有遞減的趨勢，239+240Pu 蓄積峰的數(shù)量也從多到少的變化。其次是這3 根柱樣中239+240Pu 的沉積通量分別為（407±27）Bq/m2、108.5 Bq/m2和（47±1.2）Bq/m2，柱樣中239+240Pu 的沉積通量也有從近岸到遠(yuǎn)海遞減的趨勢。利用兩端元模型計算出柱樣中PPG 來源239+240Pu的比例分別為40%、41%和（49±16）%，這說明東海大陸架一定小區(qū)域內(nèi)柱樣中來自于PPG 的239+240Pu 比例空間差異不大[29]。目前已經(jīng)研究僅有的27 根柱樣（集中在長江口近岸海域）中239+240Pu 沉積通量的范圍在（1.9±0.1）～（675±6.7）Bq/m2之間，平均值為148.5 Bq/m2，是20°～40°N 全球大氣沉降平均值39 Bq/m2的3.8倍[4]，這說明長江口泥質(zhì)沉積區(qū)是東海大陸架沉積的匯。另外需要說明的是，也有26%的沉積物柱樣中239+240Pu 沉積通量低于平均值，這表明長江口水動力條件使得部分柱樣中239+240Pu 的累積受到影響。

圖8 東海及毗鄰區(qū)沉積物柱樣中239+240Pu 比活度的分布特征[15-16,20]Fig. 8 Vertical Distributions of 239+240Pu specific activity in sediment cores of the East China Sea and adjacent waters[15-16,20]

柱樣中239+240Pu 的沉積通量能夠響應(yīng)或者示蹤流域輸入沉積物的變化。長江每年將大約5×108t 沉積物直接排入東海，長江輸送的沉積物約有40%沉積在30°N 以北的內(nèi)陸架上[2]。東海及毗鄰區(qū)沉柱樣中239+240Pu 沉積通量的大小，除受到長江等河流徑流的影響外[1]，邊界清除過程（沉積速率、細(xì)顆粒物質(zhì)的橫向輸送、有機(jī)物質(zhì)的濃度和粒徑）也是239+240Pu 輸運(yùn)沉積到東海及毗鄰區(qū)的主要原因。有研究表明，沉積物中的239+240Pu 沉積通量與水深成反比，并且與沉積物累積速率成正相關(guān)[11]。

在利用盒子模型估算東海不同區(qū)域沉積物中239+240Pu 絕對含量時[2,10,18]，通常根據(jù)東海陸架區(qū)的沉積環(huán)境特征進(jìn)行分區(qū)。Huh 和Su[2]按照礦物學(xué)特征把東海大陸架分為內(nèi)陸架、中陸架和外陸架。從內(nèi)陸架到外陸架，239+240Pu 沉積通量呈現(xiàn)從266.7 Bq/m2到33.3 Bq/m2遞減的變化趨勢[2]。2002 年Su 和Huh[10]對東海及毗鄰區(qū)的分區(qū)進(jìn)行了改進(jìn)，分為河口區(qū)、內(nèi)陸架、外陸架和斜坡區(qū)。東海沉積物中的礦物學(xué)和粒度等特征分布，是受到地形和水動力條件等綜合作用的影響[2,10]。而后，Wang 等[18]根據(jù)東海沉積物粒度分布特征把東海所研究的采樣區(qū)域大致分為4 個區(qū)域，結(jié)果表明，長江口及其浙閩沿岸海域中239+240Pu 的沉積通量占到整個東海239+240Pu 總量的80%左右。另外，東海沉積物中239+240Pu 沉積通量相對高的異常變化，是否受到來自于中國核試驗(yàn)區(qū)沙漠飄來的黃沙沉降的影響，仍需要深入的研究[34]。黃河徑流泥沙長距離輸運(yùn)或者擴(kuò)散到東海及毗鄰區(qū)沉積物中239+240Pu 的貢獻(xiàn)，也需要深入的探討[10]。有研究發(fā)現(xiàn)東海沉積物中241Am/239+240Pu 活度比值（1.0～1.9）遠(yuǎn)高于全球大氣沉降241Am/239+240Pu 活度比值（0.37），這說明241Am 從水柱中的清除比239+240Pu 更快[1]。因此，利用多種放射性核素（137Cs、241Am 和239+240Pu 等）研究東海沉積物的遷移，有助于對東?，F(xiàn)代沉積過程的深入認(rèn)識。

4 結(jié)語

（1）長江口海域239+240Pu 的沉降趨勢與全球表面空氣中239+240Pu 變化趨勢一致，在1963 年達(dá)到高峰；然而，相同緯度不同城市中觀測239+240Pu 的沉降峰值年可能會出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。

（2）東海海水中239+240Pu 濃度受到長江沖淡水、浙閩沿岸流、臺灣暖流、黑潮主流以及上升流等的影響，239+240Pu 濃度的變化與清除作用相關(guān)，240Pu/239Pu 原子比值隨時間的變化趨勢不十分明顯。海水中239+240Pu 濃度的分布主要有3 種模式：遞減、遞增或先增后減。

（3）利用盒子模型能夠初步揭示生物體中239Pu 或239+240Pu 生態(tài)動力學(xué)特征以及系統(tǒng)了解不同空間放射性核素239Pu 或239+240Pu 的傳遞、損失與富集等過程。

（4）東海大陸架表層沉積物239+240Pu 比活度范圍在（0.008±0.006）～3.021 mBq/g 之間；240Pu/239Pu 原子比值范圍在（0.158±0.022）～（0.297±0.042）之間。東海大陸架沉積物柱樣中239+240Pu 的埋藏深度從近岸到遠(yuǎn)海有降低的趨勢，分布呈現(xiàn)從雙峰（多峰）、單峰到無峰的特征。柱樣中239+240Pu 沉積通量的范圍在（1.9±0.1）～（675±6.7）Bq/m2之間。從長江口到東海大陸架，再到?jīng)_繩海槽，太平洋核試驗(yàn)場攜帶的239+240Pu 比例均值在40%左右，空間差異不顯著。

致謝：感謝中山大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院王東曉教授和劉維亮教授以及南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院潘少明教授、中山大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院佟子達(dá)博士和孫曉明教授的支持。