长江口及邻近海域细颗粒沉积物中重金属的空间分布及沉积通量

陈彬，范德江*，郭志刚，王亮，李巍然

（1.中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东青岛 266000；2.复旦大学环境科学与工程系，上海 200433）

长江口及邻近海域细颗粒沉积物中重金属的空间分布及沉积通量

陈彬1，范德江1*，郭志刚2，王亮1，李巍然1

（1.中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东青岛 266000；2.复旦大学环境科学与工程系，上海 200433）

长江每年输送大量的泥沙进入东海，其中细颗粒沉积物具有搬运距离远、扩散范围大的特点，成为示踪河口及近海沉积物源汇过程的良好载体。本文基于采自长江口及邻近海域的44个表层沉积物样品，分析了细颗粒组分中重金属的空间分布和沉积通量，探讨了重金属来源和搬运沉积过程。研究表明：长江口及邻近海域细颗粒沉积物中Cu、Cr、Ni、V和Zn含量、沉积通量的空间分布具有高度的相似性，总体表现为长江口及浙闽沿岸高，向外急剧降低；该区细颗粒沉积物中的重金属主要来自长江，入海后向两个方向扩散，其一为向西南方向扩散，沉积于内陆架泥质区；其二是向东的跨陆架输送，沉积于长江冲淡水影响的海域。从长江口向西南方向的输送和沉积是长江入海重金属最重要的汇。

长江口；东海；表层沉积物；重金属；沉积通量；源汇过程

1 引言

陆架海是陆海相互作用过程中沉积物源汇过程的重要节点，一方面，河流携带的沉积物在河口和近海迅速沉积，使之成为沉积物的主要汇集场所；另一方面，进入陆架的沉积物可能跨过陆架进入陆坡、深海，在此过程中陆架起到了中继站的作用［1］。经由河流进入陆架的细颗粒沉积物能较长时间地悬浮在水体中，并随着海洋水团运动被搬运，具有搬运距离远、扩散范围大的特点，因而这部分细颗粒沉积物成为了解和示踪陆架沉积物源汇过程的良好载体。据统计，世界上输沙量排名前10位的河流输入海洋的颗粒物就占据了全部河流输入海洋颗粒物的40%，其中长江和黄河占据了中国河流输入海洋颗粒物的64%。重金属多数以颗粒态形式经由河流输入到海洋［2—6］。前人研究表明，河流输入海洋的重金属主要富集在小于63μm的细颗粒沉积物中，它们一起被搬运，并最终在水动力较弱的环境下沉积［7—8］。由于重金属化学性质的特点，在海洋中的搬运和沉积属于化学保守过程，因而研究细颗粒沉积物中重金属的空间分布能为了解重金属在水体中的传输过程进而更好了解大河沉积物的源汇过程提供重要参考［6，8］。

东海是典型的大河控制下的陆架边缘海，世界第四大河流—长江每年携带大量的水沙、重金属等物质进入东海，对长江三角洲和邻近海域沉积作用以及生态环境都有着重要的影响［9—10］。虽然前人在长江入海物质源汇过程进行了卓有成效的研究，得到了长江入海沉积物主要受到该海域海洋环流体系控制、具有明显的“夏储冬输”的基本认识［11］，并认为长江来源沉积物主要沉积于长江水下三角洲、东海内陆架海域［10］。前人研究也表明来自废黄河的沉积物也对长江口以及邻近海域具有一定的影响，认为黄河沉积物可以进入长江水下三角洲以及广大的黄海沿岸流影响海域［12—13］。由于长江口海域海洋环流的复杂性，对长江入海沉积物的源汇过程及其机理尚未完全清楚。为此，开展了长江口以及邻近海域细颗粒表层沉积物中重金属的研究，查明重金属的空间分布和沉积通量，分析长江入海沉积物的输送和扩散过程，为深入了解中国近海陆海相互作用以及沉积物源汇过程提供科学依据。

2 研究区概况

研究区域的范围为26.2°～32.0°N，120.8°～126.0°E（图1）。区内水深变化范围为0～200 m，由近岸向东深度逐渐增加。泥质沉积区主要分布在80 m等深线内，而在80 m等深线外则广泛分布着残留砂［14—15］。

长江是流入研究区的最大河流，其年输沙量和年径流量分别为4.8×108t和9.30×1011m3［10，16］。除长江外，流入研究区的还有一系列相对小型的河流，如钱塘江、曹娥江、甬江、椒江、瓯江、飞云江和交溪等。这些河流主要分布在浙江省，其总的流域面积、入海泥沙量和径流量分别为8.55×104km2、17.9× 106t和659.6×108m3。其入海泥沙量和径流量仅占长江入海泥沙量和径流量的3.7%和7.1%，表明长江是流入研究区内的主导性河流［17—18］。研究区海洋动力环境复杂，发育有台湾暖流、长江冲淡水、闽浙沿岸流、黄海沿岸流［10，14，19］。台湾暖流发源于台湾以北的海域沿闽浙沿岸等深线50～60 m向北流动，一般不会超过32°N，台湾暖流流速一般大于20 cm／s［19］。闽浙沿岸流是东海最重要的沿岸流系，由长江、钱塘江、闽江等河流的入海径流与附近海水混合而成，夏季流向为由南向北，而冬季则相反，流速基本保持在20 cm／s［19］。长江冲淡水是来自长江的巨量的淡水与海水混合而成的水体，其核心部分盐度为26，边界部分为30，在冬季冲淡水被“拘束”在东海近岸，在夏季冲淡水分为两股，一股沿着东海海岸向南流动，另一股向东北方向流动［20—21］。黄海沿岸流大致沿海州湾外40～50 m等深线向南流，在33～32°N流向东南，但有时其前锋可以影响到30°N，冬季流速明显高于夏季［22—23］。

3 材料和研究方法

3.1 样品采集

本研究所采用的沉积物样品为2010年10月“东方红2号”执行国家自然科学基金委员会东海海洋学综合考察公共航次期间采集的。使用箱式取样器采集表层沉积物，取表层0～5 cm的沉积物作为表层样品。样品采集后保存于聚乙烯瓶中，室温保存，待用。共获得45个表层沉积物样品，其站位见图1。

图1 东海表层沉积物调查站位图Fig.1 Map showing study areas and sampling sites in the East China Sea

3.2 分析方法

首先，提取小于63μm的细颗粒沉积物，取适量样品，使用63μm尼龙筛过筛［24］，筛下部分在106°C烘干，研磨至200目以下，备用。

样品前处理依据海洋沉积物重金属分析程序进行（国家海洋局分析规范）［25］。准确称量50.00 mg的表层沉积物样品，样品转移至消解管中，加入4 mL HNO3和3 mL HF后，在微波消解仪中进行消解，消解后的样品转移至四氟罐中，在180℃下烘至近干，后转移至离心管中，用2%稀硝酸稀释至10 mL，沉淀48 h以上，提取上部2 m L上清液，稀释50倍，供上机测试使用。样品前处理中所用试剂均为优纯级，使用的水为超纯水。

分析测试使用仪器为ICP-AES（法国JOBINYVON公司ULTIMA型），测试样品中的Cu、Cr、Ni、V和Zn浓度。使用加拿大的国家沉积物标准样品（BCSS-1）进行质量控制，在每12个样品中加入一个标样。标样中Cu、Cr、Ni、V和Zn的回收率均在80%～120%之间。该分析在上海复旦大学环境工程系完成。

4 结果和讨论

4.1 重金属的空间分布

研究区Cu、Cr、Ni、V和Zn含量变化大，其最大值与最小值的比值分别是3.15、2.04、2.20、1.73和1.93，平均值介于25～130μg／g之间，见表1。

表1 研究区重金属Cu、Cr、Ni、V和Zn含量统计特征Tab.1 Statistical character of heavy metals concentration in the fine-grained sediments from the areas

研究区Cu含量的高值区出现在浙闽泥质区的北部S20站，次高值区出现在长江口外S15站附近，最小值出现在闽浙沿岸泥质区南部外侧的S44站，总体上呈近岸高、远岸低，北部低、南部高的特点（见图2）。Cr的空间分布与Cu有所不同，其高值区出现在北部S14站附近，次高值区出现在闽浙沿岸泥质区，最小值出现在闽浙沿岸泥质区北部外侧的S28站，总体上呈现近岸高、远岸低，北部高、南部低的空间分布特点。Ni的高值区出现在北部S15站附近，次高值区出现在闽浙沿岸泥质区，最小值出现在闽浙沿岸泥质区中部外侧的S31站，总体上呈现出近岸高、远岸低，北部高，南部低的特点。V的高值区出现在东海北部S15站附近，次高值区出现在闽浙沿岸泥质区；虽然最小值出现在长江口外的S7站，但主要的低值区出现在闽浙沿岸泥质区外侧；其空间分布总体上呈现在近岸高、远岸低，北部高、南部低的特点。Zn的高值区出现在北部海域S14站附近，次高值区出现在闽浙沿岸泥质区，最小值出现在闽浙沿岸泥质区中部外侧S32站，总体上近岸高、远岸低，北部高、南部低的特点。

总体而言，重金属Cu、Cr、Ni、V和Zn的含量分布具有基本相似的规律，出现两个高值区，其一位于浙闽近岸泥质区，该高值区特点与前人研究全样得到的重金属分布一致［9，26—27］；其二位于长江口外扬子浅滩处，这是前人基于全样研究不同之处。两个高值区中，除了Cu元素在浙闽近岸高于北部外，其他重金属元素在扬子浅滩的含量高于浙闽近岸泥质区。

4.2 重金属的沉积通量估算

研究区域内重金属的沉积通量的计算参考东海内陆架海域的多环芳烃埋藏通量的计算方法［28］。计算公式如下：

式中，Ci代表的该站位的细颗粒沉积物中重金属的含量；d代表的是细颗粒组分的干密度，取其值0.75 g／cm3［27］；pi代表的是该站位的沉积速率；k代表该站位的细颗粒沉积物占整个沉积物的体积比例。沉积速率pi采用公开发表文章中所给出沉积速率［29—33］，其具体数值见表2。k的数据来源于激光粒度仪测定的细颗粒沉积物（粉砂和黏土）占沉积物的比例［34］。需要说明的是，由于我们是采用表层0～5 cm沉积物中重金属含量，结合该处的沉积速率来计算重金属的沉积通量，得到数值代表了当前的沉积通量。

根据式（1）我们得到研究区域重金属的的沉积通量，其空间分布如图3所示。研究区Cu、Cr、Ni、V和Zn的沉积通量的变化范围很大，其最大值与最小值的比值分别为304.8，157.1，177.1，179.2和172.8，而各个元素的标准偏差值表明了不同站位之间相同元素沉积通量差别，具体结果见表3。

图2 研究区细颗粒沉积物中Cu、Cr、Ni、V和Zn含量的空间分布Fig.2 Spatial distribution of heavy metals concentration of the fine-grained surface sediments in the areas

表2 本研究区各个站位沉积速率值Tab.2 Sedimentary rates of the survey stations in the study areas

续表2

表3 研究区内Cu、Cr、Ni、V和Zn沉积通量统计特征Tab.3 Statistical character of sedimentary flux of heavy metals in the areas

重金属元素Cu、Cr、Ni、V和Zn的沉积通量的分布具有高度的相似性，高值区见于长江口外泥质沉积区、浙闽泥质沉积区，而最高值区见于长江口外的泥质沉积区。从该高值区处向陆架方向则急剧降低（见图3）。从重金属沉积通量分布图上，我们可以发现该区域存在从外陆架向长江口方向延伸的舌状低值区，它的分布位置与台湾暖流的分支一致［35］。

4.3 细颗粒沉积物中重金属的源汇过程分析

4.3.1 重金属来源分析

前人沉积物物源研究表明研究区沉积物主要来自长江，但是受到黄河源沉积物的影响［12］。依据前人长江、黄河源沉积物地球化学研究成果，本文尝试V、Cr和Ni 3种微量元素的组成进行细颗粒沉积物来源分析（参考样品的含量和标准偏差见表4）［13，36－37］。研究区所有站位该3种元素的组成皆落在长江沉积物范围内，且与黄河沉积物有着明显的差别，这表明研究区细颗粒沉积物以及其中的重金属主要来自长江（见图4）。

4.3.2 重金属的搬运和沉积过程

来自长江的细颗粒沉积物以及其中的重金属，随着海洋动力作用向远处搬运和扩散，并最终发生沉积，构成底质沉积物。反言之，通过底质细颗粒沉积物中重金属的分布，可以追踪长江入海物质的搬运路径、扩散范围。

图3 研究区细颗粒沉积物中Cu、Cr、Ni、V和Zn沉积通量的空间分布Fig.3 Spatial distribution of heavy metals sedimentary flux of the fine-grained sediments in the areas

前人研究表明，进入东海的长江沉积物大部分沉积在长江水下三角洲处，并形成了长江水下三角洲；另一部分沉积物在浙闽沿岸流的作用下向南搬运，并沉积于内陆架，形成了该处的浙闽沿岸泥质沉积体［10］。因为台湾暖流的阻隔作用，长江入海沉积物被限制在长江口和东海内陆架［25］。细颗粒沉积物中沉积通量的空间分布很好地揭示了长江沉积物的扩散沉积情况，这些沉积物主要沉积于长江口水下三角洲，其次是浙闽沿岸的内陆架海区（见图3），这与前人的研究结果一致，说明它们主要受到长江河口羽状流、浙闽沿岸流的两大沉积动力因素制约。细颗粒沉积物中的重金属通量空间分布也清晰地反映了台湾暖流对长江来源物质的阻隔作用，它使得重金属被局限在123°E以西的海域，且随着台湾暖流分支的向北延伸，形成了一条从外陆架向长江口方向延伸的舌状重金属通量低值区（见图3）。

图4 细颗粒沉积物中重金属含量特征与长江和黄河含量特征的对比Fig.4 Comparison between character of element composition of the fine-grained sediment in the study areas and that of sediment from the Changjiang River and Yellow River

表4 本研究引用的长江和黄河沉积物中重金属含量数值Tab.4 Concentration of heavy metals in the sediments from the Changjiang and Yellow rivers

长江冲淡水团是该海域重要的海洋学现象，它出现在夏季长江丰水期时段，发端于长江口，先向东北、后转向东南进入黄海沿岸流作用区，以低盐、相对较高的悬浮体含量为特点［38］。在长江特大洪水期间，该冲淡水水团甚至能穿越对马海峡到达日本海［39—41］。但是，关于该水团对长江沉积物的搬运和沉积作用并不清楚。细颗粒沉积物中重金属含量的空间分布显示了该区异常高值，而这些重金属又具有明显的长江来源性质，这表明长江冲淡水确实携带了一部分细颗粒沉积物进入黄海沿岸流作用区，这些沉积物发生沿途沉积，使得该区的沉积中混入了长江来源的物质。由于长江冲淡水是漂浮在海洋的表层，可以推断它们所携带的沉积物更加细小，这些细小的沉积物对重金属的携带能力更强，所以该处细颗粒沉积物中重金属的含量为整个研究区中最高的。细颗粒沉积物中重金属沉积通量空间分布显示冲淡水影响区没有出现高值，这与该区较低的沉积速率有关。

综上所述，长江进入东海的重金属包括两个扩散和沉积方向，其一是向西南方向输送，沉积于浙闽沿岸泥质带；其二是向东的跨陆架输送，沉积于长江冲淡水影响的海域。这两个方向的细颗粒沉积物沉积通量之比为10.2～13，表明向西南方向的输送和沉积是长江入海重金属最重要的汇。

5 结论

（1）长江口及邻近海域表层细颗粒沉积物中Cu、Cr、Ni、V和Zn含量的空间分布具有相似的变化规律，出现两个高值区，其一见于浙闽沿岸内陆架泥质区，另一个出现于长江口外扬子浅滩附近。

（2）长江口及邻近海域表层细颗粒沉积物中Cu、Cr、Ni、V和Zn的沉积通量的空间分布具有高度的一致性，浙闽沿岸泥质区高，向外急剧降低。

（3）该区表层细颗粒沉积物中的重金属主要来自长江，入海后具有两个扩散方向，其一为向西南方向扩散，沉积于内陆架泥质区；其二是向东的跨陆架输送，沉积于长江冲淡水影响的海域。从长江口向西南方向的输送和沉积是长江入海重金属最重要的汇。

致谢：首先感谢国家自然科学基金委员会组织的2010年夏季长江口及东海海洋学综合调查公共航次全体队员和船员，在他们协助下获得本研究所需的沉积物样品；感谢复旦大学环境科学与工程学院在样品分析方面的支持，特别感谢徐剑、马传良、王峰文、李媛媛和郭琳等同学在实验过程中给予的帮助！

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Heavy metals distribution patterns and sedimentary fluxes in fine-grained sediments in the Changjiang Estuary and its adjacent areas

Chen Bin1，Fan Dejiang1，Guo Zhigang2，Wang Liang1，Li Weiran1
（1.Key Lab of Submarine Geosciences and Technology in the Ministry of Education，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.Department of Environmental Science and Engineering，Fudan University，Shanghai 200433，China）

The Changjiang River discharges large amounts of fine-grained sediments into the East China Sea（ECS）each year.Fine-grained sediment transports far distance and spreads widely when it enter the continental shelf，which makes it an excellent archive to explore the source to sink of sediment from river to continental shelf.In this paper，the ICP-AES method was used to determine the concentration of heavy metals of fine-grained surface sediments of 44 samples collected in the Changjiang Estuary and its adjacent areas.The spatial distribution patterns，sedimentary fluxes，and source to sink of these elements were discussed.The results show：（1）the spatial distribution patterns and sedimentary fluxes of heavy metals in the area are similar，which have high values in the Changjiang Estuary and the inner mud shelf，decreasing dramatically in southeastern direction；（2）The heavy metals in the fine-grained sediments in the study areas mainly originate from the Changjiang River；then they disperse in two ways，one along the inner shelf outside the Zhe-Min coast，the other along the Changjiang River diluted water spreading area and into the outer continental shelf.Our results suggest that the sub-aquatic Changjiang River delta and the inner shelf of ECS are dominant sinks for the heavy metals from the Changjiang River.

the Changjiang Estuary；the East China Sea；surface sediment；heavy metal；sedimentary flux；source to sink

P736.21

A

0253-4193（2014）11-0101-10

2013-12-09；

2014-08-09。

国家自然科学基金项目（41376055，41376051，41030856）；国家重点基础研究发展计划项目（2010CB951202）。

陈彬（1985—），男，山东省聊城市人，博士生，从事海洋沉积学和沉积地球化学研究。E-mail：jinc_bin＠163.com

*通信作者：范德江（1965—），男，教授，博士生导师，从事海洋沉积学和沉积地球化学研究。E-mail：djfan＠ouc.edu.cn

陈彬，范德江，郭志刚，等.长江口及邻近海域细颗粒沉积物中重金属的空间分布及沉积通量［J］.海洋学报，2014，36（11）：101－110，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.11.012

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