黄河口新生湿地沉积物放射性核素及其对沉积过程变化指示作用解析

王启栋,宋金明,李学刚,袁华茂,李宁,曹磊

1) 中国科学院海洋研究所生态与环境科学重点实验室,山东青岛,266071； 2) 中国科学院大学,北京,100049

内容提要:为探讨放射性核素对沉积速率、沉积环境变化以及重大环境历史事件的指示作用,本文首次报道了用HPGeγ谱仪测定黄河口新生湿地柱状沉积物中6种放射性核素活度的结果,并根据137Cs的垂直分布估算了沉积速率,探讨了放射性核素与有机质的关系及其垂直变化与沉积过程变化的对应关系。结果表明,黄河口新生湿地柱状沉积物中6种放射性核素的平均比活度分别为40K (687.33±54.59)Bq/kg、137Cs(8.60±1.35)Bq/kg、226Ra(29.96±4.23)Bq/kg、228Ra(69.96±6.63)Bq/kg、228Th(45.35±4.58)Bq/kg和238U(60.52±15.37)Bq/kg,与其他区域相比,黄河口新生湿地137Cs、238U含量偏高。除137Cs外,其他5种核素均与TOC呈显著正相关,表明有机质有利于核素在沉积物中的保留。137Cs的垂直分布与黄河口净造陆速率的年际变化具有一致性,据此估算获得近20年该区域平均沉积速率为2.8cm/a,其中河口湿地形成初期沉积速率较高,而后逐渐减小并保持相对稳定。放射性核素比活度的垂直变化可反映沉积过程中黄河断流、黄河调沙以及大的洪水等重大环境事件,可以作为指示沉积变化特征的重要指标。

地处海陆交接地带的河口湿地,是海陆相互作用最活跃的区域。在包括人类活动在内的诸多因素的共同影响下,河口湿地成为地球上最复杂的生态系统之一,也因此成为研究的热点。河口湿地是河流携带的陆源物质及海洋生物源物质堆积的重要场所,因此其沉积特征反映了沉积环境的变化,甚至可以作为气候变化以及海平面波动的重要指示(Abdi et al.,2009)。

天然放射性核素广泛分布于地球环境中,如土壤、沉积物、水和空气等,主要包括铀系和钍系核素以及40K。自然环境的放射性水平与地质条件以及土壤或沉积物的形成状况有关(Akozcan,2012)。沉积物中放射性核素的含量、分布及迁移规律是地球化学的重要研究内容,被广泛应用于河口、海岸及陆架区域沉积物年龄的确定,沉积过程的揭示和物质来源判断等。除天然核素外,人类核试验等活动还产生了137Cs等人工核素。137Cs半衰期为30.17a,在沉积物中的垂直分布通常会出现峰值,对应特定的年份,因此有重要的计年意义。沉积速率或沉积物年龄的研究中一般将137Cs与210Pb的计年结果相互印证(万国江,1997,1999)。然而在河口区域,物质交换迅速,难以满足稳定的沉积通量,核素的垂直分布不再单是大气沉降后稳定衰变的结果,因此传统的核素计年方法不再适用。如在黄河口新生湿地,沉积物主要来自于黄河泥沙,核素的分布必然与泥沙的来源密切相关。137Cs还经常被用于土壤侵蚀的研究(张信宝等,2007),而黄河泥沙主要来自于土壤侵蚀严重的黄土高原,因此本文试图从137Cs的垂直分布与黄河来沙量的关系探究河口区计算沉积速率的新方法。

黄河口湿地位于山东省东营市,是我国典型的滨海湿地。黄河入海口的频繁改动所造成的河口湿地复杂的沉积过程一直是研究的热点。学者们从不同角度对黄河口湿地的沉积特征进行了研究,但仍存在许多问题。一方面,黄河口湿地不同区域植被状况不同,受地表径流、潮汐作用的影响程度不同,物质堆积状况差异明显。另一方面,人类以及其他生物的活动对沉积过程的扰动使得还原沉积历史、准确获取沉积速率很困难。鉴于湿地研究的重要性以及有关黄河口湿地沉积物放射性核素从未见报道,本文用γ谱仪测定了黄河口新生湿地沉积物岩芯的放射性核素活度,根据核素垂直变化以及河口净造陆速率的对应变化估算了其沉积速率,在此基础上,探讨了放射性核素对黄河口湿地沉积变化过程特别是重大环境历史事件的指示作用。

图1 黄河口湿地柱状沉积物采样位置Fig. 1 Coring site in the wetlands of the Yellow River Estuary

1 样品采集和测定

1.1 样品的采集

2012年5月在黄河口湿地自然保护区黄河北岸用土壤剖面法采集柱状沉积物样品。采样位置(37°46.032′N,119°09.618′E)如图1所示(便携式GPS导航仪定位),距离海岸线5～6km,距离黄河岸边500m左右。采样处均匀分布着翅碱蓬,在轻轻拔掉碱蓬后挖掘土壤剖面,并从表层开始按2cm间隔分层取样至70cm,在采样过程中避开生物洞穴、挑选无明显生物扰动的样品并记录剖面的形态特征。沉积物样品用锡箔纸包裹后保存于铝盒内,用于实验室测量。

1.2 样品测定和数据分析

取一定量的样品烘干后称重,计算含水率。将烘干后的样品磨细,过160目筛,装入聚乙烯样品管中放置20天,然后用美国Canberra公司生产的HPGeγ谱仪测量样品的放射性同位素的活度。效率刻度用核工业北京地质研究院提供的标准源完成,标准源粒径和密度与样品接近。测量每种核素所用的γ射线特征峰及其分支比为：238U,63.2keV(分支比3.826%)和92.6keV(分支比5.41%)；228Th,238.6keV (43.6%)和583.1keV(30.96%)；228Ra,,338.7keV(11.9%)、911.2keV(27%)和968.8keV(16.3%)；226Ra, 295.2keV(19.85%)、351.9keV(37.2%)和609.3keV(46.3%)；210Pb,46.5keV(4.25%)；40K,1460.5keV(10.67%)。峰面积采用全能峰面积法计算。测量结果以活度表示,除以样品质量得到比活度。

沉积物有机碳含量采用重铬酸钾氧化法测定,总氮含量采用过硫酸钾溶液消解、磺胺—盐酸萘乙二胺光度法测定(李学刚等,2005),容重采用环刀法测量。

采用SPSS19.0和Origin9.0软件进行相关的数据分析和制图。

2 研究结果

2.1 放射性核素 40K、137Cs、226Ra、228Ra、228Th、238U的垂直分布

表1 黄河口湿地沉积物中的放射性核素含量(Bq/kg)Table 1 Specific activities of radionuclides in the core sediments of Yellow River Estuary wetlands

黄河口湿地柱状沉积物中40K、137Cs、226Ra、228Ra、228Th、238U等6种放射性核素的含量(本文中核素的含量指活度浓度,即单位质量沉积物中的核素的活度水平,或者比活度,用c表示)均服从正态分布(显著性水平P=0.05),因此其平均含量用算术平均值表示,如表1所示。40K、137Cs、226Ra、228Ra、228Th和238U的平均含量分别为687.33±54.59 Bq/kg、8.60±1.35 Bq/kg、29.96±4.23 Bq/kg、69.96±6.63 Bq/kg、45.35±4.58 Bq/kg、60.52±15.37 Bq/kg(算术平均值±标准差)。其中40K含量的变异系数(标准差/算术平均值)最小,238U含量的变异系数最大,反应出它们垂直分布的变化程度有所不同。6种放射性核素的比活度垂直分布见图2。

40K是唯一可用γ谱方法测量且不成系存在的天然放射性核素,其半衰期高达1.277Ga。近岸沉积物中的40K主要来自于河流的搬运(陈锦芳等,2005)。与其他核素相比,40K的含量水平要高出1～2个数量级。40K在沉积物岩芯中的典型分布特征是含量随深度变化较小。黄河口新生湿地40K的含量除在28～44cm深度段出现十分明显的下降趋势外,整体上波动幅度较小,说明物质来源基本稳定。137Cs是一种人工核素,主要由人类核试验产生,因其半衰期只有30.17a,常被用来测定沉积物年龄。137Cs在沉积物岩芯中的分布通常与核事件密切相关,因此其分布模式特征明显,一般会出现明显的峰值及断层,而黄河口湿地137Cs的垂直分布具有很强的连续性,且多次出现极值,很可能意味着该区域137Cs的主要来源并非大气沉降。228Ra和228Th同属于钍(4n系)衰变系列,分别为最原始的衰变母体232Th的第一代和第三代子体,并且是整个衰变系列除232Th外半衰期最长和次长的核素,因此其在沉积物中的垂直分布十分类似。黄河口新生湿地沉积物中,228Ra和228Th的变化规律基本一致,均在30～50cm之间出现了向低值的剧烈波动,但是二者含量差异较大,c(228Ra)/c(228Th)为1.40～1.74,这种差异主要是由二者化学性质的差异导致的迁移行为的不同所引起。228Th具有很强的颗粒活性,容易被颗粒吸附沉积到水底,因此康兴伦等(2002)在河口沉积物中检测到了228Th的过剩,与我们的结果正好相反,这说明在水下和陆上的沉积物中,228Ra或228Th吸附和解吸以及迁移过程的机制不同。在陆上三角洲,228Ra比228Th更容易累积,或者228Th比228Ra更容易被移出。226Ra的垂直分布波动较大,其含量在5种自然核素中最小。226Ra在河口区通常表现出非保守性。由于分配系数的不同,226Ra在海水中以溶解态形式存在,而在河水中则表现出了颗粒活性(Li Yuanhuiet al.,1979),因此黄河泥沙在堆积之前遇到海水造成226Ra的解吸以及潮水对河口湿地的侵袭是造成沉积物中226Ra含量相对较小的原因。238U难以被颗粒吸附,表现出非颗粒活性。黄河口新生湿地沉积物中238U的分布与其他核素有明显差异,50cm以前呈现出波动中逐渐减小的趋势,而55cm以下又稳定在平均值以上。c(226Ra)/c(238U)介于0.34～0.72,表层和底层较小,中间20～40cm深度段的高值是由相对较高的226Ra含量造成的,平均值为0.46,说明226Ra相对于238U有较大亏损。

同国内其他区域相比(表2),黄河口新生湿地238U的含量明显高于其他潮间带,226Ra虽然低于全国平均值,但与胶州湾、兴化湾潮间带地区相当。228Ra的含量处于较高水平,尤其c(228Ra)/c(228Th)远高于其他区域(潮间带228Ra和228Th基本保持平衡),这可能体现了河口湿地和普通潮间带区域核素迁移机制的不同,在河口湿地河流的搬运作用对核素的含量及分布有较大影响。137Cs的含量远高于其他区域,40K也高于全国平均水平。从表2中还可以看出,中国南北区域核素含量的差异,以厦门和兴化湾潮间带为代表的南部沿海钍系核素、226Ra和40K等均高于黄河口、胶州湾等北方区域,整体放射性水平也偏高。而同国外其他沿海区域相比,中国沿岸区域放射性核素的平均水平明显偏高,体现了中国陆地与其他陆地土壤母质的岩性差异。

图2 黄河口湿地沉积物放射性核素含量的垂直分布Fig. 2 Vertical distributions of radionuclides in the core sediments of the Yellow River Estuary wetlands

2.2 放射性核素比活度比值的垂直变化

对6种放射性核素进行聚类分析(图3),结果显示228Ra、228Th和137Cs具有相似的分布规律,与其他三种核素的分布规律各不相同。因此,选取变化规律差异显著的228Ra、40K、226Ra和238U四种核素,研究了其相互之间比值的垂直分布规律(图4)。从图中可以看出,c(226Ra)/c(40K)、c(228Ra)/c(40K)和c(238U)/c(40K)的垂直分布与226Ra、228Ra和238U的垂直分布具有一致性,这主要是由于40K含量分布的变异性小,上下较为均一,同时也说明40K对其他核素的迁移转化过程基本没有影响。c(228Ra)/c(226Ra)的垂直分布趋势明显,40cm以上变化较小,40cm以下变化剧烈,50cm深度出现的极大值对应226Ra在此处有极小值。226Ra和228Ra同为镭的同位素,化学性质类似,但是来源不同。228Ra的比活度水平受控于母体232Th,在长期平衡体系中与母体比活度水平保持一致,因此其与226Ra含量分布的不同本质上体现的是232Th与226Ra性质的差异,这种差异在c(228Ra)/c(238U)和c(226Ra)/c(238U)的垂直分布中也有所体现。c(228Ra)/c(238U)的分布与238U的分布基本相反,而c(226Ra)/c(238U)则在一定的区间内来回波动(0.69～1.04),没有明显趋势。c(228Ra)/c(238U)可以反映物质的来源,其值越高海洋特征越明显(李培泉等,1984)。黄河口新生湿地c(228Ra)/c(238U)平均值为0.84,表现为显著的陆源特征,且其来回波动的垂直分布规律也印证了河口地区物质堆积与海侵的交替过程。

图3 黄河口湿地沉积物放射性核素含量聚类分析Fig. 3 Hierarchical clustering analysis of the radionuclides’ specific activities in the core sediments of Yellow River Estuary wetlands

2.3 总有机碳和总氮垂直分布特征

总有机碳(TOC)与总氮(TN)是重要的沉积物参数,也是沉积变化指标建立过程中需要综合考虑的重要因素。黄河口新生湿地TOC和TN的垂直分布比较类似(图5),其含量范围分别为0.21%～1.20%、0.35mg/g～1.17mg/g,平均含量分别为0.42%、0.47mg/g,最大值和最小值均出现在表层和40cm深度。40cm以上,TOC和TN均呈现出随深度增加而逐渐减小的趋势,45cm以下含量又有所增加并且变化不规律。含水率的变化可能会部分解释形成这种分布的原因。在45cm位置,含水率突然增大,45cm以上及以下的平均含水率分别为33.2%和41.1%。研究显示,黄河三角洲地下水位埋深一般在0.5～2.5m,其中滨海地带普遍小于1m(安乐生,2012)。因此,可以估计45cm深度以下受到了地下水系的影响,地下水携带的物质及其造成的缺氧环境可能是TOC有所增加的原因之一。

表2 黄河口湿地放射性核素含量与其他区域比较(Bq/kg)Table 2 Comparison of radionuclides' activity concentrations (Bq/kg) between the Yellow River Estuary wetlands and other regions

TOC和TN在P<0.01水平上显著相关,皮尔森相关系数高达0.916(如图6),说明TN大部分以有机氮的形式存在。C/N介于5.45～10.78,TOC与C/N在P<0.01水平显著相关,皮尔森相关系数为0.618；TN与C/N也表现出显著相关性(P<0.05),但皮尔森相关系数却为正值(0.361),而如果不考虑受植物凋落物影响严重的表层,则二者无显著相关性,这说明了氮的输入输出总是伴随着TOC的输入与降解,而TOC的输入与降解还包含其他没有氮参与的过程。

3 讨论

3.1 放射性核素与TOC、TN的关系

沉积物中的有机质能与放射性核素产生相互作用(Agapkina et al.,1995),从而影响其迁移分布。探究放射性核素与TOC、TN等的相关关系,不仅可以利用有机质含量这一沉积物参数指示放射性核素可能的分布特征,还可以根据放射性核素的含量、形态及变化反映土壤有机碳库的变化趋势。

图4 放射性核素含量比值的垂直变化Fig. 4 Vetical variation of the specific activity ratios of radionuclides

黄河口新生湿地土壤放射性核素含量与TOC、TN及C/N的关系见表3。由于表层TOC、TN远高于次表层及其他深度,可能是过多的植物碎屑难以去除干净所致,因此在相关性分析时将其去除,以确保结果更准确的反应整体特征。结果显示,除137Cs外,其他放射性核素含量都与TOC显著相关,其中40K与TOC的皮尔森相关系数最高。一般认为40K与总钾有恒定的含量比,40K天然丰度为0.012%,每克钾中40K的活度为30.5Bq,研究中可以通过40K推算总钾含量(刘广山等,2001),因此可以说明黄河口新生湿地土壤中总有机碳与总钾含量线性相关。Ra、Th、U等核素含量与TOC均为正相关关系,一定程度上说明了沉积物中高含量有机质的存在有利于核素的保留,研究表明放射性核素可与腐植酸、富里酸等有机质形成十分稳定的复合物,尤其是锕系元素,能与土壤有机质强烈结合形成1∶1或者1∶2的化合物(Carlsen,1985)。但是Ra、Th、U等核素含量与TOC的线性相关系数相对较小,这可能是由于黄河口湿地土壤有机质含量较低,有机配体浓度不足所致。另有研究显示,土壤有机质的存在会降低放射性铯在粘土矿物中的分配系数,从而减少Cs的吸附及其生物可利用性(Carlsen,1985),而在黄河口湿地,Cs含量与TOC不存在相关关系,一方面可能由于有机质含量低；另一方面黄河口湿地土壤以粉砂为主,颗粒较粗,再加上河流与潮汐的冲刷,削弱了有机质对Cs的影响。核素含量与TN的显著相关性可能是因为TN主要以有机质的形式存在。

表3 放射性核素含量与TOC、TN及C/N的相关性Table 3 Correlation analysis between radionuclides’ activity concentrations with TOC, TN and C/N

注：* 指P<0.05,** 指P<0.01；双尾检验。

图5 TOC和TN的垂直分布Fig. 5 The depth profile of TOC and TN

图6 TOC和TN的线性相关关系Fig. 6 Relationship between TOC and TN

3.2 新生湿地的沉积速率

沉积速率的研究是沉积变化过程研究的核心内容之一。利用天然同位素210Pb以及人工核素137Cs进行测年的方法被广泛应用于湖泊、近岸海洋及潮间带等区域沉积速率的研究(Li Fengye,1993, LiFengye et al.,2006；李凤业等,2003；万国江,1997)。利用210Pb测年的前提是沉积物中过剩210Pb的输入通量保持稳定且不发生沉积后的迁移,然而在黄河口地区,河道改动频繁,海陆交互作用复杂,沉积环境不稳定,不仅可能发生铅、镭等元素的迁移,沉积速率也会受河水径流量以及潮汐等因素的影响而产生较大变化,难以满足测年条件。137Cs测年的依据是,由于大气核试验在1961～1962年间达到高峰,由此产生的人工核素137Cs在沉积物中的含量会在1963年出现峰值(1986年切尔诺贝利核泄漏对中国区的影响有待考量),而黄河口新生湿地形成于1976年黄河改道清水沟之后,因此无法以该峰值作为时间标尺进行计年。

显然常规方法无法对黄河口新生湿地的沉积速率进行研究。然而,沉积物中仍然具有较高的137Cs含量,并且随着深度增加呈现出高低变化,与许多研究中(孟伟等,2005；万国江,1999)137Cs含量在出现极大值的深度以上迅速衰减至浅层几乎检测不到的分布模式明显不同。黄河口新生湿地的沉积物主要来自于黄河泥沙,其沉积速率的快慢也主要取决于黄河输沙量的大小,而黄河泥沙则主要来自于黄土高原的土壤侵蚀,研究显示每年黄土高原土壤侵蚀总量的81%都进入了黄河(李仁英等,2004)。137Cs经大气干湿沉降到达地表后迅速被土壤粘土矿物和有机质紧密吸附,它在土壤中的含量变化主要由土壤侵蚀及人为的犁耕作用等引起,所以137Cs示踪技术被广泛应用于黄土高原土壤侵蚀的研究(李仁英等,2004)。由此可以推断,黄河口新生湿地沉积物中的137Cs主要来源于黄土高原的土壤,并由黄河携带至河口处堆积。此外,李仁英(2003)等研究发现黄土高原区土壤中的137Cs含量与有机碳含量显著相关,而本研究中二者无相关性,这也证明了黄河口新生湿地沉积物中137Cs的主要来源非大气沉降而是外部输入。

图7 清水沟叶瓣年均净造陆速率与137Cs比活度垂直分布对比(造陆速率来自于魏晓燕❶)Fig. 7 Comparision of the average annual net epeirogenic rate of Qingshuigou lobe with verticle distribution of specific activity of 137Cs

通过上述分析,可以认为黄河口新生湿地沉积物中137Cs的含量与黄河输沙量有密切关系。但是河流泥沙除在河口湿地堆积外,还有大量进入近海,并且河口湿地还会受到海水的冲刷,造成堆积与侵蚀的交替,河口湿地沉积物只是黄河输沙的一部分。而黄河口的造陆速率则能直接反应物质堆积的多少。根据沉积物容重(g/cm3),将单位质量的137Cs活度转变为2cm深度内单位面积的活度(mBq/cm2),并将单位面积的137Cs活度的垂直分布与黄河现行流路清水沟叶瓣净造陆速率(km2/a)的年际变化(魏晓燕❶)进行对比,发现其变化趋势具有一致性(如图7)。引入数字信号处理中衡量两条波形曲线相似性的算法(程乾生,2003),对两条变化曲线的相似性进行验证,其中造陆速率通过线性插值方法加密数据点,结果表明137Cs单位面积活度的垂直分布曲线,与造陆速率变化曲线互相关系数为0.6(如图8),属于较显著相关。由于沉积速率是变化的,因此固定坐标下的比较会有偏差,而该算法提供了不同坐标偏移量的比较(图8中的横坐标),并且表明在图7的坐标中发生较小偏移后曲线吻合程度最高。

由于核素分布的诸多不确定性以及两条变化曲线存在的部分不一致性,无法将沉积物深度与年份一一对应,但是137Cs的剧烈变化主要是由物质堆积的变化引起,因此其活度变化剧烈的位置应该对应于造陆率变化剧烈的位置,也即两条曲线中的部分极值点处相互对应。根据上文两条曲线相关关系的结论,对当前坐标进行较小偏移后曲线吻合程度最高,因此可以推测,13cm深度对应的年份为2007年,19cm深度对应的年份为2004年,31cm深度对应1996年(此处偏移较多,误差可能较大),55cm深度对应年份为1992年。从而进一步计算出沉积速率为：1992～1996年间6.0cm/a； 1996～2004年间 1.5cm/a；2004～2007年间2.0cm/a；1992年以来平均沉积速率为2.8cm/a。

图8 137Cs比活度与 造陆速率变化曲线的互相关关系Fig. 8 Cross-correlation between 137Cs specific activity and epeirogenic rate

上世纪90年代Li Fengye(1993)曾利用过剩210Pb的方法对取自黄河口的柱状沉积物样品进行沉积速率的研究,其中的6-1’(37.80°N,119.28°E)柱样位置与本文的采样位置十分接近,其沉积速率为8.9cm/a。丁玉蓉等(2012)等则根据黄河三角洲分流河道频繁改动过程中不同叶瓣体相互叠加所形成的沉积序列,计算1976年以来所形成的新生湿地的沉积速率,其中距离本文采样位置最近的样点其平均沉积速率为4.1cm/a。本研究根据比对137Cs含量的垂直分布和净造陆速率年际变化的方法所获取的沉积速率,与上述研究结果相当,并且反应了不同时期沉积速率的变化。黄河口新生湿地形成早期,大量泥沙堆积,河口快速向海延伸,沉积速率较快；上世纪90年代中后期,黄河出现大面积长时间的断流,来水来沙急剧减少,造陆缓慢甚至出现了净蚀退,沉积速率也相应较小；本世纪初,黄河实行调水调沙,来沙量增加,再加上碱篷等植被的生长,沉积速率又有所增加。

图9 1995年和1999年采样点附近状况对比Fig. 9 Comparison of landscapes around sampling site between 1995 and 1999

3.3 核素与沉积过程的变化

根据137Cs的垂直分布获得的沉积速率,可将沉积深度与年份相对应。自黄河改道清水沟以来,发生过数次会对沉积过程产生影响的事件,如1982年的黄河大洪水,1996年清8出汊,1997年长达226天的断流和330天无水入海,2002年开始的黄河调水调沙,2003年10月遭受强大风暴潮袭击等(张晓龙,2005)。这些事件造成了沉积过程的突然变化,同时也使得放射性核素的含量及其比值发生突变,因此在137Cs计年的基础上,放射性核素及其比值的垂直变化可以作为反映沉积变化过程以及沉积历史事件的重要指标。

40K、238U、228Ra、228Th等核素在40cm左右出现极低值,226Ra的极低值出现在50cm左右。根据计年结果,40cm～50cm段处于1992～1996年间,该阶段黄河口造陆缓慢,黄河单股入海,两侧发生了侵蚀。而采样位置当时距河道较远,距海较近,侵蚀比较严重(图9左),因此几种核素的含量几乎成线性逐年降低,226Ra的变化较其他核素提前,可能是由于其遇到盐度较高的海水,比其他核素更快解吸释放的缘故。1996年以后清8出汊,样点位置十分靠近河道,加之植被开始生长(图9右),颗粒物大量堆积,核素活度开始逐渐增加,但由于断流的频繁出现,因此变化较为曲折。在20cm左右,放射性核素活度出现极大值,可能意味着黄河调水调沙的开始,而这之后K、Ra元素的活度又出现较大程度的降低,可能是受极端天气条件的影响,如暴雨冲刷和风暴潮等。从放射性核素比值看,1996年以前c(228Ra)/c(226Ra)变化剧烈,1996年以后变化不大,意味着该比值可能与河道的形态有关,而没能反映出黄河水沙的变化；c(226Ra)/c(238U)自表层至底层不规律的波动,则体现了河流来沙的不连续性,黄河每年汛期(7～10月)的来沙量占全年85%以上(张晓龙,2005),因此在一年当中,黄河口区域可能会经历快速的堆积以及长时间侵蚀等过程,尤其是调水调沙以来,黄河来水来沙的突变性更强,体现在c(226Ra)/c(238U)在浅层的波动比深层更剧烈。

放射性核素的迁移受多种因素影响,且不同的核素之间也有较大差别,因此物质来源的变化只是造成核素垂直分布变化的部分原因,但是核素含量的大幅度剧烈变化主要由物质输入的改变引起,而且核素的迁移变化有规律可循,因此核素活度水平的垂直变化仍不失为一种指示沉积过程变化的有效指标。

4 结语

本文首次报道了用HPGeγ谱仪测定黄河口新生湿地柱状沉积物中6种放射性核素活度的结果,并根据137Cs的分布估算了沉积速率,探讨了放射性核素与有机质的关系及其垂直分布对沉积过程变化的指示作用,获得的主要结论如下：

(1)黄河口新生湿地柱状沉积物中40K、137Cs、226Ra、228Ra、228Th和238U等6种放射性同位素的平均含量为(687.33±54.59)、(8.60±1.35)、(29.96±4.23)、(69.96±6.63)、(45.35±4.58)和(60.52±15.37)Bq/kg,与其它地区潮间带相比,137Cs、238U含量水平较高,228Th相对较低,总体与全国土壤平均水平相当,高于国外部分区域及世界平均水平。

(2)TOC和TN的含量分别为0.21%～1.20%、0.35mg/g～1.17mg/g,平均值为0.42%、0.47mg/g,表层最高,40cm处最低,随着深度增加呈现出逐渐减小后又有所增加的趋势。除137Cs外,其他核素含量都与TOC显著正相关,说明高含量的有机质有利于这些核素在沉积物中的保留,例如有机质可与放射性核素形成稳定复合物。而137Cs与有机质不存在显著相关性可能是TOC含量较低所致。核素含量与TN之间的显著相关性主要是由于TOC和TN之间较强的线性相关性,TN大部分以有机质的形式存在。

(3)黄河口新生湿地沉积物主要来自于黄河泥沙,而137Cs则是研究黄土高原土壤侵蚀的重要示踪剂,对比137Cs的垂直分布以及黄河口年均净造陆速率,可估算黄河口湿地近20年来的平均沉积速率为2.8cm/a,并且湿地形成初期沉积速率较快,而后逐渐减小至相对稳定。该结果与通过其他方法计算的黄河口新生湿地沉积速率相当。

(4)河口湿地沉积物中放射性核素的垂直分布可以反映沉积速率变化,河流改道、断流,入海水沙变化以及极端气候等历史事件,可作为指示沉积过程变化的指标。

注 释 / Note

❶ 魏晓燕. 2011.黄河三角洲清水沟流路叶瓣演化规律. 导师：李广雪. 中国海洋大学硕士学位论文.