基于沉积速率确定海洋沉积物的监测频率

洛 昊, 梁 斌, 鲍晨光, 李 冕, 于春艳, 马明辉

(国家海洋环境监测中心, 辽宁 大连 116023)

沉积物作为重要的海洋环境介质, 对海洋污染信息具有放大作用, 对海洋污染事件的时间记录具有时序性, 所以沉积物监测对于反映海洋环境健康具有意义重大[1], 而且沉积物监测能以较小采样样本和较低采样频率反映较大时空尺度内海洋环境污染及气候变化趋势。1984年5月, 随着“全国海洋环境污染监测网”的建立与运行, 中国正式将沉积物监测纳入到海洋环境趋势性监测计划中。此后, 沉积物监测频率也经历了3次调整, 2000年之前监测频率为每2年1次, 2000～2003年沉积物监测频率为每年1次, 2004～2009年监测频率为每2年1次(单数年进行监测), 2010年以来重新调整为每年1次。目前, 中国沉积物监测频率的设计主要依据监测经费和当年监测任务的饱和程度确定, 缺乏合理的设计依据和优化原则, 设计的方法体系尚不完整。作者的研究目的是初步建立一套海洋沉积物监测频率的设计方法体系, 并对中国现行海洋沉积环境监测频率进行优化,从而实现监测资源合理利用、提高监测效率。

1 研究方法

1.1 设计依据

1.1.1 监测频率与沉积速率有关

沉积物样品测试结果反映的是一定历史时期内的环境特征, 而水质监测反映的是水样采集时的环境特征; 同时, 沉积物迁移扩散能力相对于海水水质要弱,对污染物累积放大的作用更明显, 能够稳定地表征一个监测区域内的长期环境变化趋势。因此, 沉积物监测目的是为了反映沉积环境现状与时空变化趋势, 并据此判断海洋环境的健康状况和识别环境风险。

沉积物监测结果所代表的时间跨度主要取决于沉积物采样深度或沉积速率[2]。目前, 中国的海洋沉积物监测是以测试表层沉积物中环境指标的含量为主, 所以在采样深度不变的情况下, 沉积物监测结果反应的时间跨度主要与海洋沉积物沉积速率有关。

1.1.2 监测方案与沉积速率的关联性分析

目前, 国外主要环境监测机构均以调查区域的沉积速率来制定沉积环境的监测频率。如欧盟、澳洲等地区建议对沉积速率高于 1cm/a的区域, 每年开展1次沉积物监测; 低于1 cm/a的区域, 建议监测周期为5 a左右(表1)。

表1 国外海洋沉积物监测频率设计要求一览表Tab.1 Design requirements of foreign marine sediment monitoring frequency

通过梳理国外海洋环境监测方案发现, 虽然各地区监测机构关于沉积物监测频率的设计存在差异,但总体上仍遵循高速沉积区监测频率高、低速区监测频率低的规律。欧盟对其水框架体系内成员国统一规定沉积物监测周期为6 a, 因为其区内的沉积速率普遍低于 1 cm/a; 欧洲非欧盟地区如北海的沉积速率为0.05～0.2 cm/a, 其监测周期为2 a或2 a以上;美国根据沉积速率和地理位置差异, 也采取了不同海洋沉积物监测频率, 切萨皮克湾为每年1次, 其湾内平均沉积速率为0.33 cm/a, 航道区1.7 cm/a; 普吉特海湾底栖生物调查频率为每年1次, 而关于沉积物化学成分的监测周期则为 5 a, 其湾内沉积速率变化范围为0.1～2 cm/a; 缅因湾等低速沉积区的沉积速率仅为0.08 cm/a, 因此其监测周期设计为10 a (表2)。

表2 沉积物监测计划与沉积速率对应表Tab.2 Corresponding relation between sediment monitoring program and sedimentation rate

1.2 设计标准

由于沉积物监测频率与沉积速率有关, 且有国外主要监测机构的设计经验可以借鉴, 所以中国海洋沉积物监测频率应依据沉积速率确定。其优势在于: (1)更准确反映沉积环境现状和变化趋势。如果沉积速率低, 而监测频率过高, 沉积物样本所表征的不是当前的环境状况, 是一段历史时期内的累积结果, 而且这段历史并不能准确断代。如果沉积速率高,而监测频率过低, 则无法全面表征沉积物质量的变化趋势; (2)监测资源合理利用。根据不同沉积环境特征制定监测频率, 减少重复监测, 使监测资源分配更合理; (3) 设计方法简单可行、沉积速率数据易于获得。依据沉积速率设计监测频率方法易于实现。

根据中国近岸海域沉积速率和环境特点, 中国海洋沉积物监测频率的设计标准为:

(1) 沉积速率高于 1 cm/a的海域, 监测频率为每年1次; (2)沉积速率为0.1～1 cm/a的海域, 监测频率为5～6 a 1次;(3)沉积速率极低的海域(＜0.1 cm/a),监测频率为10 a 1次。

1.3 沉积速率计算

沉积速率的数据主要来自于中国海洋沉积环境研究的相关文献和历史资料。沉积速率的计算方法有多种, 不同计算方法得到的计算结果也不同, 如果将这些数据进行统一的空间对比分析, 会使统计结果的失真。因此, 有必要选择统一的沉积物沉积速率计算方法, 使数据具有可比性。

沉积物沉积速率的计算方法根据不同研究需要可分为两大类: (1)地质历史时期的沉积速率, 如同位素14C同位素测年[31-32]; (2)现代沉积速率, 如河流输沙法[33-34]、海图对比与 GIS 法、137Cs 测年法[35]和210Pb 测年法[36]等。

选择何种沉积速率计算方法应根据所在海域的沉积环境特点和实际资料确定。14C 同位素的半衰期为5 730 a, 可以有效标定两万年以来的沉积物年龄, 但多用于河口海岸地质历史时期沉积率估算; 河流输沙法不能准确估算河口区域沉积物与外界交换的数量而产生误差, 其结果只具有定性参考作用; 海图对比与GIS 法多用于河口三角洲沉积速率的推演, 不适合全海域监测;210Pb 和137Cs半衰期短、易测量、经济, 可以有效地标定近百年来的现代沉积速率, 而且许多实验结果证实在同一区域内用210Pb 和137Cs 同时测定和计算沉积速率, 两者结果吻合得很好[37], 但210Pb在中国应用更早、更广泛, 历史资料也丰富[38-42]。

综上, 每种计算方法均存在优点和不足, 经综合比较, 由于: (1)210Pb测年法在20世纪70 年代已经用于海洋沉积物测年, 并于80 年代在中国开始得到广泛应用[43], 拥有大量的数据资料和理论基础, 能够保证数据的一致性和可比性; (2)210Pb半衰期短, 能够更准确地反映近期海洋沉积物沉积速率。因此, 选择210Pb测年法作为海洋沉积物沉积速率的统一计算方法。

2 结果与讨论

2.1 中国海域沉积速率分布特点

中国海岸线漫长, 南北纵跨3个温度带, 地理差异显著, 海洋环境复杂多变, 各个区域的沉积速率也不同(图1)。

2.1.1 河口区域沉积速率高

中国海域的沉积物高速沉积区主要集中在河口区域, 如辽河口、海河口、黄河口、长江口、闽江口、九龙江口和珠江口等, 上述区域沉积速率均高于1 cm/a。其中, 长江口由于入海泥沙贡献了大部分的泥质区沉积物, 因此沉积速率与入海泥沙有着重要关系,210Pb 计年法测定的沉积速率为 4.58～5.47 cm/a。珠江口为淤进型的河口湾, 沉积速率高, 其沉积速率大小与河流作用成正相关[44]。辽东湾近岸入海河流众多, 该区域的沉积速率总体较高, 其中双台子河口沉积速率为2.4 cm/a, 小凌河口为2.9 cm/a[45]。

2.1.2 近岸海域沉积速率高于远海

黄、渤海的沉积速率高值区主要分布在物源充足的沿岸海域, 而远海泥质区的沉积速率一般小于0.2 cm/a ; 南沙海域远离大陆, 深度约2 500 m沉积速率极低, 仅为(1.06～1.51)cm/1000 a[45-46]。

2.1.3 海湾沉积速率差异显著

水交换能力强的海湾沉积速率低, 如海洲湾(0.11～0.64 cm/a); 有多条河流注入、水交换能力弱的海湾沉积速率高, 如辽东湾、渤海湾和杭州湾等[47-48];同一海湾内沉积速率差异显著, 胶州湾中部具有高的沉积速率(＞ 1 cm/a), 而西、北、东具有较低的沉积速率(＞1 cm/a)。再靠近岸边又有较高的沉速率(＞1 cm/a)[49]。

2.2 优化结果

中国海洋沉积物监测频率优化结果见表3。沉积速率高于1cm/a的海域, 监测频率为每年1次, 如黄河口、长江口等河口海域; 沉积速率低于 1 cm/a的海域, 监测周期为5 a, 如渤海中部, 黄海、东海远海等区域; 个别沉积速率极低的海域, 监测周期为10 a,如南沙海域(≤2 cm/1 000a)。监测频率高的区域主要集中在近岸沉积速率高的海域, 近海和远海区域监测频率可适当降低。

表3 中国海洋沉积物监测频率优化结果Tab.3 Optimization results of marine sediment monitoring frequency

3 结论

作者基于国内外海洋沉积物监测方案的设计理论和经验, 初步建立了依据沉积速率确定海洋沉积物监测频率的方法和标准, 并对中国海洋沉积物监测频率进行了初步优化。研究结果显示, 中国近岸区域沉积速率高于远海, 河口区域沉积速率高, 海湾沉积速率差异显著。其中, 沉积速率高于1 cm/a的海域, 监测频率为每年1次, 如黄河口、长江口等河口区域; 沉积速率低于1cm/a的海域, 监测周期为5 a, 如渤海中部, 黄海、东海远海区域等; 个别沉积速率极低的海域, 监测周期为10 a, 如南沙海域(≤2 cm/1000 a)。监测频率高的区域主要集中在近岸沉积速率高的海域, 而近海和远海沉积速率低的区域监测频率可适当降低。

作者的研究成果仅是一个针对中国海洋沉积物监测频率设计的初步优化方案, 尚需进一步优化和完善。目前的设计依据只有沉积速率单一要素, 优化结果还不够精确。因此, 在以后的研究中需要引入更多的筛选因子, 如风暴潮频发、台风登陆、小河道人为污染输入、洪水输入的河口等易受突发事件影响海域, 应充分考虑这些常规和突变因素的影响; 有些海域虽然沉积速率较高, 但其粒径较粗, 所吸附的元素较少, 沉积物中元素的变化幅度也较少, 其监测频率如果设计为每年 1次也不合理。所以加入常规和突发环境因素以及沉积物粒度和有机碳含量等作为判断依据, 能够让监测频率设计更合理、监测结果更精确。

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