长江水下三角洲邻近海域210Pb分布特征及沉积动力学指示意义

于睿，裴艳东，高建华，贾建军，晁海娟，，赵一飞

（1.南京大学地理与海洋科学学院，江苏南京210023；2.天津地质调查中心，天津300170；3.国家海岛开发与管理中心，国家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州310012）

长江水下三角洲邻近海域210Pb分布特征及沉积动力学指示意义

于睿1，裴艳东2，高建华1，贾建军3，晁海娟1，3，赵一飞1

（1.南京大学地理与海洋科学学院，江苏南京210023；2.天津地质调查中心，天津300170；3.国家海岛开发与管理中心，国家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州310012）

为了研究长江水下三角洲及邻近海域沉积动力环境对长江入海输沙量减少的响应，进行了野外采样以及论文数据收集工作，利用210Pb放射性同位素的测量和分析，分别比较表层和柱状沉积物的210Pb活度在2003年前后的变化。结果显示，在2003年后，表层沉积物210Pb活度分布特征由原来的明显梯度变化变为均一分布，同时活度值普遍降低；而柱状沉积物的210Pb垂向分布曲线也由原来的稳定沉积曲线变为混合强烈的均匀分布。这说明了，在长江入海输沙量减小的背景下，研究区内的沉积动力环境随之发生改变，河口过程主导的沉积作用在不断减弱，而陆架过程主导的混合作用却在不断加强。

长江水下三角洲；210Pb；沉积动力环境；分布特征

长江入海水沙通量对长江水下三角洲及其邻近区域的地貌和生态环境演化具有重要的意义。然后，近年来，在气候变化和人类活动影响下，长江流域发生了巨大的变化（张晓娅等，2014），特别是自从2003年三峡大坝蓄水以来，入海输沙量急剧减小（褚忠信，2006），进而对上述区域产生了极大的影响。

长期以来，在东部海域陆架沉积体系中，高悬沙浓度的长江水入海，作为泥沙供应源，是影响长江水下三角洲生长的重要因素（宋兵，2014）。然而近年来，在长江入海泥沙量减少的背景下，水下三角洲以及邻近沉积体系作为沉积物的汇而言，产生了强烈的响应（李鹏等，2007）。

在这种背景下，不同学者，分别采用了许多不同的研究方法，以探讨河口水下三角洲对长江流域变化的响应。从总体来看，这类研究主要采用了以下几种方法：一是对比不同历史时期的海图，并分析相应的入海输沙量变化，进而了解入海输沙量变化下的地形冲淤变化响应（Wei et al，2014）；二是分析解译沉积记录，并根据不同示踪方法，从而研究在不同历史时期，河口、陆架的沉积动力作用对于流域变化的响应（高建华等，2009；张瑞等，2009；石勇等，2015）；三是根据由不同时期沉积动力观测数据进行数值模拟得出的沉积动力参数的变化，研究入海输沙量变化影响下的研究区冲淤变化的时空分布（Gao et al，2011）。但是，海图的水深测量需要耗费巨大的人力物力，因此往往不同的海图之间的时间跨度很大，不足以反映本区域沉积动力环境的急剧变化；而后两种方法虽可以展示不同时间和空间尺度的地貌演化规律，但其模拟精度对验证站位的时间和空间分布有着较大的依赖性。

近几十年来，放射性核素（239+240Pu，137Cs和210Pb）在沉积速率估算和沉积年代定年中得到了日益广泛的应用（Su et al，2002）；另外，由于不同核素具有不同的来源和化学特性，还可根据其在沉积物中的分布特征、来源及其迁移运动规律研究沉积物的沉积和输运过程（DeMaster et al，1985；Huh et al，1999；李亚南等，2012；庞仁松等，2011）。相对于其他两种人工放射性核素，同位素210Pb可源源不断持续得到供给，并且其大气沉降通量和本地衰变供应也较为稳定，更适合作为示踪物研究流域变化对河口水下三角洲的沉积体系的影响。

因此，本文以长江水下三角洲及其邻近区域为研究地点，应用210Pb为示踪物，通过总结和分析沉积物粒度和210Pb的水平和垂向分布规律，探讨在长江流域入海输沙量减少的影响下，长江口及其邻近海域的沉积动力过程和沉积物分布特征所发生的变化。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

长江口外流系可以分为长江冲淡水、台湾暖流、黄海沿岸流、浙闽沿岸流。其中，黄海沿岸流起自渤海湾，沿着山东半岛向南黄海延伸，常年向南流动，但受季风影响，冬季强而夏季弱；浙闽沿岸流主要分布在长江口以南浙闽沿岸，其流动方向随季节而变，冬季向南而夏季沿岸北上；台湾暖流从浙闽沿岸一路向北，直到长江口附近，受季风影响，夏季强而冬季弱。

在长江冲淡水和台湾暖流的共同作用下，大量长江入海泥沙停滞于内陆架（北纬123°15′以西），在科氏力的作用下向东南方向输运。其中，约有40%堆积在南、北港的口门附近，约有30%沉积在长江口泥质区，剩余30%在沿岸流的作用下向南输运（Milliman et al，1985）。

1.2 数据来源

如图1a所示，在西起东经122°，东至东经124°，北起北纬32.5°，南到北纬30°的海区上，于2013年9-10月在工作船上利用箱式采样器采集47个表层样，使用重力采样器采集9个柱状样，并将采集的样品封存。分别选取每根柱子的1 cm、5 cm、11 cm、17 cm、21 cm、29 cm、39 cm、49cm、59cm、69cm、79cm、89cm、99cm、119cm、139 cm、159 cm处的沉积物，进行210Pb活度测量。

为对比2003年三峡大坝截流前后210Pb分布的变化，本文收集前人论文（（Liu et al，2006）2003、2004年采集，（夏小明等，1999）1990-1995年采集，（钱江初等，1985）1980-1982年采集，（Huh et al，1999），（Su et al，2002）1996年8月、1997年7-8月，（杨作升等，2007）2003年9月、2005年12月采集，（Wei et al，2007）1995-2003年采集，（Youn et al，2010）2000年8月采集，（张瑞等，2009）2006年4月采集）中表层样的210Pb活度数据（图1b）。但考虑到210Pb输运、沉积的滞留时间以及沉积记录对流域输沙量变化的响应的滞后性，实际选取采样时间在2006年之前的数据。同时还选取3个有对应210Pb垂向分布历史记录的站位—Z5、Z6、Z7，其对应的站位分别为G8010（钱江初，1985）、Y7（Chen et al，2004）、MJ114（夏小明等，2004）。由于不同论文采用的坐标系统、活度单位都有所不同，为便于对比，统一使用dpm/g作为活度单位，并采用对数坐标进行转绘。

1.3 实验室分析

图1 （a）实地采样站位图

图1 （b）引用论文样点站位图

取出约1克沉积物样品置于15 mL的小烧杯中，加入预先配置好的六偏磷酸钠溶液，保证溶液恰好没过全部样品。然后静置24 h，以保证样品被彻底扩散，再使用mastersizer2000激光粒度仪测量粒度。

由于使用α法测量210Pb放射性活度值，为保证226Ra与子体元素处于均衡态，需保证分析时间距采样时间超过6个月，因此在2014年8月进行测量。样品取出后冻干，用63 μm的筛子筛，称取小于63 μm的样品大概2 g左右，分别加入纯水和209Po示踪剂。之后再依次加入6 mL硝酸、氢氟酸，摇匀后加热至完全蒸干，再加入盐酸20 mL，继续加热至半干粘稠状，重复2～5次。最后加入40 mL的稀盐酸，离心后，在电子搅拌加热器上加热5～6 h，之后取下镍片，用酒精和纯水清洗并晾干，在阿尔法能谱仪上测量活度值。

2 结果和讨论

2.1 表层沉积物210Pb活度分布特征

根据实验测得的210Pb质量活度以及收集的2003年前的论文210Pb质量活度，做出插值图（如图2a，图2b所示）。图2a中，210Pb活度分别在长江口北部和长江口与杭州湾交界处出现二个低值区（1.6～1.7 dpm/g），在杭州湾南岸出现相对高值区（1.8～1.9 dpm/g），其余区域普遍处于两者的中间值（1.7～1.8 dpm/g）。图2b中，210Pb活度在长江口与杭州湾交界处出现一个低值区（0～5 dpm/g），而在长江口北岸和杭州湾口处出现二个显著高值区（20～30 dpm/g）

2003年后表层210Pb质量活度平均值约为1.73 dpm/g（约为28.83 Bq/kg），这与Du等于2007年5-6月的数据以及分布趋势（20～30 Bq/kg）相近（Du et al，2010），而2003年前表层210Pb质量活度平均值高达10.98 dpm/g。2003年后的表层210Pb活度值围绕平均值波动不大，而2003年前则相反，表层210Pb活度值波动起伏很大。从分布格局来看，2003年后的表层210Pb活度之间并没有明显的梯度变化，而2003年前有明显的中央向东北、东南的梯度。

2.22003 年前后表层沉积物210Pb活度值的变化

结果显示，2003年以来，整个研究区210Pb活度的分布状况发生了较大的变化：2003年以后，整个研究区的210Pb活度值明显减小；其次，2003年以前，在长江口处呈现210Pb活度分布的低值区（0～5 dpm/g），然后向南北两侧分别急剧增高（20～30 dpm/g），2003年以后的分布格局则完全相反，长江口的210Pb活度值略高于南北两侧；2003年以前，表层210Pb活度值表现出了很强烈的自长江口向南北变化的趋势，但2003年以后，整个区域的表层210Pb活度值的分布更加均一化，在空间上数值差异不大。

图2 （a）2003年后表层沉积物210Pb活度分布图

图2 （b）2003年前表层沉积物210Pb活度分布图

长江口海域210Pb通量的来源主要有大气沉降通量、外海输入、河流输入等。其中2003年前的大气沉降通量约为2.05 dpmcm-2a-1（0.94 Bqm-2d-1）（钱江初等，1985），而2003年后为1 Bqm-2d-1（2.18 dpmcm-2a-1）（Du et al，2016），可见大气沉降通量在2003年前后变化不大。河流溶解态输入的210Pb通量在2003年前测得为17dpmm-3（0.28Bqm-3）（林以安，1996），而2003年后由于季节变化在0.5～1 Bqm-3（30～60 dpmm-3）之间波动（Du et al，2016），虽有一定起伏，但整体通量仍变化不大。河口及三角洲外围的210Pb通量来源主要以大气沉降和河流输入为主，外海输入由于通量相对较少（Suetal，2002），对210Pb整体通量贡献也较弱。

长江口附近海域210Pb通量的降低主要是由于悬浮颗粒物质的吸附絮凝沉降、生物的吸收利用和有机颗粒的表面整合等因素引起的（林以安，1996），其中以细颗粒沉积物对210Pb的吸附为主。然而由于近年来河口富营养化现象日益突出，伴随入海泥沙量减小，近海藻华和底层缺氧等区域现象大量出现，有机颗粒的清除能力不容忽视。前人对长江口及其邻近海域的颗粒有机碳的研究资料如下：长江口外海区在1990年夏季表层为1.12 mg/L，底层2.13 mg/L（林以安等，1996）；长江口在2004年秋季表层均值为3.81 mg/L，底层均值为9.09 mg/L（宋晓红等，2007）；在2005年夏季为4.70 mg/L（林晶等，2009）；在2012年夏季为3.74 mg/L（邢建伟等，2014）。这也反映了有机颗粒物的含量近年来呈现下降的趋势。2012年夏季长江口POC主要来源于陆源输入，其中浮游植物贡献率仅为2.54%（邢建伟等，2014）。而研究表明，由于三峡工程截流，导致大量有机颗粒物被拦截，导致颗粒态有机物含量下降，溶解有机碳通量（DOC）与颗粒有机碳通量（POC）的比值上升，趋近于1（林晶，2007）。即使考虑到由于河口富营养化的原因导致藻华现象日益频繁，但考虑到藻华爆发的持续时间最多不过一两个月，空间范围也有限，相对东海210Pb的主要来源大气沉降贡献较低，再考虑到有机颗粒物的降解解吸作用，可以认为有机颗粒物对210Pb的清除能力相对无机颗粒物来说不是很明显。

在研究区210Pb来源较为稳定且无机颗粒物为主要载体的情况下，沉积动力因素是控制其分布格局的最主要影响因素。而以上变化说明，2003年来，长江水下三角州地区的沉积动力环境发生了比较大的变化。研究表明，大气沉降是东海大陆架海底沉积物中210Pb的最主要来源，其沉降通量约为1.8 dpmcm-2a-1（DeMaster et al，1985）。在水体封闭，与周围水体没有物质交换，且水体中的210Pb全部沉降到下覆沉积物的理想情况下，210Pb的大气沉降通量可表示为：

式中，P为210Pb的大气沉降通量（约为1.8 dpmcm-2a-1），γ为沉积速率（cma-1），ρdry为沉积物干密度（gcm-3），S为海底表层沉积物中的210Pb质量浓度（dpmg-1）。该区域的理论沉积速率为：

由上式可见，表层沉积物中的210Pb活度与沉积速率成反比。图2b所展示的研究区210Pb空间分布格局也可看出，2003年之前，长江口地区处于持续稳定的沉积环境，河口地区的210Pb活度值明显偏低，并向四周逐渐增加。这一分布格局与该区域的沉积物速率相一致，即，沉积速率由河口地区向四周逐渐降低（王昕等，2013）。而2003年之后，由于长江流域的入海输沙量急剧减小，导致长江口地区的沉积动力环境发生了较大的改变（谢文静，2013），虽然没有确切的证据证明，该地区正在遭受侵蚀，但210Pb活度与沉积速率反比关系已经消失。这间接证明，该地区的沉积沉积环境已经发生了较大的改变。

2.3 柱状沉积物210Pb垂向剖面曲线分布特征

图3为根据选取的柱状样的不同层位沉积物的210Pb活度数据，作出的垂向剖面曲线图。从中可见，在位于长江口北部的Z1、Z2站位，210Pb垂向曲线分布均匀，Z1在表层略有波动，而Z2则基本保持不变；处于长江口中部的Z3、Z4站位，中下层仍然均匀分布，然而表层则偏低，这可能是混合与侵蚀共同作用的结果；位于长江口南部的Z5、Z6则呈现出了不同的状态，Z5出现了二次倒置的曲线，而Z6是表层混合均匀，中层稳定沉积的曲线；而在杭州湾处的3个站位Z7、Z8、Z9的210Pb垂向曲线也有不同的特征，湾口北部的Z7混合作用强烈，呈现均匀分布，而南部的Z9则呈现二次倒置，显示了搬运与堆积交替作用的结果，湾口远端的Z8则显示了较弱的混合作用，混合不是很均匀且存在异常起伏。

然而整体而言，大部分柱状沉积物的210Pb的质量活度值都介于1～2 dpm/g之间，只有极少数会超过3 dpm/g。就整体趋势而言，可以发现曲线之间也有一定的相关性。如Z3、Z4，从0到10 cm处减小，从10到50 cm处增大；Z5、Z6，从0到20 cm处增大，从20到70 cm减小；Z8、Z9，虽然波动显著程度不同，在0～30 cm、30～80 cm、80～120 cm、120～150 cm处，均有相近的分布趋势。可见，虽然混合和侵蚀作用很难利用210Pb数据进行定年，但是相近的沉积动力环境还是在沉积曲线中有所反映。

自北向南，可以发现长江口沉积动力环境的变化趋势，北部呈现侵蚀与混合作用并存的情况，均匀的垂向分布反映了强烈的混合作用（DeMaster et al，1985），普遍的低值分布反映了可能存在的侵蚀作用。这说明了，在长江入海泥沙锐减然而沉积物自北向南输运趋势不变的情况下，长江口北部侵蚀混合作用加剧，持续向南输运沉积物。南部则呈现了沉积与搬运交替相间的情况，阶段性的倒置曲线反映了新老沉积物的不断搬运和堆积造成的上下叠置（张瑞等，2009）。

2.4 2003年前后柱状沉积物210Pb活度垂向剖面曲线的变化

为了对比2003年前后该地区沉积环境的变化，本文选取了位置相近的柱状样，对其过剩210Pb的垂向分布进行了分析和对比（图4）。从中可以看出，最大的变化是，2003年以前，该地区沉积环境稳定，整个剖面呈现典型的衰变区和本底区（钱江初等，1985），而2003年以后，210Pb活度值也普遍减小，另外垂向上没有明显的规律。这可能是由于，水平和垂向混合加剧，使新老沉积物发生混合，活度值相应减小；同时也造成目前整个区域的210Pb活度分布偏离了典型模式，这也在一定程度上进一步证明，2003年以后，由于长江入海输沙量大幅度减小，整个研究区的动力混合加剧，沉积环境处于不稳定状态。

在2003年之前，长江河口地区长期以来是区域的沉积中心（Chen et al，2004），而长江沉积物入海后，长江水下三角洲区域处于稳定的沉积环境；而向南输运到远端沉积区，沉积作用变弱而混合作用强烈（DeMaster et al，1985）。同时，DeMaster还提出，从表层到25 cm处，混合作用需要约100年的时间，然而图4中2003年后的沉积曲线混合层深度多在50 cm之上，相比2003年前的沉积曲线，仅仅不到30年的时间。这说明了，2003年后沉积作用的减弱和混合作用的增强，使得以往的理论与假设并不符合现在的沉积动力环境，在长江入海输沙量减小的背景下，研究区的沉积动力环境还有待于进一步的研究发现。

图3 柱状沉积物210Pb活度垂向分布图

图4 2003年前后柱状沉积物210Pb过剩活度垂向分布对比图

3 结论

2003年前长江口邻近区域尚处于稳定的河口过程主导的沉积环境，然而2003年后，伴随长江入海泥沙量的急剧减少，陆架沉积动力过程成为影响研究区沉积物分布的主导因素。其中混合作用普遍较2003年前有所增强，同时空间上也呈现出南北分异的格局，其中北部受侵蚀与混合作用控制，南部则搬运、堆积交替控制。可见，自2003年以来，长江口水下泥质区的沉积动力环境在不断调整以响应长江入海泥沙的变化，虽然沉积物自北向南输运的趋势没有发生改变，但混合作用却加强。南北不同的沉积动力环境，划分了新的沉积物再分配的格局，这对研究区的地貌演化有着深刻的影响。

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（本文编辑：袁泽轶）

Distribution of210Pb in the sediments of subaqueous Changjiang (Yangtze)Delta and its implications for the sediment dynamics

YU Rui1,PEI Yan-dong2,GAO Jian-hua1,JIA Jian-jun3,CHAO Hai-juan1,3,ZHAO Yi-fei1

(1.School of Geographical and Oceanographical Sciences,Nanjing University,Nanjing Jiangsu,210023,China; 2.Tianjin Center,China Geological Survey,Tianjin 300170,China;3.State Research Centre for Island Exploitation and Management,Second Institute of Oceanography,SOA,Hangzhou 310012,China)

In order to ascertain the response of sediment dynamics of the subaqueous Changjiang Delta to the Changjiang River catchment changes,the210Pb was selected as the tracer,and the210Pb activity distribution in both surface sediments and sediment cores were investigated.The results indicate that,after 2003,the distribution pattern of210Pb in the surface sediment became more uniform than that before 2003,and the210Pb activity greatly reduced.In addition,the vertical distribution of210Pb also shows that,after 2003,the sedimentary environment of this area converted from continuous deposition to intensive mixing.Above phenomenon demonstrates that,after the impoundment of the TGD(Three Gorges Dam)in 2003,the intensity of sediment mixing became intensified,due to the sediment load reduction of Changjiang River catchment.

subaqueous Changjiang Delta;210Pb;sediment dynamics environment;distribution pattern

P736.21

A

1001-6932（2017）03-0276-08

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.03.005

2016-04-19；

2016-07-06

国家重大科学研究计划（2013CB956503）；国家自然科学基金（41376068）。

于睿（1988-），硕士，主要从事海洋210Pb研究。电子邮箱：yr071162024@sina.com。

裴艳东（1976-），硕士，高级工程师，从事水工环地质和第四纪地质研究。电子邮箱：tjpyd1978@163.com。