湛江湾红树林湿地沉积柱粒度特征及沉积动力分析

2021-07-14罗松英全晓文陈碧珊邱锦坤梁家新邓子艺

现代地质 2021年3期

罗松英，全晓文，陈碧珊，邱锦坤，梁家新，邓子艺

(1.岭南师范学院地理科学学院，广东湛江 524048；2.中山大学地球科学与工程学院，广东广州 510275；3.广州大学地理科学学院，广东广州 511400)

0 引言

红树林湿地系统作为地球上生产力水平最高的4大海洋自然生态系统之一，在护岸消浪、减灾抗灾、促淤造陆、优化沿海环境和维护生物多样性等方面发挥着重要作用[1-2]。沉积物作为红树林湿地的重要环境因素，受河流、海洋以及人类活动的影响，对其粒度特征的分析，有助于识别沉积物质来源、揭示沉积动力特征和判别人类活动影响，对区域生态环境恢复和生态环境保护工程的实践有重要意义[3]。沉积物中赋含的210Pb放射性核素(半衰期为22.3 a)作为238U核素衰变系列的中间产物，其测定能反映百年时间尺度的沉积速率，综合体现沉积过程的特征，是确定沉积动力环境的定量指标[4-5]。

湛江湾位于雷州半岛东北部，是湛江市最大的港湾，属亚热带海洋性季风气候，其常浪向和风向均为ENE向，最强波浪方向为N向[6]。南三河和遂溪河注入湾内，遂溪河的年径流量约为10.4×108m3，整个海湾水深变化复杂多样，水深分布不均匀，局部区域水深梯度较大[7]。湛江是中国最大的红树林生长基地，该区红树林存在的历史长，原始性保存良好，并拥有6.67 km2以上的红树林连片分布区[8]。湛江湾属于不规则半日潮，受地形影响，湾内外潮位相差较大[9]；潮汐水道自南向北呈树枝状伸入内陆。港内四季不冻，为天然深水良港，但因围海造陆和开挖港池航道等人工改造工程，使其纳潮水域减少，局部回淤现象加大，使港湾水域的泥沙沉积物很大程度受到影响。随着经济发展，湛江湾内大型工程建设和产业入驻，如海湾大桥、宝钢钢铁厂和中科石化等落户湛江湾东海岛，人类活动对海域的影响日益深入；且拥有深水良港的湛江作为粤港澳大湾区港口群的重要补充和粤港澳大湾区向西发展的重要支点，随着粤港澳大湾区规划的实施与推进，对湛江湾的开发建设持续深入，这对改造海湾红树林沉积环境具有重要影响。目前关于湛江湾地区沉积物研究主要集中在近海岸表层沉积物粒度特征及其沉积环境方面[8, 10-11]，但缺少对湛江湾近百年来红树林湿地区沉积物粒度和沉积状况的研究。因此，本文选择湛江湾红树林湿地沉积物作为研究对象，通过运用图解分析法、对比分析方法研究红树林湿地沉积柱粒度参数、频率分布曲线以及沉积速率特征，旨在探讨湛江湾百年尺度的沉积动力演变，以期加强对该区域湿地生态环境的保护。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

2017年4—7月份，笔者所在研究团队利用卫星遥感影像结合实地考察对湛江湾潮间带红树林湿地布设采样点，综合考虑红树林群落组成、潮位变化及人类活动影响等因素，选取南三岛南海堤、东头山岛、湖光镇和观海长廊为采样站位。其中南海堤(NHD)样点位于湾内光滩，距离红树林较远，红树林群落以白骨壤群落为主，树高1～2 m，附近分布着鸭子养殖场。东头山岛(DTSD)样点距红树林群落较近，红树林群落为2～4 m高白骨壤品种，附近可见抽沙活动。湖光镇(HGZ)样点位于国家级红树林自然保护区内的潮间带上部，样点周围密集分布着红树林气生根，红树林的郁闭度较高，主要为2～3 m高红海榄和白骨壤群落。观海长廊(GHCL)样点落于旅游度假区的潮间带光滩上，距离白骨壤和无瓣海桑群落较远，红树林树高约1～2 m，红树林发育程度低，植被稀疏。在每个站点各采集长度为100 cm柱状岩心，同时设置3个平行样。采样设备为重力钻孔取样器，柱状样品编号、坐标、岩心长度及野外红树林照片等如表1和图1所示。将PVC管岩心带回实验室，对其进行详细记录后，以5 cm为间隔切割分装，以备进行210Pb的放射性同位素测年和粒度测定。

图1 研究区位置及野外现场图Fig.1 Location map, field and core photos of the study area(a)采样站位；(b)南海堤红树林；(c)观海长廊红树林；(d)岩心照片;NHD.南海堤采样点；DTSD.东头山岛采样点；HGZ.湖光镇采样点；GHCL.观海长廊采样点

表1 湛江湾采样记录

1.2 210Pb测年

210Pb年龄模型推算模式主要包括初始浓度恒定模式(CIC模式)、恒定通量模式(CRS模式)和恒定通量和恒定沉积速率模式(CFCS模式)，每种模式各有其特点及条件[12]。湛江湾地区经常受台风等突发气候状况以及人类活动影响，沉积速率并不恒定，因而选择CRS模式进行沉积物年龄和沉积速率计算。将NHD和DTSD两沉积柱共50个样品送至中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊沉积与环境重点实验室进行210Pb测年，采用γ分析方法对样品进行无损坏的多种核素直接测量，得到210Pb比活度。分析仪器为美国EG & GOrtec公司生产的由高纯锗井型探测器(Ortec HPGe GWL)与Ortec 919型谱控制器和IBM微机构成的16k道多道分析器所组成的γ谱分析系统。

1.3 粒度测定

取适量低温(<40 ℃)烘干样品置于烧杯中，加入适量稀HCl和过量H2O2(30%)，加热至沸腾持续20 min以去除碳酸盐和有机质。加入10 mL浓度为0.05 mol/L的(NaPO3)6分散剂煮沸，静置24 h后滤去清液并稀释，然后置于超声振荡10 min。采用英国MALVERN公司的Master-cizer 2000M型激光粒度测定仪(测量范围为0.02～2 000 μm，重复性达0.5%)，每个样品重复测试3次后取其平均值。粒级采用国际通用分类标准:砂(-1φ～4φ)、粉砂(4φ～8φ)、黏土(>8φ)。粒度参数采用Folk和Ward提出的图解计算方法[13]，主要包括中值粒径(Md)、平均粒径(Mz)、分选系数(δ)、偏态(Sk)和峰态(Kg)。

2 结果与分析

2.1 NHD和DTSD 210Pbex比活度和沉积速率特征

沉积柱NHD和DTSD的210Pbex比活度变化范围分别为2.50～64.55 Bq/kg和0.29～79.91 Bq/kg(图2(a)和(b))。NHD210Pbex比活度的拟合曲线为:y=72.127e-0.022x，R2=0.593 7，总体拟合效果较好，呈现指数衰变趋势。0～22 cm层210Pbex分布呈近似等幅摆动，说明沉积物受到扰动，考虑到取样过程造成的扰动深度较小，故推测为水动力扰动或人类活动的结果。DTSD210Pbex比活度的指数拟合曲线为:y=22.2e-0.031x，R2=0.559 9，自深度21 cm之后向下呈现一定的指数递减趋势，但存在较大的波动。DTSD210Pbex比活度在表层的分布出现异常，最大比活度没有出现在表层，而是分布在深度21 cm处，比活度值为64.55 Bq/kg；表层0～5 cm210Pbex比活度之所以呈现低值，可能是采样过程中造成表层混合区扰动所致。

通过CRS模式计算出NHD和DTSD两地的沉积速率(图2(c)和(d))。两地沉积速率呈现不断上升趋势，且增长速度在2000年之后趋于加快。根据计算结果，沉积柱NHD底部对应年龄为1899年，1899—2016年的平均沉积速率为1.277 cm/a；DTSD底部对应年龄为1849年，在百年尺度里东头山岛附近海域的平均沉积速率为1.034 cm/a。总体上，南海堤海域的沉积速率大于东头山岛，但在2011年之后东头山岛的沉积速率达到了2.974 cm/a，远超过沉积速率为2.076 cm/a 的南海堤。

2.2 粒度组成和粒度参数分析

NHD沉积柱的粒度组成和粒度参数如图3(a)所示。从岩性成分上看，沉积物类型单一，为粉砂质砂。砂含量平均值为67.23%；粉砂平均值为27.14%；黏土平均值为5.63%。中值粒径和平均粒径的变化趋势基本一致，变化区间为2.44φ～5.66φ，总体对应较为动荡的沉积环境。平均分选系数2.28，分选从较差到差，分选随粒径变小而变好。偏态为负偏到极正偏；峰态变化范围0.70～1.10，为稳定的不尖锐中等峰态。粉砂含量变化曲线与平均粒径(中值粒径)变化曲线正相关，并表现出一定的波动，由下至上波动变化且总体减少。

DTSD沉积柱的粒度组成和粒度参数如图3(b)所示。从岩性成分上看，沉积物为砂质粉砂，黏土含量均值为18.16%；粉砂为55.13%；砂为26.71%。各组分含量在不同深度差异较显著，粉砂含量变化曲线与平均粒径变化曲线正相关。平均粒径均值为5.71φ，颗粒较细；分选从较差到差；偏态-0.17～0.50，从极负偏到极正偏；峰度为中等宽度，深度垂向变化幅度小。DTSD粒径总体趋于稳定，以粉砂为主；值得注意的是42～52 cm层位突现粗颗粒峰值，砂成为优势组分。

HGZ沉积柱的粒度组成和粒度参数如图3(c)所示。从岩性成分上分析，粉砂含量最大，砂次之，沉积柱为砂质粉砂，各组分垂向变化较小。平均粒径均值为5.49φ，中值粒径介于3.04φ～6.98φ之间；分选差，偏态值为-0.49～0.42；峰态均值为0.90，峰态纵向波动变化大。平均粒径(中值粒径)的波形变化与粉砂垂向上的比重波动形态较为一致。

GHCL沉积柱的粒度组成和粒度参数如图3(d)所示。从岩性成分上分析，以砂为主，沉积物类型单一，为粉砂质砂。平均粒径5.75φ～2.52φ，平均粒径与中值粒径在垂向上曲折变化；分选差，偏态均值为0.35，属于极正偏；峰态0.99，纵向上有峰态值突增现象。平均粒径(中值粒径)与粉砂比重变化呈正相关，偏态和峰态与粉砂比重垂向上变化呈负相关。

图3 沉积柱粒度参数垂向及组分垂向分布图Fig.3 Vertical distribution of particle size parameters and sedimentary column components (a)NHD；(b)DTSD；(c)HGZ；(d)GHCL

2.3 沉积柱粒度频率分布曲线分析

粒度频率分布曲线反映样品的总体特征，根据其曲线形态特征可辨识样品成因[14]。沉积动力学研究发现由于搬运方式和搬运距离不同，产生多成因组分的存在，单成因组分的频率分布为单峰曲线，多成因组分的频率曲线是多峰分布的连续曲线[15]。4个沉积柱25 cm、50 cm、75 cm和100 cm深度的粒度频率曲线如图4所示。NHD沉积柱粒度频率曲线顶部与底部沉积动力强度相似，100 cm处粒级主要为砂级粗端，动力环境较单一；其余3个呈现多峰态，表明沉积过程中受到多种沉积动力的综合作用。由整体粒度集中在0～4φ的砂质粒级范围，推测该地沉积样点主要受潮流、波浪等强动力作用。DTSD各处的频率分布曲线形态较相似，4条曲线总体呈现主次四峰形态，沉积物粒级集中在粉砂范围。100 cm处频率曲线最高峰粒径范围集中在粗粉砂范围，动力作用较强；75 cm处曲线主峰位于细端，细粉砂粒级较突出，动力作用较弱；25 cm和50 cm曲线形态接近，应为两种相同沉积动力，仅在动力强弱方面存有差异。据此推测，该地以弱的潮汐动力作用为主，沉积粒度细。HGZ底部和顶部频率曲线吻合度高，细粉砂占优势，次峰属粗砂至中细砂；50 cm和75 cm主峰集中在6.5φ～8.7φ之间，次峰粒级为0.5φ～2.0φ，属极粗砂向粗砂、中砂过渡的粒级范围。GHCL频率曲线主峰集中在粗颗粒端表明沉积介质动力强；右端次峰粒级在4.3φ～8.5φ之间，属极细砂向粗粉砂、细粉砂过渡的粒级范围。100 cm处频率曲线呈现单峰形态，主要为细砂质粉砂，反映了单一低能的沉积环境。总体上，各个样点的频率曲线呈现的多峰态特征，指示了不同阶段沉积环境的变化，且掺杂了多种沉积介质的影响。

图4 湛江湾各沉积柱粒度频率曲线分布图Fig.4 Grain size distribution frequency curves of sedimentary columns in the Zhanjiang Bay (a)(b)(c)和(d)分别为NHD、DTSD、HGZ和GHCL粒度频率曲线

3 沉积动力过程

特定的沉积环境有特定的沉积物粒度参数特征，利用沉积物粒度参数不仅可以反演沉积物的堆积过程、沉积水动力特征，还可以指示沉积物的输运方向及输运强度[16]。一般而言，搬运动力越强，沉积颗粒越粗，而细颗粒的沉积物质则指示弱的搬运动力；平均粒径能反映沉积介质的平均动能，与源区物质密切相关[17]；分选系数也受源区物质与沉积介质作用，当有新物质加入时，分选变差，分选曲线变为不对称，为正偏或负偏[18]。研究区沉积柱NHD、DTSD、HGZ、GHCL的平均粒径分别为3.26φ、5.65φ、6.04φ、3.74φ，分选系数依次为2.28、2.21、2.45、1.97，总体分选差。由于各采样点位于不同陆缘或岛屿的海陆交界潮滩，沉积物的粒度分布特征深受所在地陆源或岛屿物质影响，因而在平均粒径和分选上差异明显。NHD、DTSD、HGZ、GHCL的偏度依次为0.13、0.07、-0.29、0.35，偏度差异大，极负偏至极正偏皆有分布，说明沉积物来源不唯一。峰态基本呈正态分布，结合频率分布曲线的特征，湛江湾海域沉积物主要为陆源物质。潮流动力深刻地影响着湛江湾的泥沙沉积。湛江湾以潮汐动力控制为主，湾内以潮流深槽为主。潮水经由口门进入湾内，沿着南部深槽抵达东头山岛时分为两支，一支从东头山岛南侧的通道流向东北大堤，另一支北上分为两部分，一部分向西流向东北大堤，一部分北上沿湛江港航道上溯[19]。上溯部分由于航道变窄，能量汇集，水位深，流速变快；向西部分由于海湾面积广阔，水浅，流速弱。GHCL位于潮流通道溯流向上位置，深槽水动力强，细颗粒不易沉积，致使沉积层中的颗粒整体粗化。另外，遂溪河携带大量沉积物沿着溺谷水道溯流而下，泥沙补给充足，较粗的颗粒在搬运过程中先发生沉积，细颗粒物质更多地随径流搬运到湛江湾内沉积；而GHCL位于中游位置，沉积物仍然是粒径较大的颗粒，因而整个沉积剖面中砂的比例达到55.85%。这与李志强等[20]的发现相似:观海长廊裸露的潮间带由于波浪的推移作用使得中粗砂堆积，因而主要以中粗砂为主，分选差。而DTSD和HGZ所在位置的潮流作用则相对弱得多，南侧一支潮流通过狭窄通道后进入开阔的通道，水能得到释放，流速变小，弱水动力下沉积较细的颗粒。东海岛西南水道由于东海大堤(建于1958年)的阻隔作用及围海养殖导致海域面积缩减[11]，弱的潮流北上与由东而西从口门涌入的潮流在通明海域形成汇潮点，水动力在此交融减弱甚至抵消，更有利于细颗粒的沉积，所以DTSD和HGZ总体上以粉砂为主，所占比重分别为55.13%和48.01%，偏态近对称或稍负偏，黏土的比重也较多。进入口门的部分潮水沿着南三岛南部深槽伸向湾内，同样不利于南三岛南部海域细颗粒的沉积；湛江湾内因掩护条件良好，风浪不大，而NHD采样点所在湛江湾的北部，面向湛江湾口门，因而该海域会受到常浪向和风向(均为ENE向)的影响，且最强波浪为N向[8]，强大的水动力作用下沉积物中细颗粒由于质量轻而被搬移，因而总体表现为以颗粒较粗的砂质组分为主，细粒粉尘物质可能源于风力搬运。赵冲久在湛江湾水文泥沙的研究中得出相似的结论:湛江湾泥沙来源主要有上游径流来沙、外海来沙和陆向来沙[21]。

频率曲线特征显示4个沉积柱频率分布曲线均呈现双峰、多峰态，垂直方向上随粒度组分变化而呈现层次变化特征，表明不同时期内湛江湾的泥沙沉积均受到了两种或两种以上的沉积介质作用，沉积环境较复杂。另外，沉积柱参数之间关系显示:随分选系数增大，偏态从负偏向近对称、极正偏过渡，峰态逐渐变宽，表明了沉积过程有多种作用参与。结合NHD和DTSD测年结果、参数特征、频率曲线及区域经济社会背景得出沉积动力演化模型图，如图5所示。

NHD在纵向上均以砂质成分为主，说明该海域近百年来水动力较强，沉积环境总体稳定，可划分为3个阶段(图5(a)):第一阶段(100～40 cm，1880—1986年)，水动力较强，沉积组分主要为砂质颗粒，沉积环境较稳定。100～60 cm之间，即1880—1950年间砂占绝对优势(平均值68.66%)，大黄江口沿着南三岛向NW贯穿特呈岛的涨潮流冲刷槽[22]。60～40 cm之间，对应1950—1986年间砂成分增加，可能与潮流深槽的强动力以及人类活动对沉积层的扰动有关。如1952—1958年间南三岛修筑海堤，将十岛连为一岛[23]、围海造陆等工程建设对附近海域的水动力环境产生干扰，进而影响了沉积序列。第二阶段(40～25 cm，1986—1997年)粉砂组分增加至50%，该期间沉积速率开始明显加快，可能与湛江港的新建与扩建[24]有关。第三阶段(25 cm至表层，1997—2016年)受口门风向作用，以波浪冲刷为主。

DTSD沉积柱纵向上的组分以粉砂颗粒为主，表明在百年尺度上是一个相对较弱的沉积动力环境，可划分为5个阶段(图5(b)):第一阶段(100～90 cm，1849—1868年)砂显著增加，可能与较强的潮流冲刷作用有关。第二阶段(90～50 cm段，1868—1965年)以粉砂为主，可能与1958年东海大堤[11]的修建有关，潮流冲刷作用减弱，弱潮流作用使得淤积日益显著。第三阶段(50～37 cm，1965—1983年)水动力环境较强，平均粒径增大，可能与该时期的台风灾害有关。湛江湾是热带气旋影响较为严重的地区之一，热带风暴平均每年有5.1次[25]，1954—1976年共遭受了133次台风，1980年8007号台风所造成的风暴潮是我国近百年罕见的、最严重的一次[26]。台风引发的风暴潮可导致红树林沉积物粒度变粗、沉积速率加快[16,20]，台风期间的高能暴风浪可以大量起动和再悬浮林前光滩的粗颗粒组分，并克服红树林植株的摩擦阻力将其输入红树林内部落淤，风暴沉积通量至少是潮流沉积通量的2.7倍[10]。第四阶段(37～20 cm，1983—2000年)以粉砂为主，推测该期间主要受弱潮流作用影响，沉积较细的颗粒。第五阶段(20 cm至表层，2000—2016年)黏土和粉砂细颗粒显著持续降低，砂组分逐渐占优势，沉积速率明显加快。

图5 沉积动力演化模型图Fig.5 Schematic diagram of the sedimentary dynamic evolution model(a)NHD；(b)DTSD

值得注意的是，NHD和DTSD两地沉积柱均在2000年后出现沉积速率增大、且以砂为主要成分的现象，可能主要受控于近年来人类活动对海滩环境的深入改造。由于围海造田、围海晒盐、建造码头及滨海城市扩建等滩涂利用状态的改变，2001年9月全国红树林清查结果表明，湛江红树林面积从1956年的14 027 hm2缩减为7 305.8 hm2，面积消失达41%[27]。大规模的围垦养殖对湛江红树林及其生境产生了巨大压力；此外，当地居民在红树林下无节制地采捕水产品，破坏红树林根茎及幼苗生长，直接导致红树林死亡。红树林的破坏，岸线开敞，以致红树林对细颗粒的捕捉作用能力降低；与此同时波浪的入射能增强，可将林前光滩的粗颗粒输入，加速粗颗粒的沉积，回流带走了细物质，以至于沉积层呈现粗化的趋势，且砂的比重日益增大。DTSD的沉积速率在2011年之后超过NHD，2015年时已达到了2.97 cm/a，远远大于NHD的2.076 cm/a，推测与近年来宝钢钢铁厂、东海岛铁路等工程项目入驻东海岛，以及2015年完成的湛江湾中期建设围海造陆工程使得海湾面积比2003年减小3.4%[28]有关。这些工程的建设扰动原沉积层，使其发生再沉积，从而加速了周边沉积海域的沉积。随着湛江湾沉积速率的加大，浅滩淤积明显，临海日益变浅，湛江湾纳潮面积随之减少，进而可能影响航道的使用，因此有必要采取相关措施加强对红树林的保护，维护湛江湾生态健康发展。