南流江口陆源物质输送的季节性差异及其影响

段晓勇,高 飞,刘金庆,杨 磊,印 萍*,曹 珂,李艳霞,董 超

南流江口陆源物质输送的季节性差异及其影响

段晓勇1,高 飞1,刘金庆1,杨 磊2,印 萍1*,曹 珂1,李艳霞3,董 超2

(1.中国地质调查局青岛海洋地质研究所,青岛海洋科学与技术国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室,山东 青岛 266237；2.浙江省水文地质工程地质大队,浙江 宁波 315012；3.山东大学环境研究院,山东 青岛 266237)

通过对南流江丰水期(2015年7月)、枯水期(2016年4月)河口表层沉积物中有机质含量和同位素组成的变化来揭示陆源入海物质输送的季节性差异,评估其对近海环境的影响. 结果表明,枯水期水体悬浮颗粒物(SPM)含量自河口向外随水深增加逐步降低(平均值为0.030g/L),丰水期洪水前SPM含量较低(平均值为0.020g/L),洪水后SPM含量显著增高(平均值为0.047g/L),证明枯水期浪、潮对表层沉积物扰动较大使颗粒物大量悬浮,而丰水期浪、潮的影响较小,以洪水控制为主. 不同季节沉积物中总有机碳(TOC)、总氮(TN)平均含量相当, TOC平均含量均接近0.46%,丰水期和平水期TN含量分别为0.054%和0.062%,但空间分布差异明显,丰水期在河口东侧半封闭海湾中有机质含量较高,枯水期有机质呈斑块状分布. 根据同位素组成特征来看,丰水期陆源有机质自河口向外输送,沿河口向南形成高陆源有机质沉积带,半封闭海湾中以海源有机质为主;而枯水期陆源有机质贡献呈现明显的自河口向外快速降低趋势. 丰水期颗粒物自河口向外输送后快速堆积,枯水期在浪、潮作用下使区域内物质强烈混合,这是该区域中沉积环境的主要特征,也是导致周边海域水体环境质量呈现明显的季节性差异的原因之一,后期水体环境治理过程中应充分考虑如何有效的进行季节性调控.

南流江；沉积环境；源汇过程；季节差异；环境影响

近海地区资源环境矛盾突出[1],近海环境污染等问题越来越被重视.河口-近海地区物质主要来源于河流输送,受降雨量的季节性差异影响,陆源入海物质通量存在明显的季节性波动,因而河口环境存在明显的季节性差异[2].整个河口-近海地区的沉积环境和生态系统都会随季节产生明显的变化.近年来,研究者对长江[3]、珠江[4]等入海物质通量的季节性差异进行了大量的调查研究,结果表明丰水期是陆源物质对海洋环境影响最明显的季节[5].由于中小河流受台风等天气影响更加明显,季节性差异更大[6],但目前的研究对中小河流的关注较少.另外,目前研究者对物质通量的研究较多[6],但对入海后物质迁移的季节性差异关注不足.

南流江注入北部湾,是广西独流入海的第一大河,受人为活动和气候变化的影响,近年来南流江流域的入海径流量存在较大波动[7],这势必会对河口-近海环境以及物质循环产生显著影响.根据最新监测,北部湾海域水体环境质量受南流江输入影响较大,并受到地质环境条件的限制而导致海水交换能力较差[8].根据对南流江口春季浮游生物的调查[9],南流江口东西部营养盐含量、浮游生物群落结构差异较大,浮游植物生物量和群落结构与浊度、盐度等非营养盐因素密切相关.南流江口物质的循环(悬浮颗粒物)明显影响着生态系统结构与功能.

因此,本文选择南流江流域为研究对象,通过对不同季节河口表层沉积物中的有机质含量和同位素组成差异对比,揭示其来源的差异,评估不同季节陆源入海物质输送和沉积的异同,以此来揭示河口环境演变与陆源物质输入的相关性,深入了解近海环境季节性演化特征,为北部湾近海环境治理提供科学数据支撑.

1 研究区域与方法

1.1 研究区概况

图1 取样站位和河流原位监测站分布

图2 南流江2017年各月水体主要污染物含量变化趋势

实线表示亚桥监测站,坐标为21.6604°N, 109.1366°E;虚线表示南域监测站,坐标为22.6287°N, 110.1545°E[11]

南流江是广西径流量最大的河流,河流长近300km,流域内地势平坦,农业发达.南流江在下游成网状河系,于合浦县注入北部湾的廉州湾(图1).大量泥沙在河口快速堆积造就了广西最大的三角洲——南流江三角洲[10].海湾内以往复流为主,潮汐属全日潮,最大潮差可达7m.降雨季节性分配不均,约80%降雨集中在4～9月份.南流江水质也具有显著的季节性差异,枯水期河流水体污染物含量明显高于丰水期和平水期(图2),枯水期水质整体较差[11].同时,近年来受流域水利水电工程建设、挖沙等人为活动影响,输沙量和径流量都发生了明显的变化.以上这些自然和人为因素对整个三角洲区域的物质循环和生态环境都产生了明显影响.

1.2 研究方法

本研究于2015年7月(丰水期,本次洪水前)和2016年4月(枯水期)分别采集了南流江河口表层沉积物样品,采样站位如图1所示.沉积物样品采用抓斗采样器采集,取表层5cm置于密封袋中冷冻保存,冷冻干燥后对表层沉积物中的TOC、TN、δ13C和δ15N进行检测分析,相关检测方法参考文献[12].

2015年7月洪水前、后和2016年4月分别采集海水样品,因采样区域水深较浅,统一采集海表以下约1m的海水样品,确保不受底边界强扰动的影响,已知体积的水样经0.45mm孔径玻璃纤维滤膜(使用前烘干后准确称重)过滤后冷冻干燥,并称重,获得水体悬浮颗粒物(SPM)含量.

在2015年7月19日～8月8日的一次洪水期间,将温盐深仪(CTD)、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)座底安放于河道干流中(109°13¢41.18"E, 21°45¢49.24"N),实时监测河流水位、流速和SPM含量,结合河流断面面积可计算河流水沙通量.

2 结果与分析

2.1 南流江口沉积环境与沉积动力

强降雨对沿海地区的增水影响明显.河流水文监测结果显示丰水期正常天气状况下流量约195.7m3/s. 7月19日～8月8日南流江流域发生大规模强降雨,导致监测河段水位上涨了约4m,洪水期间流量最大可达2000m3/s以上,流速增大到2m/s以上(图3),海域SPM浓度相应增大(图4).洪峰后水位降低,但流速保持在1.5m/s以上.一次洪峰过程的SPM输送量超过正常天气状况下一年的SPM输送总量.

图3 2015年7月10日～8月8日期间南流江定点监测水深与流速变化

海域水体中SPM含量变化差异明显,洪水后含量最高(平均值为0.047g/L),枯水期次之(平均值为0.030g/L),丰水期洪水前最低(平均值为0.020g/L).枯水期由河口向外SPM含量降低趋势明显,丰水期洪水前SPM含量呈斑块状分布,无明显变化趋势,洪水后SPM含量显著增加,呈现明显的由河口向外降低趋势,并能明显看出SPM自河口从东往西运移趋势(图4).

图4 南流江河口枯水期与丰水期洪水前后SPM含量分布

2.2 TOC和TN含量季节性分布

如图5所示,2015年7月所采集表层沉积物中TOC的含量介于0.080%～0.948%,平均含量为0.460%;TN含量介于0.009%～0.118%,平均含量为0.054%;TOC/TN介于6.41～11.39,平均值为8.41. 2016年4月所采集样品的TOC的含量介于0.040%～1.220%,平均含量为0.461%;TN含量介于0.010%～0.146%,平均含量为0.062%;TOC/TN介于2.84～16.76,平均值为7.00.

2.3 δ13C、δ15N季节性分布

图5 南流江口表层沉积物中TOC、TN及TOC/TN的季节性差异

图6 南流江口表层沉积物中C、N同位素季节性差异

不同季节的沉积物样品中δ13C与δ15N变化特征如图6所示.

2015年7月份所采集样品中δ13C介于-23.86‰～-21.30‰,平均值为-22.68‰,δ15N介于8.99‰～11.04‰(4个样品N含量低,无法检测δ15N),平均为9.60‰. 2016年4月份所采集样品中δ13C介于-24.75‰～-18.98‰,平均值为-22.50‰;δ15N介于6.12‰～10.76‰,平均值为8.2‰(6个样品N含量低,无法检测δ15N).

3 讨论

3.1 悬浮颗粒物分布影响因素

根据SPM的分布特征(图4),枯水期SPM分布与丰水期洪水前后SPM的分布存在明显差异. 丰水期降雨量较大,非洪峰期间河口相对清澈,洪峰过后在远离河口的区域形成浑浊带,丰水期强降雨过程中大量地表颗粒物被冲刷进入河流,导致洪水后水体SPM含量显著增高,相比洪水前SPM含量高值区明显西移.根据早期观测结果,南流江口冬季偏北风盛行,落潮流加强,大量泥沙被浪、潮冲刷再悬浮,流向西南方;夏季风区范围大,涨潮流较强,物质输送方向受冲淡水、风向、外海涌浪等因素影响[13].根据数值模拟结果[14],陆源物质从南流江口门外西移离开廉州湾需要10d时间,南流江携带的大部分物质最终都向西和西南方运移,这与本文的观测结果完全一致.这一沉积动力环境是北海银滩得以存在的重要条件.

枯水期河口区SPM含量呈现明显的自陆向海降低趋势,枯水期河口区SPM含量远高于丰水期洪水前. 枯水期虽然径流量较小,但河口区域潮流、波浪扰动较强.2015年11月的坐底观测数据表明该区域中盐絮凝不占主导、高剪切率有利于絮凝体的形成,对底层的侵蚀是维持水体高SPM含量的主要原因[15].整体来看,洪水和浪潮分别是丰水期和枯水期控制该区域中物质输送的关键因素.

南流江河口高潮时期底部沉积物的扰动再悬浮对维持底部高悬沙浓度具有重要作用,在底部不受侵蚀的条件下颗粒物的侧向运移所引起的颗粒物沉降是维持底部水体稳定SPM浓度的重要原因[16].增大剪切参数有利于絮凝体的形成,形成后小絮凝体有向大絮凝体融合的趋势.絮凝体对水体中有机质及其他污染物的清除具有重要作用,特别是在夏季生物作用会进一步促进絮凝作用[17],这会进一步促进对水体中物质的清除能力.絮凝增加了颗粒尺寸,通过增加沉降速度可使河口最大浑浊带中的悬沙浓度减少了一半以上[18],这也是丰水期洪水前期水体中SPM含量远小于枯水期的原因之一.

3.2 物质来源与迁移特征

沉积物中的C、N含量和同位素组成与其来源密切相关[19].一般来说,陆生C3植物中TOC/TN>18, C4植物中>15,淡水水生植物中介于10～30,浮游生物中介于6～8,土壤有机质中为1～19[20].但是,有机质在运输过程中一般都会发生不同程度的降解,导致TOC/TN与原始母体中的值发生偏离,C、N的同位素特征相对较为稳定,通常将TOC/TN与13C、15N相结合进行有机质来源识别[21].简单来说,重同位素原子之间形成的化学键较为稳定,在各种缓慢的生物地球化学过程中更难被破坏,从而使得所产生的子体中贫重同位素,而残留的母体中富含重同位素[22].海源的有机碳13C组成相对偏正(-25‰～-15‰),而淡水(-35‰～-18‰)和土壤中(-33‰～-10‰)的有机碳13C组成相对偏负[21],这是13C可以用于识别物质来源的理论基础.

从含量上来看(图5),不同季节的TOC均值相当,枯水期TN含量轻微增加.根据1991～1996的监测结果[23],该区域内水体中氮含量呈现为平水期>丰水期>枯水期.而近几年来,在北海周边养殖区的监测结果表明秋季氮含量高于夏季[24],整个钦州湾近年来枯水期的富营养化愈加严重[25].在之前的研究中发现珠江口[26]、苏北浅滩[27]及整个中国近海[28]都存在枯水期氮含量显著高于丰水期,主要是因枯水期水温相对较低,藻类繁殖慢,营养盐消耗低,导致水体和沉积物中营养盐含量偏高.

枯季TOC/TN的变化范围更宽,低值更低、高值更高;丰水期的TOC/TN值显著高于枯水期,表明丰水期和枯水期河流输送入海的有机质贡献具有明显差异.丰水期降雨较多,有机质从源到汇的输送时间相对较短,有机质组成相对较接近,导致丰水期样品中陆源高等植物有机质含量更高.枯水期样品中TOC/TN变化范围较大,说明有机质组成差异较大,这与枯水期浪、潮对表层沉积物的反复扰动有关,导致沉积物强烈的混合,有机质也会发生不同程度的降解,因而呈现出巨大的差异.

从分布情况来看,丰水期与枯水期TOC、TN和TOC/TN值均呈现出完全不同的特征.丰水期样品中,TOC与TN含量高值区主要集中在北海市西南的半封闭湾区,这说明该区域是有机质的主要沉积区,但是该区域中TOC/TN值偏低,陆源有机质贡献较小,该区域中的有机质主要来源于浮游生物. TOC/TN的高值区主要集中在河口向外延伸区域,陆源有机质主要随河流冲淡水向外输送.在河口两侧区域的有机质主要源于浮游生物.结合TOC与TN的分布来看,有机质主要沉积在河口东侧的半封闭海湾,自河口向外主要源于河流输送的陆源有机质,河口东侧的半封闭海湾中主要沉积的是浮游生物贡献的有机质.而在枯水期,TOC与TN呈斑块状分布.根据TOC/TN,河口区有机质主要是河流输入的陆源有机质,离河口较远的区域有机质主要源于水生生物.

从其分布来看,该区域丰水期与枯水期的沉积环境存在明显差异,丰水期淡水输入量较大,陆源物质随冲淡水向外输送,同时因浮游生物的季节性繁殖差异,导致半封闭海湾中丰水期陆源有机质贡献较低;枯水期径流量较小,有机质难以输送到远离河口区域,自河口向外陆源有机质贡献快速降低(图6).

δ13C与δ15N的分布表明南流江口不同季节的沉积物中有机质组成基本相同,但是丰水期各样品中有机质组成更加接近;枯水期同位素变化区间较宽,主要是因陆源输送减少,样品中陆源与海源有机质混合程度相对较高.就同位素分布来看,其所指示的有机质来源与TOC/TN值所反映的结果基本相似.

3.3 与其他河口沉积环境的比较

南流江三角洲与其他河口三角洲的沉积环境既有共性,也存在明显的差异.季节性差异在不同的河口区域中均具有相似的影响.受长江径流季节性变化影响,长江口-闽浙沿岸泥质区沉积环境同样存在明显的季节性差异,夏季陆源输入较多,但是北上的台湾暖流较强劲,阻止了颗粒物向南输送,主要在长江口泥质区沉积;冬季台湾暖流减弱,南下的闽浙沿岸流加强,长江口的沉积物在冬季风暴的作用下再悬浮后随沿岸流南下,呈现出明显的“夏储东输”特性[29].受此影响,从长江口到整个东海内陆架的有机质分布也呈现较明显的季节性差异[30].在Hudson河口[31],春季洪水期间沉积物快速在近海堆积,洪水过后的2个月时间内,沉积物受到严重侵蚀,河口最大浑浊带(ETM)向陆移动10～30km,ETM中心新的沉积达到40cm,从全年来看,扰动再悬浮后沉积物再分配的沉降通量远大于河流直接输送的沉降通量.这种季节性快速堆积的特性在南流江三角洲同样明显.

因南流江水下三角洲区域整体水深较浅,大部分陆源物质都在水下浅滩汇聚,只有少部分越过5～10m水深区域[32-33],这就使得区域中的沉积物呈现为丰水期快速堆积,枯水期大范围混合改造的特性.全新世最高海平面以来,南流江三角洲平均向海推进速度为1.6m/a,并且约1/3全新世沉积层受到强烈改造[34],很大程度是因我国南部降雨充沛,冲刷强烈导致.现代南流江三角洲所处位置水深较浅,潮流强、潮差大,潮流影响更加明显,但在三角洲前缘波浪影响更大[10].局部环流也是控制三角洲发育与物质输送的关键因素,廉州湾区域主要受沿北海南部西向流影响,绕过最南端后北上,形成冲刷深槽,而后携带河流输送的物质向西南方运移[35-36]. 结合SPM的分布特征,无论丰水期或枯水期,环流西南向输送功能始终存在.三角洲区域沉积物丰水期快速堆积、枯水期扰动混合,这是丰水期与枯水期物质分布与来源存在明显差异的根本原因.随着近年来流域挖沙、上游水利工程建设等,导致入海泥沙急剧减少,河口区域可能会被逐渐冲刷[37].在长江口[38]、渤海[39]均发现冬季水体SPM含量较高,对水下沉积体系存在明显的改造.

3.4 对近海环境的影响

丰水期陆源物质能够运送至远离河口的外海开阔海域,而枯水期陆源物质聚集在河口后在浪潮的作用下逐步向外海运移,中小河流的这种季节性差异比大河更加明显.中小河流输送入海的沉积物受洪水影响明显,这一特性并非南流江所独有.比如在与该区域临近的越南北部红河Van Uc河口[40],丰水期具有明显的由陆向海沉积物输送;枯水期受潮汐影响较大,受强烈紊流剪切影响悬浮颗粒物粒径变化范围较大,沉积物难向河口外输送,这与南流江口的沉积环境非常相似.整体来说,枯水期河流径流量降低,使物质在河口汇聚,主要依赖浪、潮将物质输送至远离河口的地区.丰水期对陆源污染物的强烈输送,不仅使大量的陆源物质向外海运移,对近海的生物也会产生显著影响,比如在4～8月季风降雨期间印度近海的虾体内微塑料含量明显偏高[41].

在枯水期河流上游水体中的营养盐等含量也会显著偏高,加之枯水期较弱的水动力,使高营养盐含量的水体更容易在河口聚集,这也是目前的调查研究中普遍发现河口近海枯水期营养盐含量偏高、水质恶化的主要原因,如珠江口[26]、中国近海[42]等均是如此.南流江口枯水期较弱的向外海输送物质的能力,加之地形的影响[8]使南流江口周边海域枯水期水质受到较明显影响.

北部湾海域水体环境质量受到当地政府高度关注,对南流江环境进行了系统整治,并对相关区域进行了多年持续监测[43],海域部分环境指标有所改善(如石油类,图7),但化学需氧量(COD)、营养盐含量等未明显降低(图7).通过对北海周边监测站位平水期(10月、11月)、丰水期(7月)和枯水期(4月)的数据对比显示,活性磷酸盐、硝酸盐氮、氨氮平水期略高于丰水期,如活性磷酸盐丰水期3a均值0.007mg/L,平水期为0.010mg/L;氨氮丰水期为0.0214mg/L,平水期为0.0268mg/L.这就表明,虽然区域中的水体环境进行了系统治理,但是季节性环境要素仍然是导致水体环境质量不佳的重要原因之一,在后期的治理中应充分考虑如何进行有效的季节性调控[44].

图7 北海市周边20个站位不同时间水质监测结果对比图[11]

4 结论

4.1 不同季节悬浮颗粒物含量和分布模式差异显著,丰水期洪水前SPM含量较低(平均值为0.020g/L),洪水后SPM含量显著增高(平均值为0.047g/L),并向西南海域输送,河流输送是丰水期水体SPM的主要贡献源;枯水期水体SPM含量(平均值为0.030g/L)高于丰水期洪水前,主要受浪、潮扰动导致底层颗粒物再悬浮.

4.2 不同季节沉积物中TOC、TN平均含量相当, TOC平均含量均接近0.46%,丰水期和平水期TN含量分别为0.054%和0.062%,丰水期在河口东侧半封闭海湾中有机质含量较高,枯水期有机质呈斑块状分布,受区域环流和浪、潮共同控制.

4.3 陆源有机质对海域的贡献差异显著,丰水期陆源有机质向外输送明显,沿河口向南形成高陆源有机质沉积带,半封闭海湾中以海源有机质为主;枯水期陆源有机质贡献从河口向外快速降低,受扰动混合作用的影响,同位素组成变化范围增大,指示多来源混合.

4.4 丰水期颗粒物自河口向外输送后快速堆积,枯水期在浪、潮作用下使区域内物质强烈混合,这是该区域中沉积环境的主要特征,也是导致周边海域水体环境质量呈现明显的季节性差异的原因之一,后期水体环境治理过程中应充分考虑如何有效的进行季节性调控.

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Seasonal differences of terrigenous material transport in Nanliu Estuary and their effects.

DUAN Xiao-yong1, GAO Fei1, LIU Jin-qing1, YANG Lei2, YIN Ping1*, CAO Ke1,LI Yan-xia3, DONG Chao2

(1.Laboratory for Marine Mineral Resources, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao Institute of Marine Geology, China Geological Survey, Qingdao 266237, China；2.Zhejiang Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Ningbo 315012, China；3.Environment Research Institute, Shandong University, Qingdao 266237, China)., 2023,43(2)：800～808

The variations of organic matter content and isotopic composition in the surface sediments of the Nanliu River estuary during the wet season (July 2015) and the dry season (April 2016) were investigated to reveal the seasonal differences of terrestrial materials transported into the sea, and to evaluate their influences on the offshore environment. The results showed that the content of suspended particulate matter (SPM) decreased gradually with the increase of water depth in the dry season (average value: 0.030g/L). In the wet season, the content of SPM was lower before the flood (average value: 0.020g/L), and significantly increased after the flood (average value: 0.047g/L). It is indicated that waves and tides in dry seasons have greater disturbance to the surface sediments, resulting in a large amount of SPM, while waves and tides in wet seasons have less influence, and SPM content is mainly controlled by flood. The average contents of total organic carbon (TOC) and total nitrogen (TN) in sediments in different seasons were similar, and the average TOC content was close to 0.46%. The TN content in wet season and normal season was 0.054% and 0.062%, respectively, but the spatial distribution was significantly different. The content of organic matter is higher in the semi-closed bay east of the estuary in the wet season, and the distribution of organic matter is patchy in the dry season. According to the characteristics of isotopic compositions, terrigenous organic matter was transported outward from the mouth of the river during the wet period, and sedimentary zone with high terrigenous organic matter was formed southward along the estuary, and marine organic matter was the main source in the semi-closed bay. In dry season, the contribution of terrigenous organic matter decreased rapidly from estuarine outward. In the study area, the sedimentary environment was mainly characterized by rapid sediments accumulation after being transported outward from the estuary in wet seasons, and strong mixing under the action of waves and tides in dry seasons, which contributes to the obvious seasonal differences in the environmental quality of surrounding sea waters. Therefore, it is necessary to fully consider how to effectively carry out seasonal regulation in the future water environment treatment process.

Nanliu River；sedimentary environment；source to sink；seasonal differences；environmental influence

X522

A

1000-6923(2023)02-0800-09

段晓勇(1987-),男,湖南张家界人, 副研究员,博士,主要从事海洋地球化学方面研究.

2022-06-27

国家地质调查项目(DD20190237,DD20190276, DD20221775);科技部基础性工作专项(2013FY112200);浙江省地质矿产专项资金资助项目(〔省资〕2018009);亚洲合作资金资助项目(长江三角洲与红河三角洲海洋地质环境与地质灾害对比研究)

* 责任作者, 研究员, pingyin@fio.org.cn