1 引言

中国东部陆架海面积广阔，受东亚季风和海洋环流等的共同影响，是研究海陆相互作用的敏感地区。全新世以来，随着海平面的变化，我国东部边缘海陆架上形成了数个大面积的泥质沉积区^{[1, 2]}。这些泥质区蕴含着丰富的海陆变迁、 气候变化以及人类活动等信息。由于这些泥质沉积体沉积环境稳定、 沉积速率高、 地层连续性好，其沉积物近年来已成为古环境研究的重要材料^{[3, 4, 5, 6]}。

利用黄、 东海泥质沉积物进行的古气候研究中，通过沉积物的环境敏感粒径重建东亚冬季风强度演化是一项重要的工作^[3]，已获得了一系列重要研究成果。目前一般认为，东亚冬季风通过驱动我国东部陆架的沿岸流，对河流入海泥沙的再悬浮颗粒进行搬运，随后这些物质在泥质区沉积下来； 东亚冬季风强度越大，所搬运的悬浮体颗粒就越粗，泥质沉积物环境敏感粒级的平均粒径就越大，反之平均粒径越小^{[7, 8, 9, 10, 11]}。研究者已利用此方法分别对济州岛西南泥质区^[11]、 南黄海中部泥质区^[12]和闽浙沿岸泥质区^{[13, 14]}的沉积物进行了分析，重建了过去几千年来东亚冬季风的演化信息。其他一些相关研究也支持泥质区沉积物敏感粒度可作为东亚冬季风代用指标的观点^{[15, 16]}。

近年来不断有学者对泥质沉积物粒度反映的古环境信息提出不同看法。王可等^[17]指出闽浙沿岸泥质区沉积物敏感粒级的平均粒径不能简单地用于反映东亚冬季风强度，夏季风降水也会通过河流输入影响入海物质的沉积搬运。对长江口泥质区沉积物的研究^[18]也发现，沉积物敏感组分的平均粒径与东亚冬季风强度指数变化无明显相关，但受夏季风作用下的长江入海输沙的影响。而在北黄海泥质区的研究表明，该区域沉积物粒径更多受到夏季风降水控制的河流径流量的影响^[19]。

由上述研究可见，目前陆架泥质区敏感粒级的平均粒径作为东亚冬季风替代指标在不同区域应用的可靠性尚需进一步研究确定。王琳淼和李广雪^[3]通过分析认为，不同泥质区或者同一泥质区的不同位置受到海洋动力、 陆源物质以及河流入海泥沙等的影响不同，导致了沉积物的沉积过程及其对全球变化的响应存在差异，沉积物敏感粒度所反映的环境信息也会有所不同。虽然研究者对济州岛西南泥质区和闽浙沿岸泥质区的成因、 陆源物质输送机制以及环流体系有了较为一致的看法^{[8, 9, 10, 11]}，但由于黄海复杂的海洋动力系统及其与东海环流体系较大的差异性^[3]，目前对黄海泥质体的成因、 物源和沉积动力机制等尚未有统一的认识。此外，之前在黄、 东海泥质区的研究主要集中于整个全新世特别是中全新世以来长时间尺度冬季风记录的重建，对不同泥质区高分辨率的沉积记录与器测数据的对比较为缺乏，使得利用泥质沉积物重建古气候记录的研究基础仍较为薄弱。

为探讨短时间尺度黄、 东海不同泥质区沉积物敏感粒度影响因素的复杂性及其能否用于重建东亚冬季风强度，本文分别对南黄海中部泥质区、 北黄海西部泥质区和长江口泥质区的3根沉积柱进行分析，利用粒级-标准偏差法提取出沉积物中的环境敏感粒度组分，重建过去100余年来三泥质区高分辨率的环境沉积记录，并将3个敏感粒径序列相互对比，最后将3根沉积柱的敏感粒径序列与器测数据(西伯利亚高压)进行对比，探讨沉积物敏感粒度作为东亚冬季风替代指标在黄、 东海一些泥质区的可用性以及影响粒度变化的可能机制。

本研究所用38002(37°59.92′N，122°30.21′E； 水深49.2m)、 35009(35°00.15′N，123°29.75′E； 水深75.8m)和T02(31°40.34′N， 122°60.06′E； 水深42.1m)站位柱状样分别来自北黄海西部泥质区、 南黄海中部泥质区和长江口泥质区(图 1)，其中38002和35009柱由中国科学院海洋研究所2009年中国近海海洋科学考察开放航次秋季和春季航次“科学一号”考察船获得，T02柱由973项目(我国陆架海生态环境演变过程、 机制及未来变化趋势预测)春季航次“东方红2号”考察船获得。其中38002柱长34cm，35009柱长40cm，利用插管方法采集，均以0.5cm间隔分样。利用插管方法获得的T02柱长26.5cm，以0.5cm间隔分样； 另有T02站位重力柱1根，长173cm，以1.0cm间隔分样。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区与站位分布(底图据李广雪等[20]修改)图中深灰色区域为泥质区分布，灰色线条为等深线(单位:m) Fig. 1 Location of the study site(map is modified from Li et al.[20]). Mud areas are shown in dark grey and topographic lines (m) are shown in light grey

在T02、 35009和38002柱分别选取19个、 11个和18个样品自然风干、 研磨后进行 ²¹⁰Pb、 ¹³⁷Cs测年，用美国AMETEK公司的低本底高纯锗γ能谱仪(型号GWL2DSPEC2PLUS)测试，35009和38002柱以取样时间2009年为测年零点，T02柱以取样时间2011年为测年零点。²¹⁰Pb、 ¹³⁷Cs测年在中国科学技术大学极地环境研究室完成。

粒度分析在泰山学院土壤与环境变化实验室进行，具体方法如下: 取少量样品加10~20ml 30％ H₂O₂，摇匀并加热150°C以除去有机质，之后加入10ml 10％的盐酸除去碳酸盐，静置48小时后加入10ml 10％的分散剂(六偏磷酸钠)，超声10分钟后，用Mastersizer 2000 型激光粒度仪进行粒度测试。仪器测量范围为0.02~2000μm，粒级分辨率为0.01，重复测试的相对误差<2％。

本文使用粒级-标准偏差变化曲线法获取粒度的敏感组分，提取沉积物粒度分布特征。粒级-标准偏差变化曲线反映了不同样品的粒度含量在同一粒级的差异，粒度含量在同一粒级的变化较大时，标准偏差较大； 反之标准偏差较小，较大的标准偏差值所对应的粒度即为对沉积环境变化敏感的粒度众数^[21]。本文以肖尚斌等^[22]的定义方法计算敏感组分，并分别获得敏感粒级组分的粒径变化序列。

由于T02孔插管获得的沉积柱底部 ²¹⁰Pb尚未达到平衡，因此使用重力柱进行衔接。T02孔过剩 ²¹⁰Pb和 ¹³⁷Cs的垂直分布(图 2a和2b)显示，沉积柱过剩 ²¹⁰Pb随深度呈显著的指数变化(R²=0.9438)，在40cm处，²¹⁰Pb活度基本达到平衡。因此采用稳定起始浓度(Constant Initial Concentration)模式^[23]计算年代，据此得到T02孔柱状样的平均沉积速率约为0.27cm/a，计算得到的沉积时间为1908~2011A.D.，长约103年。T02孔的 ¹³⁷Cs浓度在15cm处出现峰值，标记为1963A.D.，这一年代与 ²¹⁰Pb计算得到的年代类似，因此以下统一使用其 ²¹⁰Pb年代结果。35009孔(图 2e)和38002孔(图 2c)过剩²¹⁰Pb活度也均与深度之间呈良好的指数关系，其中38002沉积柱显著的¹³⁷Cs峰值(图 2d)年代与²¹⁰Pb年代也一致。据此计算的35009孔和38002孔平均沉积速率分别为0.20cm/a和0.15cm/a，沉积时间分别为1744~2009A.D. 和1755~2009A.D. ^{[19， 24]}。

图 2(Fig. 2)

图 2 T02孔(a，b)、 38002孔(c，d)和35009孔(e)过剩 210Pb、 137Cs的垂直分布 Fig. 2 Activity 210Pb and 137Cs profiles for the Core T02(a，b)， Core 38002(c，d)and Core 35009(e)

沉积物粒度的频率分布曲线能直观地反映出其所包含的粒度组分(单组分或多组分)信息以及粒度分布特征^[21]。由图 3可见，35009孔和38002孔典型沉积物的粒级频率分布曲线多以单峰为主，但也有部分样品存在显著的双峰特征； 而T02孔沉积物粒度为多峰分布特征。同时，典型粒度频率分布曲线也指示，沉积柱均为泥质沉积。

图 3(Fig. 3)

图 3 35009孔、 38002孔和T02孔粒度分析结果 图中彩色曲线为不同深度沉积物粒度频率分布曲线； 黑色曲线为标准偏差变化曲线，数字1~3代表 3个粒度组分 Fig. 3 Result of grain size analysis in cores 35009，38002 and T02. Colorized lines show frequency distribution of sediments of different depths，and the black lines show grain size-standard deviation curve. The numbers 1，2 and 3 are three components indicated by the grain size standard deviation curve

三孔沉积柱的粒级-标准偏差变化曲线如图 3所示。由于近海沿岸流携带的多为细粒物质，据前人的研究^{[7, 11]}推断，35009孔样品中(图 3)，>63μm所代表的粗粒物质可能由风暴潮所致。35009孔沉积物标准偏差含量分别在0.8μm、 5.0μm和39.8μm处出现显著的峰值，分别标记为组分3、 2和1，三组分所处粒级范围分别为＜1.3μm、 1.3~15.1μm和15.1~63.0μm。对于38002孔样品，>63μm 的组分同样不予考虑，其余组分3个明显的标准偏差峰值分别出现在0.7μm、 8.7μm和34.7μm处，分别标记为组分3、 2和1，三组分所处粒级范围分别为＜1.3μm、 1.3~15.1μm和15.1~63.0μm。据张端等^[25]的研究可推断，T02孔样品中>63μm的粒级沉积物极可能受到风暴的干扰，在此也只考虑＜63μm粒度组分。从图 3可见，T02孔沉积物分别在0.7μm和22.9μm处出现标准偏差峰值，分别标记组分为2和1，两组分所处粒级范围分别为＜1.3μm和1.3~52.5μm。

据以上结果我们分别计算了三孔各粒度组分的含量和平均粒径(图 4)。35009沉积柱的组分2和组分3粒级含量和平均粒径变化都不明显，组分1的平均粒径和粒级含量的变化均非常显著(图 4a和4b)。38002沉积柱组分1和组分2的粒级含量大致呈现相反变化的趋势，且均有明显的波动，组分3的粒级含量变化较小； 组分2和组分3的平均粒径变化幅度很小，而组分1的平均粒径变化显著(图 4c和4d)。T02孔组分2的平均粒径和粒级含量变化不明显，组分1的平均粒径和粒级含量均有相对明显的波动(图 4e和4f)。因此，3根沉积柱的敏感粒级组分均为组分1，其中35009孔组分1的粒级含量变化范围为9％~25％，平均含量17％，平均粒径变化范围为24.1~29.6μm； 38002孔组分1的粒级含量变化范围为28.5％~47.0％，平均含量36.3％，平均粒径变化范围为22.9~29.1μm； T02孔组分1的粒级含量变化范围为51.1％~91.6％，平均含量71.3％，平均粒径变化范围为11.8~16.5μm。

图 4(Fig. 4)

图 4 35009孔(a，b)、 38002孔(c，d)和T02孔(e，f)沉积柱各粒度组分的平均粒径及粒级含量变化 Fig. 4 Variations of mean grain sizes and contents of various components in cores 35009(a，b)，38002(c，d)and T02(e，f)

近海泥质区沉积物敏感粒级的平均粒径被广泛用于重建东亚冬季风强度序列^{[3, 7, 8, 9, 10, 11, 12]}。东亚冬季风属于亚洲大陆大范围的大气环流系统，其强度变化在我国黄东海陆架区的区域差异应较小。由于3根沉积柱过剩 ²¹⁰Pb含量均呈显著的指数变化，且38002孔和T02孔具有显著的 ¹³⁷Cs峰，在年代较为精确的情况下，可以推测: 在短时间尺度上，假如泥质区沉积物的敏感粒度变化主要反映了冬季风的强弱变化，则3个泥质区沉积物敏感组分的粒度变化趋势应一致，与东亚冬季风强度序列也应有很好的一致性。

对比三孔敏感粒级的平均粒径序列发现(图 5)，南黄海中部泥质区35009孔(图 5b)和长江口泥质区T02孔(图 5a)序列的变化趋势一致，呈较显著的正相关(R=0.66，P<0.001，P表示显著性水平)； 但两孔均与北黄海西部泥质区38002孔(图 5c)敏感粒级平均粒径的变化趋势相反。在1950年左右，35009和T02孔敏感组分的平均粒径都达到最细，之后逐渐变粗，而38002孔敏感组分的平均粒径在1955年之前明显呈增加趋势，1950年左右达到最粗，之后逐渐变细。上述结果表明，三孔的敏感组分粒度变化不完全一致，38002孔与其余两孔的差异较大，因此不同区域沉积柱敏感组分平均粒径变化反映的古气候信息可能有所差别。

西伯利亚高压在冬季几乎控制整个亚洲大陆的大气环流系统。西伯利亚高压的位置和强度决定了东亚冬季风的强弱，其增强会使东亚冬季风增强，反之冬季风减弱^[26]，因此西伯利亚高压的强度常被用于指示东亚冬季风的强弱。

图 5(Fig. 5)

图 5 T02孔(a)、 35009孔(b)和38002孔(c) 敏感粒级组分的平均 粒径与1871~2004年之间西伯利亚高压指数[27](d)的对比 在(d)中灰线为西伯利亚高压指数年际变化，黑线为5年滑动平均 Fig. 5 Comparison of the mean grain sizes of the sensitive components of cores T02(a)，35009(b)，38002 (c) and Siberian High index[27] from 1871 year to 2004 year. In(d)，grey line for Siberia High index and black line for 5-point running average

为进一步探讨上述三孔敏感组分的平均粒径变化与东亚冬季风之间的关系，本文以35009孔、 38002孔和T02孔敏感组分的平均粒径与1871~2004年间西伯利亚高压强度指数^[27]进行对比(图 5)，结果显示三孔敏感组分的平均粒径与西伯利亚高压指数序列的趋势均不一致。将三孔敏感粒径序列分别按照平均时间分辨率进行线性内插，然后将西伯利亚高压指数序列分别内插至与三孔序列的时间分辨率一致，进而进行相关分析，发现西伯利亚高压与三敏感粒径序列均无显著的相关(图 6)。其中35009和T02孔敏感组分平均粒径与西伯利亚高压指数均呈一定的负相关关系(R=-0.24，P=0.15，n=36； R=-0.43，P=0.001，n=53)，1940~1960年期间，西伯利亚高压较强，35009和T02孔的敏感组分反而均较细。38002孔敏感组分的平均粒径虽与西伯利亚高压指数呈一定正相关(R=0.37，P=0.055，n=28)，但其平均粒径自1955年前后开始减小，而西伯利亚高压在1980年之后才开始明显减弱。以上结果说明，在年代际尺度上，冬季风驱动的沿岸流或许会对一些泥质区的沉积物敏感粒度产生一定影响，但并非其变化的主导因素，有其他因素掩盖了冬季风的影响。

图 6(Fig. 6)

图 6 35009孔(a)、 38002孔(b)和T02孔(c)敏感粒级组分平均粒径与西伯利亚高压指数[27]的相关分析 Fig. 6 Statistical correlation analysis of mean grain sizes of the sensitive grain size populations of cores 35009(a)，38002(b) and T02(c)versus Siberian High index[27]

一些研究认为，中国近海泥质沉积物敏感粒径的变化是由东亚冬季风驱动沿岸流所致，因此可用于重建东亚冬季风强度，据此研究者已利用黄、 东海泥质区沉积物的敏感粒度建立了多个东亚冬季风强度演化序列^{[7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 28]}。然而对比发现，不同研究重建的近两千年来的冬季风强度序列变化趋势存在显著差别，可能为河流输入的影响和定年误差等导致^[14]。同为近百年来的沉积记录，Wang等^[29]研究闽浙沿岸泥质区南端的沉积柱时发现，其沉积物敏感组分粒度与西伯利亚高压强度序列变化趋势一致，因此认为其敏感组分平均粒径的变化主要由冬季风控制； 而本文研究的上述3个泥质区沉积柱的敏感粒径均与冬季风强度序列变化趋势不一致，表明一些区域沉积物敏感粒径变化在年代际尺度上的主控因素并非冬季风驱动的沿岸流，不同区域沉积物粒度所受的主要影响因素也有很大差别。

泥质区沉积物粒度变化受到物源和复杂的输送、 沉积动力过程影响，且不同研究对泥质区沉积物沉积特征的解释并不完全统一^{[13, 14, 15, 16, 17, 30]}，因此在进行气候重建时需考虑泥质沉积物粒度主控因素的区域性。38002孔所在的北黄海西部泥质区在山东半岛北部，被认为是现代黄河的远端沉积^[31]。有研究表明^[32]，北黄海泥质区的形成与北黄海冷水团环流有着密切的关系，在中国东部海悬浮物“夏储冬输”的季节变化格局下，主要是现代黄河入海泥沙由渤海沿岸流搬运，受潮汐场控制而形成^{[31, 33]}。在这种特殊的沉积环境下，北黄海泥质区沉积物敏感粒度可能受东亚冬季风驱动的沿岸流影响较小，因而与西伯利亚高压指数无显著的线性相关(图 6b)。相关研究也显示，在过去200余年间，38002孔的沉积特征与夏季风指标序列显著相关，可能主要受夏季风降水控制的黄河径流影响^[19]。

35009孔所在的南黄海中部泥质区沉积物属于冷涡沉积，主要是现代黄河排放的泥沙经渤海海峡南岸、 绕山东半岛输送而来^{[7, 28, 31]}。也有学者提出^[32]，南黄海中部泥质区受弱潮流影响，其形成在一定程度上与上升流-下沉流体系有关。之前利用南黄海中部泥质区沉积物重建冬季风强度的研究主要集中在中全新世以来较长的时间尺度上^{[12, 28]}，而本研究发现近百年来35009孔沉积物敏感组分平均粒径与冬季风强度变化无显著相关(图 6a)，证实了王琳淼和李广雪^[3]在这一区域的研究结果。我们推测，可能是由于时间尺度太短，其他因素干扰较强，故沉积物粒度敏感组分并不能反映冬季风强度变化。王琳淼和李广雪^[3]的研究还发现，该泥质区沉积物的环境敏感组分平均粒径的变化与东亚夏季风强度之间存在良好对应关系。因此需要更多记录的对比及模拟工作进一步研究其相关机制。

在距离河口较近的区域，河流输入物质等因素可能直接影响到沉积特征，沉积序列反映的已不仅是东亚冬季风强度变化^{[14, 17]}。本研究所选的长江口外泥质沉积柱T02的沉积物敏感组分与冬季风强度变化趋势不一致(图 6c)，可能是受河流输沙影响所致。

除气候影响外，其他因素如河流入海口改变导致的研究位置距入海口距离的变化等^[34]也可能通过影响沉积物物源以及海洋动力对敏感粒度变化产生干扰。杨作升等^[18]对长江口泥质区的两个沉积柱的研究表明，百年来影响该区域沉积物粒度变化的主控因素是两孔距离长江主泓入海位置的远近，并非夏季风影响的长江径流和输沙量或东亚季风强度影响的海洋动力。对南黄海泥质沉积物物源的研究^[24]也发现，该区域沉积物沉积特征也可能受到了长江入海主泓变动的影响。黄河入海口在历史上曾经发生过多次改道，最近一次大型的自然改道事件发生在1855年^[34]。 黄河改道会造成渤海和黄海地区沉积物的来源和沉积动力环境的突变，可能也会对该区域泥质沉积物的粒度特征产生影响。在短时间尺度上，上述事件可能使得黄、 东海泥质沉积物敏感粒度的影响因素更加复杂。

综上所述，影响泥质区沉积特征的主控因素较复杂，不同泥质区沉积物敏感粒度的主控因素可能不同，重建的环境信息也会有差别。本文研究结果表明，在年代际时间尺度上，北黄海西部泥质区和南黄海中部泥质区由于特殊的成因机制可能受冬季风驱动的沿岸流影响较小，长江口泥质区则受长江输沙等因素的影响较大，导致这些区域沉积物的敏感粒径变化均与反映冬季风强度的西伯利亚高压指数序列无显著相关。因此，利用泥质区沉积物敏感粒度的平均粒径重建东亚冬季风强度时需谨慎，在具体研究中应该考虑到沉积物沉积动力过程的复杂性以及敏感粒度提取和应用的限制条件，以便从泥质沉积物中准确提取出高分辨率的古气候信息。值得注意的是，不同时间尺度上，敏感粒度变化的主控过程可能不同，有必要对不同时间尺度下各泥质沉积体对气候变化的响应机制进行深入研究。

本文对南黄海中部、 北黄海西部和长江口3个泥质区的沉积柱粒度进行综合分析，分别得到了三泥质区沉积物敏感组分粒度百余年来的变化特征。通过与西伯利亚高压器测数据的对比，结论如下:

(1)过去100余年间，不同泥质沉积区的指标序列之间的变化趋势并不完全一致，其中南黄海中部泥质区35009孔和长江口泥质区T02孔的结果较为一致，但两者与北黄海西部泥质区38002孔的结果变化趋势相反，且3个泥质区沉积柱敏感粒度序列均与西伯利亚高压变化趋势不同。

(2)陆架泥质区沉积物的敏感粒度受多种因素的综合影响，在年代际时间尺度上，受冷涡环流影响的泥质区沉积物敏感粒径可能不能用于重建冬季风强度； 除冬季风驱动沿岸流作用之外，夏季风影响下的河流水沙变化、 黄河改道以及长江主泓变化事件等也可能对其产生影响。因此，不能统一地将黄、 东海泥质区沉积物敏感粒度的平均粒径作为东亚冬季风的替代指标，需考虑泥质沉积物敏感粒度驱动因素的区域性。

(3)尽管目前对于我国东海陆架泥质区的研究有了一定的认识和成果，以后仍应加强对泥质区沉积动力机制，尤其是敏感粒度变化对气候变化的响应机制等方面的研究，进一步探讨不同时间尺度上不同泥质区沉积物敏感粒度作为东亚冬季风指标的可靠性。

致谢 感谢匿名审稿专家提出了关键性的意见和建议。感谢航次期间江文胜教授、 邢磊副教授等老师和杨茜等同学在采样等方面的帮助，感谢贾楠博士和徐圆圆在实验方面的帮助。