第四纪研究  2016, Vol.35 Issue (1): 86-92   PDF    
海南岛陵水新村港表层沉积物无机碳分布特征及其指示意义
董婷婷, 葛晨东 , 张响, 董智, 刘晓瞳    
(南京大学地理与海洋科学学院, 南京 210023; 南京大学中国南海研究协同创新中心, 南京 210023; 南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室, 南京 210023)
摘要    新村港位于海南省陵水县东南部, 面向南海, 是海南岛不可多得的天然避风港, 同时新村港是一个为潮汐所控制的近封闭状的天然潟湖。 本文在海南陵水新村港采集33个表层沉积物, 同时, 在各站位使用多参数水质仪(YSI)测量了水层的水温、pH值数据, 通过对海南陵水新村港的表层沉积物的粒度分析和无机碳数据分析, 研究了该地区表层沉积物无机碳的特征及其指示意义。结果表明, 新村港的平均粒径是在0.8~7.9ø之间波动, 平均值为4.4ø, 湾内粒径较细并向岸边逐渐变粗; 分选系数是在1.1~2.5之间波动, 平均值为1.8, 分选较差。同时研究表明温度、pH值以及人类活动都对新村港的无机碳含量产生影响。新村港的无机碳含量具有北部高、西部低, 湾内高、口门低的特点。其高值区出现在湾内以北的水域, 最大值可达10.6 %, 并随着离口门距离的减小而逐渐降低; 低值区出现在研究区的西部及其南部, 梯度变化较小。其最大值十分接近于珊瑚礁的碳酸钙的无机碳含量(12 % ), 说明在湾内表层沉积物中珊瑚礁碎屑是主要成分, 主要来自附近的珊瑚礁平台。
主题词     表层沉积物    无机碳    物质来源    珊瑚礁平台    海南岛    
中图分类号     P736.14;P59                    文献标识码    A

1 引言

潟湖是一种重要的海岸地貌类型,它是全新世海侵以来发育的脆弱海岸地带,主要是以淤积环境为主。潟湖海岸分布较为广泛,约占世界海岸线总长度的13%。现代潟湖有着丰富的自然资源,能够为盐业、 养殖业以及旅游业提供理想场所。因此,潟湖研究对于环境演变以及人类的生产生活都具有重要的意义[1, 2, 3, 4]

碳酸盐是沉积物中的碳组分之一,它的沉淀与溶解受到水体温度、 盐度、 pH、 生物扰动等多种因素的控制,并影响着海水碳酸盐系统的平衡[5] 。它是海洋学研究的重要内容之一,与全球碳循环以及气候环境都有着密切的关系[6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13] 。因此,研究表层沉积物的无机碳分布特征是海洋学的一个重要的方面,许多学者做了较为深入的研究[14, 15, 16, 17, 18] 。对于新村港的研究也展开了不少的工作,如对浮游植物群落特征的研究分析[19] 、 潮汐汊道的演变及其稳定性的分析[20] 、 表层沉积物重金属分布特征及污染分析[21] 等等。但是对于新村港湾内表层沉积物无机碳分布特征方面的研究很少。因此,探讨新村潟湖表层沉积物无机碳分布特征及其物源指示意义不仅可以为海南国际旅游岛先行试验区潮汐汊道海湾动力地貌及双湖连通工程选址研究提供科学依据,也可以在学科上丰富潟湖沉积物来源的研究。

2 研究区概况

新村港位于海南省陵水县东南部,面向南海,是海南岛不可多得的天然避风港,同时新村港是一个为潮汐所控制的近封闭状的天然潟湖。港内南北长4.5km,东西宽5.5km,面积约19.43km2。湾口朝向西南。新村港海底地貌较为单一,为潟湖盆地,湾内有珊瑚礁分布[22] 。新村港口窄内宽,口门处最窄约100m,港内中心水深较深,最深处可达12m。

根据陵水县新村港气象观测站资料[22] ,研究区年平均降水量1699.9mm,年平均气温为25.0℃,光照充足,四季常青,年平均日照时数2375.5小时,适宜种植热带作物以及反季节瓜菜。但同时该地区由于冬季盛行东北风,夏季盛行西南风,每年5-12月,尤其是7-10月常受热带气旋或台风的侵袭。

3 材料与方法

2013年8月10日-2013年8月20日根据GPS-RTK定位,在海南陵水新村港用不锈钢圆弧抓斗采集33个表层沉积物,采样站位如图1 所示。同时,各站位使用多参数水质仪(YSI)测量了水层的水温、 pH值数据。沉积物样品运回实验室后放入冰柜中冷冻储藏,之后再将冷冻过的样品放入冷冻干燥机中冻干,取出后用研钵磨细搅匀,装入样品袋中以备分析。

图1 新村港表层站位分布图 Fig.1 Sediment sampling stations in the Xincun lagoon

对采集样品进行粒度、 无机碳含量的测定。粒度数据是利用英国Mastersizer2000型激光粒度仪进行分析,并根据文献[16] 的方法计算了粒度参数。总无机碳(Total Inorganic Carbon,简称TIC)含量通过UIC CM5015库伦仪测定。以上样品分析是在南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室完成。

4 结果与讨论 4.1 粒度分布特征

沉积物粒度参数主要是反映沉积物来源以及沉积环境。从图2 可知,整个新村港的平均粒径是在0.8-7.9φ之间波动,平均值为4.4φ,平均粒径的最大值出现在B100站位,最大值为7.9φ,最小值出现在B005站位,最小值为0.8φ,湾内粒径较细并向岸边逐渐变粗,然而在潟湖的中心粒径较粗,这可能与该位置有珊瑚礁分布有关; 分选系数(σ)是在1.1-2.5之间波动,平均值为1.8,最大值出现在B034站位,最大值为2.5,最小值出现在B100站位,最小值为1.1。因此,新村港潟湖湖岸颗粒较粗,分选较差,说明水动力较强,对泥沙的搬运能力较强,泥沙呈现不稳定的状态。

图2 新村港表层沉积物粒度参数空间分布图 Fig.2 Spatial distribution of grain size parameters of surficial sediments in the Xincun lagoon
4.2 无机碳分布特征

新村港表层沉积物TIC值含量的变化范围为0.5%-10.6%,平均含量为5.8%(图3a)。由图3a 可知,新村港的TIC值含量具有北部高、 西部低,湾内高、 口门低的特点。最大值可达10.6%,并随着离口门距离的减小,TIC值逐渐降低; 低值区出现在研究区的西部及其南部,梯度变化较小。

图3 新村港表层沉积物无机碳分布(a)、 水体平均温度分布(b)和水体pH分布(c) Fig.3 Spatial distribution of inorganic carbon content of surficial sediment(a),average water temperature (b) and pH (c) in the Xincun lagoon
4.3 无机碳含量影响因素

海水温度、 盐度等多种因素对海洋沉积物中碳酸盐的沉淀和溶解具有重要的影响,碳酸盐是海洋沉积物中无机碳最主要的存在形式,它的沉淀与溶解影响着海水碳酸盐系统的平衡[14]

4.3.1 海水温度

温度变化对碳酸钙的沉淀与溶解起着至关重要的作用。温度升高,碳酸钙易于沉淀,水体中的无机碳含量升高[14] 。由水层平均温度分布图(图3b)并结合TIC值分布图(图3a)可以看出,在新村港的北部温度较高,TIC值也较高,这是因为北部的高温有利于碳酸钙的沉淀,所以北部的TIC值较高; 新村港在口门位置的温度较高,而TIC值较低,这有可能与水动力条件相关。

4.3.2 pH值

一些自然因素和物理化学因素会引起水体过饱和继而对水体中的无机碳含量产生影响。潟湖表层沉积物中的有机质随着时间的推移,不断被氧化分解,其含量也就越来越少,所产生的二氧化碳与水体中的Ca等离子结合形成方解石,使得潟湖沉积物中碳酸盐越来越高。潟湖中藻类的光合作用与水体的pH值密切相关,而pH值控制着无机碳的沉淀与溶解,当pH值较高时,有利于碳酸盐的沉淀; 当pH值较低时,有利于碳酸盐的溶解[14] 。结合TIC值分布图与pH值分布图(图3c)可以看出,新村港北部pH值较高,TIC含量也较高,这是因为新村港北部pH值高不利于自身沉积物中碳酸盐的溶解所导致的; 而在新村港的南部及其西南部,pH值较低,TIC值也较低,可能与碳酸盐较易溶解有关。

4.3.3 人类活动影响

工业革命以来化石燃料的燃烧和土地利用的变化等人类活动的影响产生了大量的二氧化碳,使得空气中的二氧化碳浓度迅速升高,而海洋对大气中的二氧化碳浓度有极大的缓冲作用,这势必也会对海水碳酸盐系统的平衡产生影响,进而影响底质表层沉积物中无机碳浓度[15]

浮游植物的光合作用大量吸收无机碳,又引起 CO2的下降,使得水体中的无机碳浓度发生变化,进而影响底质表层沉积物中无机碳浓度[23, 24] 。叶绿素的浓度是浮游植物现存量的重要指标,而无机碳与浮游植物的生长有着密切的关系,是浮游植物繁衍生长所必需的成分。生物活动对无机碳具有显著的影响,浮游植物的光合作用将大量的无机碳转换为有机碳。新村港内在南部有海草床分布,海草的生长消耗了无机碳,可能是导致其TIC值较低的原因。

近年来海南陵水县的湾内养殖业很是繁盛,当地居民利用天然的港湾进行各种水产养殖。研究表明在海水的养殖过程中,养殖沉积物中含有大量的氮、 磷,而沉积物中氮、 磷的变化影响有机碳的矿化分解从而影响无机碳的沉淀与溶解[25] 。同时海水养殖区表层沉积物极易受到水流作用的扰动,因此沉积物中的营养物质会随着沉积物的悬浮进入水体,从而对表层沉积物中的无机碳产生影响[26]

4.4 沉积物中无机碳来源 4.4.1 粒度参数指示沉积物来源

沉积物的粒度特征能够反映沉积物来源、 水动力条件以及搬运距离等信息[16] 。沉积物的平均粒径和分选系数与沉积物来源关系密切。源区的粒度分布以及搬运介质的平均动能能够影响平均粒径,因此在源区一致的情况下,平均粒径可以反映底流的平均动能。通常来说,粗颗粒沉积见于高能环境而细颗粒沉积见于低能环境,并且沉积物在输运过程中沿着输运的方向粒径不断变细[27, 28, 29, 30] 。在本研究中,新村港涨潮流经过潮汐汊道向湾内进行输沙,潮流作用逐渐减弱,泥沙开始沉降,粗颗粒物质首先沉降下来,细颗粒物质继续向湾内进行输送。从表层沉积物平均粒径分布可以看出,新村港表层沉积物平均粒径的φ值由口门向潟湖中心递增,口门位置的平均粒径要小于湾内的平均粒径,口门主要以粗颗粒为主,湾内则是以细颗粒为主。另外,靠近湖岸的沉积物较粗,湖中心总体较细,由此可以推断新村港沉积物的来源可能是通过涨潮流及周边地表径流带入湾内的。

4.4.2 无机碳来源

新村港潟湖沉积物来源可能有3种:1)陆 源沉积输入; 2)通 过潮流从外海输入; 3)潟 湖本身提供。新村港北部内并没有大河注入,仅仅在桐栖港的北面A处和新村港的西北面B处有两条小溪注入(图4a),一条位于桐栖港的西北方向,该条河流与新村港的TIC高值区相距甚远; 其次另外一条河流虽然是在新村港的西北方向,但距离新村港的TIC高值区也还有一定的距离。 因此这两条河流从外面带入潟湖沉积物中的碳酸盐不足以使得新村港北部TIC含量如此之高,这也说明新村港北部TIC的来源不是河流所带来的外源碳酸盐。

图4 新村港周边地质图(a)和地貌图(b)[22] Fig.4 Geology map (a) and landforms (b) for the surrounding area of the Xincun lagoon

新村港的北部TIC含量较高,然而南部却很低,相对于北部的变化梯度较大,南部的TIC含量整体偏小,且变化幅度较小。这可能与新村港的地质条件相关。 全新世海侵期间,波浪不断对山丘的风化壳进行撞击和侵蚀,一部分侵蚀的泥沙物质沿着平头山与六量山之间的狭道向北运移,形成一条南北向的连岛沙洲,从而分隔了原本连在一起的海湾: 东侧为黎安港,西侧为新村港; 另一部分侵蚀物质则随沿岸波流运移和堆积,使新村港海湾和黎安港海湾成为半封闭的潟湖水体[31, 32] 。所以新村港的沉积物有部分来自于南部山丘。

新村港周围主要为海积阶地、 潟湖平原、 构造侵蚀中、 高丘,南部为南湾半岛,地势较高,东、 西、 北三面地势较低,由图4a 可以看出,在新村港南部主要分布着花岗岩,花岗岩经过长期的风化变成石英砂,由南部地势高的地区被带入新村港内堆积,产生冲淡作用,可致TIC含量较低。

新村港自形成以来,除了陆源沉积物的输入外,还接受随着涨潮流输入的外海沉积物,并在港内不断淤积; 涨落潮水的进出使得内外水体得以交换,涨落潮所挟带的泥沙分别堆积在潮汐通道内、 外两侧的口门附近,形成弧形沙坝或涨、 落潮三角洲[31, 32] 。 然而其高TIC含量的地区在其北部,且新村港的水动力条件是落潮流大于涨潮流[20] ,那么集中在北部的高TIC值就可能不是来自于外海。

沉积物中的碳酸盐包括水体中生物产生的碳酸盐和水体中无机化学所产生的碳酸盐以及沉积物早期成岩作用所产生的碳酸盐[33] 。新村港的高无机碳含量可能均不是来自陆源沉积输入以及外海的输入,那么其潟湖内产生的碳酸盐可能是导致新村港出现高TIC含量的原因。

珊瑚礁地区的碳酸盐沉积是全球碳酸盐库的重要组成部分,珊瑚礁具有高效、 稳定的碳酸盐沉降率,每年的碳酸钙累积量占到全球年碳酸钙沉积量的23%-26%[34] 。由新村港周边地貌图(图4b)可以看出,新村港湾北部分布着珊瑚礁,其分布区域与TIC的高值区非常一致,珊瑚礁的主要成分就是碳酸钙,其TIC值约为12%[34] ,而新村港的TIC最高值高达10.6%,与其十分接近,说明在港湾北部无机碳来源主要是珊瑚礁碎屑,往口门和南部方向由于外海沉积物和南湾半岛物质输入的冲淡作用使得沉积物中TIC值逐渐减小,也说明了外来物质在港湾北部很少堆积。这可能与落潮流大于涨潮流有关[20]

5 结论

(1)新村港的平均粒径是在0.8-7.9φ之间波动,平均值为4.4φ,湾内粒径较细并向岸边逐渐变粗,然而在潟湖的中心粒径较粗; 分选系数是在1.1-2.5之间波动,平均值为1.8,分选较差。

(2)新村港表层沉积物TIC含量的变化范围为0.5%-10.6%,平均含量为5.8%。新村港的TIC含量具有北部高、 南部低,湾内高、 口门低的特点。高值区出现在湾内以北的水域,最大值可达10.6%,并随着离口门距离的减小,TIC值逐渐降低; 低值区出现在研究区的西部及其南部,梯度变化较小,并向湾内方向逐渐升高。

(3)新村港的TIC影响因素包括温度、 pH值以及人类活动。温度的升高有利于碳酸钙的沉淀,则无机碳含量升高,新村港的北部温度较高,TIC值也较高; pH值升高也有利于碳酸钙的沉淀,无机碳含量升高,新村港北部pH值较高,TIC含量也较高; 新村港内在南部有海草床分布,海草的生长消耗了无机碳,致使新村港TIC含量较低。

(4)新村港的TIC值最大高达10.6%,十分接近于碳酸钙的无机碳含量(12%),说明湾内北部无机碳来源主要是珊瑚礁碎屑,往口门和南部方向由于外海沉积物和南湾半岛物质输入的冲淡作用使得沉积物中TIC值逐渐减小。

致谢 南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室师生参加了样品采集工作,沉积物粒度以及无机碳的测定得到了宗娴的帮助,论文的写作过程得到了周亮等人的帮助,在软件制图过程中得到了朱宇驰的帮助,高抒教授以及各位审稿专家对论文提出了宝贵意见,贾培宏老师给予了帮助,在此一并表示感谢。

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DISTRIBUTION OF INORGANIC CARBON CHARACTERISTICS AND ITS SIGNIFICANCE IN THE SURFICIAL SEDIMENT OF XINCUN LAGOON, LINGSHUI, HAINAN ISLAND
Dong Tingting, Ge Chendong , Zhang Xiang, Dong Zhi, Liu Xiaotong    
(School of Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing 210023; Collaborative Innovation Center of South China Sea Studies, Nanjing University, Nanjing 210023; The Key Laboratory of Coast & Island Development of Ministry of Education, Nanjing University, Nanjing 210023)

Abstract

The Xincun lagoon is located in the southeast part of Lingshui County, Hainan Island, where it is tides controlled, nearly closed, open to the South China Sea.This study reveals the distribution characteristics of inorganic carbon and its significance based on 33 surficial sediment samples collected in the lagoon with the analysis of inorganic carbon content and grain size, and the data of water temperature, pH measured by YSI in the same sites.The results show that the value of mean grain size is between 0.8ø and 7.9ø with the average of 4.4ø.The value of sorting coefficient is between 1.1 and 2.5 with the average of 1.8, indicating poorly sorted.From the middle part of the lagoon to the shoreline, it is coarser gradually.The inorganic carbon contents are relatively high in the northern part and low in the western part of the lagoon; they are relatively high inside the lagoon, low in the entrance channel.A maximum value is up to 10.6 % occurred in the northern part of the lagoon which is very close to the inorganic carbon values of calcium carbonate(i.e., 12 % ).They decrease gradually toward to the mouth.This may indicate that the major surficial deposit is reef debris in the northern part of the lagoon so that the source of inorganic carbon is mainly from the adjacent coral reef platforms.

Key words     surficial sediment    inorganic carbon    material source    reef platform    Hainan Island