黄海和东海陆架西部表层沉积物中碳氮元素的分布特征与环境意义

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本文根据黄海和东海陆架西部28°59′N~39°30′N和119°29′E~125°00′E范围内表层沉积物中总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总无机碳(TIC)、碳氮比值(TOC/TN比值)、有机碳同位素(δ13C)、氮同位素(δ15N)和沉积物组成研究了碳和氮元素等指标的分布特征和控制因素,并利用TOC/TN比值、δ13C和δ15N研究了黄海和东海西部陆源有机质所占比例与环境意义,对比研究区与亚洲季风气候和世界上不同气候带下陆架碳氮指标,得出以下主要结论:  (1)黄海和东海陆架西部沉积物的平均粒径介于3.4Φ~7.6Φ。山东半岛北部和东南部海域,废黄河附近海域,长江口及浙江近岸海域的沉积物以粘土质粉砂等细颗粒物质为主,分选较差,而辽东半岛南部海域,山东半岛南部海域、海州湾和东海外陆架海域的沉积物以砂或砂质粉砂等粗颗粒物质为主,分选差。黄海和东海沉积物中细颗粒物质分别与黄河和长江物质输入有关,粗颗粒物质与陆架残留沉积有关。研究区内沉积物组成也受到陆架环流系统的影响。  沉积物中TOC和TN含量分别介于0.1%~1.1%和0.02%~0.15%之间。TOC和TN分布趋于类似,两者含量高值区主要分布在山东半岛北部和东南部的黄海海域、长江口和浙江近岸海域,低值区主要分布在北黄海东部、海州湾和东海外陆架海域。控制TOC和TN含量的主要因素是沉积物组成和沉积环境。TOC和TN高含量主要赋存于细颗粒物质中。陆架环流系统影响着沉积物中TOC和TN分布。深度对南黄海沉积物中TOC和TN含量有影响;纬度和深度对北黄海和东海沉积物中TOC和TN含量影响很小。  TIC含量介于0~3.3%之间,TIC高值区主要分布在山东半岛南部海域、海州湾、东海外陆架海域,低值区主要分布在辽东半岛南部和山东半岛东南部的黄海海域。TIC主要来源于河流输入的碳酸盐,残留沉积中钙质结核和海洋生物的钙质残骸等。TIC含量与粒度大小无关。北黄海TIC与深度不相关,南黄海TIC与深度呈负相关,东海TIC与深度呈显著正相关。黄海和东海陆架沉积物TIC与纬度呈负相关关系,从北向南TIC含量呈增加的趋势,海州湾几个站点TIC较高与残留沉积物中钙质结核有关。  研究区内沉积物的固碳能力从东海向黄海北部呈减少趋势,除了海州湾几个站点的TC含量较高外。东海和南黄海沉积物中TIC在TC中占主要优势,而北黄海站点TIC所占比例较低。黄海陆架TOC/TIC平均值为1.35,东海陆架TOC/TIC平均值为0.50,沉积物中TOC/TIC比值不同与水体中硅藻与颗石藻相对比例有关。  (2)TOC/TN比值在5.6~14.3之间,平均值为8.35;δ13C值在-19.1‰~-25.1‰之间,平均值为-21.98‰,说明沉积物中有机质是海洋和陆地有机质混合来源。利用校正后TOC/TN比值计算陆源有机碳所占比例在14%~87%之间,其中高值区(>50%)主要分布在辽东半岛大连南部、山东半岛成山头东部、海州湾和废黄河口附近海域,长江口东部海域。低值区(<30%)主要分布在山东半岛南部、黄海中部海域和浙江近岸海域。利用δ13C值带入简单的二元混合模型计算陆源有机碳所占比例在2%~81%之间。陆源有机碳所占比例的高值区分布在山东半岛北部近岸和北黄海海域、山东半岛东部和废黄河口附近海域、长江口和浙江近岸海域。低值区主要分布在黄海中部和南部、东海外陆架海域。虽然利用TOC/TN比值和δ13C值得出陆源有机碳所占比例的数值有轻微差别,但得出的研究区内陆源有机碳所占比例高值和低值区范围大部分类似,只在东海研究区受暖流系统影响下的范围有所差别。由于TOC/TN比值易于受到其它因素影响,因此利用δ13C值得出的陆源有机碳所占比例更准确一些。黄河和长江物质输入是影响沉积物中陆源有机碳最主要因素。黑潮流系和近岸流系组成环流系统也影响沉积物有机质含量和分布。  沉积物中δ15N值在1.9‰~6.7‰之间,平均值为4.3‰,说明沉积物受到海洋藻类和陆地有机质混合来源的影响。δ15N高值区(4.5‰~6.7‰)主要分布在黄海陆架中部和东海外陆架南部海域,可能与海洋藻类和异养细菌增加有关。δ15N低值区(1.9~3‰)分布在辽东半岛南部和长江口东北部海域,辽东半岛南部低值区与大连市人类生活污水有关。  (3)对比亚洲季风气候下渤海、黄海、东海、南海陆架和安达曼海北部伊洛瓦底陆架表层沉积物中碳氮元素指标,得出这些海区陆架沉积物TOC含量相差不大,大部分在0.1%~1.5%左右。亚洲季风气候下陆架沉积物TOC含量不仅受到发源于青藏高原附近山区的高悬沙浓度河流如黄河、长江、珠江、湄南河、伊洛瓦底和萨尔温江(怒江)输入的影响,还与海区一年内波浪方向变化引起沉积物再悬浮导致有机质不易保存有关,因此亚洲季风气候区下陆架沉积物TOC含量均不高。沉积物δ13C值表明长江、黄河等大河携带的物质在陆架上输送距离较远,甚至到达离河口几百千米的海域,而伊洛瓦底江等较小河流在陆架上输送距离更近些。  与黄海和东海陆架TOC含量相比,极地寒冷气候带下楚科奇海沉积物和温带气候带下的波罗的海沉积物的TOC含量很高。楚科奇海TOC高含量与沉积物中细颗粒组分和陆架西部的冷水团有关,波罗的海TOC含量与物质来源和底部存在缺氧区有关。亚热带海洋性气候下墨西哥湾北部Texas—Louisiana大陆架TOC和TN含量平均值比黄海和东海陆架要稍高,与陆架水体悬浮物质含量少导致有机质含量较高有关。温带海洋性气候下北海陆架区内TOC含量与研究区类似,与北海陆架残留砂沉积和环流系统有关。热带雨林气候下亚马逊陆架TOC含量稍低,与陆架上高悬浮作用的流动泥有关,沉积物悬浮作用易于造成有机质分解。  亚马逊陆架沉积物中陆源有机质所占比例较大,主要与陆架上高悬浮的流动泥抑制了海洋藻类生长有关,亚马逊河流物质在大陆架上运移的距离更长。密西西比河和阿查法拉亚河在大陆架上运移的距离与黄河长江类似。楚科奇海沉积物有机质主要来源于海洋藻类有机质,陆源有机质所占比例很少。
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