海南島近海有機(jī)碳沉積特征及其碳通量研究

丁文慈，趙由之，陳文山

(1.瓊州學(xué)院理工學(xué)院，海南三亞572022;2.三亞市碳檢測計(jì)量研究中心，海南三亞572022)

近年來，全球碳循環(huán)一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)，尤其是近岸海域的碳通量已經(jīng)成為大家關(guān)注的重點(diǎn)［1，2］.只占全球海洋面積的8%的近岸海域?qū)θ蚝Ｑ蟪跫?jí)生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)卻高達(dá)30%［3］，被認(rèn)為是重要的碳匯區(qū).近海有機(jī)碳沉積的主要來源是海水表層輸出生產(chǎn)力，即從海水表層下降到深海底并保存在沉積物中的有機(jī)物質(zhì)數(shù)量［4］.韓舞鷹等對(duì)我國近海碳通量做了大量系統(tǒng)性研究，并且建立了南海碳通量模型，計(jì)算了在南海84×104 Km2的海盆區(qū)通過沉積作用進(jìn)入海底的碳通量為3.8×104mol/s［5］，約14×1012g/a.由于缺乏數(shù)據(jù)，對(duì)海南島近海的有機(jī)碳沉積狀況并不了解，因此很難估算這一沉積過程的碳通量.2005年夏季國家海洋局第二海洋研究所對(duì)海南(108°E～110°E，18°N～20°N，不包括海南島東北部海域)進(jìn)行908專項(xiàng)調(diào)查［6］，本文根據(jù)其公布的180個(gè)表層20 cm混合沉積物的有機(jī)碳和其他元素地球化學(xué)特征，對(duì)海南島近海有機(jī)碳的沉積特征及其碳通量進(jìn)行了研究.

1 海南島近海有機(jī)碳沉積特征及來源

1.1 海南島近海沉積有機(jī)碳分區(qū)的劃分依據(jù)

海南島近海各處沉積物有機(jī)碳(TOC)分布并不均勻［6］，沉積速率亦有很大差異［7－12］.在劃分有機(jī)碳沉積區(qū)時(shí)主要考慮了表層沉積物中TOC濃度，另外還參考了粒度參數(shù)、氧化還原特性參數(shù)(Eh值，F(xiàn)e3+/Fe2+值)和物源參數(shù)(穩(wěn)定碳同位素δ13Corg值)等三類沉積地球化學(xué)特征參數(shù)，其意義如下:

粒度參數(shù):主要判斷洋流動(dòng)力條件.砂含量高表示流體分選作用強(qiáng)，沉積作用弱;粘土含量高則表示相反的作用，有機(jī)碳容易隨沉積物沉積.

氧化還原特性參數(shù):判斷氧化還原環(huán)境.Eh值越低表示還原性越強(qiáng);一般情況下，當(dāng)Fe3+/Fe2+＞1時(shí)，為氧化環(huán)境;當(dāng)Fe3+/Fe2+＜1時(shí)，為還原環(huán)境.沉積物的還原性強(qiáng)一般是有機(jī)物含量高.

物源參數(shù):判斷有機(jī)碳的來源.最適宜于用來進(jìn)行沉積物有機(jī)質(zhì)物源判斷的是有機(jī)質(zhì)的δ13Corg值，典型的陸源有機(jī)質(zhì)的δ13Corg值為－26‰ ～ －28‰，偏輕;海洋有機(jī)質(zhì)的δ13Corg值相對(duì)偏重，為－19‰ ～－22‰.

在有機(jī)碳沉積過程中洋流也起了重要的作用(圖1)，在北部灣和海南島西部—西南部海域表層環(huán)流為一個(gè)大的逆時(shí)針循環(huán)，流向不隨季風(fēng)而變，但在北部灣北部，夏季時(shí)還出現(xiàn)一個(gè)小的逆時(shí)針環(huán)流.在海南島東部—南部海域，表層流隨季風(fēng)而變，冬季東北季風(fēng)期間為西南向漂流;夏季西南季風(fēng)時(shí)期，為東北向漂流.受洋流作用，有機(jī)碳并非均勻沉積，而是進(jìn)行了重新“分配”.

1.2 海南島近海有機(jī)碳沉積特征

根據(jù)以上參數(shù)，海南島近海沉積有機(jī)碳分布可劃分為六個(gè)區(qū)，如圖2所示.

Ⅰ區(qū)為西北部臨高角至昌化江入海口近岸海域，表層沉積物TOC含量為0.7% －1.2%［6］.該區(qū)常年受來自低緯洋流的影響，除自身有機(jī)碳沉積作用外，還接受如Ⅲ區(qū)或遠(yuǎn)洋有機(jī)碳輸入，因此沉積物有機(jī)碳含量及有機(jī)碳沉積速率均高，是有機(jī)碳輸入?yún)^(qū).從沉積物粒度特征看［6］，該區(qū)以粘土和粉砂為主，亦表現(xiàn)為流體堆積特征.從氧化還原特征參數(shù)看［6］，該區(qū) Eh值較低，為 －40mv～40mv，F(xiàn)e3+/Fe2+低于1，低 Eh值和低Fe3+/Fe2+值均顯示該區(qū)表層沉積物為還原環(huán)境，其原因也是有機(jī)質(zhì)在Ⅰ區(qū)大量沉積的結(jié)果.從有機(jī)碳物源特征參數(shù)看［6］，該區(qū)的δ13Corg值為－20‰ ～ －21.5‰，反映出該區(qū)有機(jī)碳為海洋來源.

Ⅱ區(qū)為西部外陸架，表層沉積物TOC含量約為0.4% －0.7%［6］.該區(qū)也受來自低緯洋流的影響，是遠(yuǎn)洋有機(jī)碳的輸入?yún)^(qū)，但自身沉積作用較Ⅰ區(qū)弱.從粒度特征上看該區(qū)沉積物主要為砂質(zhì)粉砂和粘土質(zhì)粉砂［6］，未見明顯的分選，可以代表近海有機(jī)碳沉積平均水平.Eh值40mv～120mv和Fe3+/Fe2+值0.5～1.5顯示該區(qū)表層沉積物總體呈弱還原態(tài)，表示有機(jī)物含量高.δ13Corg值為－20‰ ～ －22‰，顯示有機(jī)碳亦為典型海洋來源.

Ⅲ區(qū)位于西部—西南部魚鱗角至鼻頭角近岸海域，表層沉積物TOC含量低于0.4%［6］，為有機(jī)碳輸出區(qū).該區(qū)常年受東南－西北向洋流影響，將有機(jī)碳輸出到其他區(qū).沉積物以砂和粉砂為主，粘土含量少，其中尤其以昌化江口，感恩角至鶯歌嘴一帶以西，鼻頭角西南部較為顯著，表現(xiàn)出流體分選特征.Eh值大多在150mv～240mv，F(xiàn)e3+/Fe2+值約為1.5～5，顯示該區(qū)主體表層沉積物為氧化特征，這亦是有機(jī)物大量輸出，在此沉積較少所致.δ13Corg值為－22‰ ～ －23‰，顯示其有機(jī)物主要為海洋來源，但是在靠近幾條主要河流入海口處水下三角洲附近表層沉積有機(jī)物可能主要以陸源輸入為主.

Ⅳ區(qū)為東南部萬寧到三亞近岸海域，表層沉積物TOC含量為0.5% －0.8%［6］.從沉積物有機(jī)碳分布與洋流特征上判斷，總體上亦為有機(jī)碳輸入?yún)^(qū)，與Ⅰ區(qū)不同的是海南島東南部海岸環(huán)境較為復(fù)雜，洋流受海岸擾動(dòng)明顯，在局部地區(qū)可以出現(xiàn)環(huán)流從而影響有機(jī)碳分布，因此該區(qū)域有機(jī)碳分布較Ⅰ區(qū)復(fù)雜［6］.沉積物以粉砂和粘土為主，砂含量少，呈現(xiàn)流體堆積特征.Eh值為－40mv～80mv，F(xiàn)e3+/Fe2+值為0.5～2，證明沉積物呈還原態(tài).δ13Corg值為－20‰ ～ －22‰，顯示其有機(jī)物為海洋來源.

Ⅴ區(qū)為萬寧到三亞遠(yuǎn)岸海域，表層沉積物TOC含量低于0.3%［6］，也是有機(jī)碳輸出區(qū).與Ⅲ區(qū)相似也是洋流通道，不同之處在于Ⅲ區(qū)常年受東南－西北向洋流影響，而Ⅴ區(qū)冬半年受東北—西南方向洋流控制，夏半年則相反.沉積物以砂和粉砂為主，顯示受流體影響較大，有機(jī)碳難以在此處沉積易隨流體遷移到其他區(qū)域.Eh值為120mv～280mv，F(xiàn)e3+/Fe2+＞1.5，沉積物呈氧化態(tài).δ13Corg值為 －22‰ ～ －23‰，顯示其有機(jī)物總體為海洋來源.

Ⅵ區(qū)為東南部外陸架，從其表層沉積物粒度信息上看以粉砂和粘土為主，水力分選不明顯，顯示有機(jī)碳沉積受洋流影響小，海水表層輸出生產(chǎn)力可以在原地沉積.氧化還原性差異較大，北部體現(xiàn)氧化特征Eh值為160mv～360mv，F(xiàn)e3+/Fe2+為1.5～4.5，表層沉積物 TOC 含量為0.4% ～0.6%，南部體現(xiàn)還原特征 Eh值為0mv～200mv，F(xiàn)e3+/Fe2+＜1.5，表層沉積物 TOC 含量在0.7%以上.δ13Corg值為 －20‰ ～ －21‰，顯示其有機(jī)物明顯為海洋來源.

綜上所述，受洋流影響，Ⅰ區(qū)、Ⅳ區(qū)為主要的有機(jī)碳埋藏區(qū)，除本區(qū)生成外還接受來自于其他區(qū)的輸入.Ⅲ區(qū)、Ⅴ區(qū)為洋流通道，是有機(jī)物輸出區(qū).Ⅱ區(qū)和Ⅵ區(qū)為輸入輸出平衡區(qū)，可以代表近海有機(jī)碳平均沉積通量.

2 海南島近海沉積有機(jī)碳通量的估算

在估算海南島近海沉積性有機(jī)碳通量時(shí)，采用海南島近海表層沉積物中有機(jī)碳TOC的濃度與近海海域現(xiàn)代沉積速率計(jì)算求得(表1)，計(jì)算式如下:

式中FOC是有機(jī)碳的沉積通量.

V是現(xiàn)代沉積速率.現(xiàn)代沉積速率是沉積地貌環(huán)境演化的重要指標(biāo)，通過沉積地層中賦存的年代信息可以反演近代沉積過程，常用210Pb測年法估算海洋現(xiàn)代沉積速率.據(jù)研究，海南島近海的現(xiàn)代沉積速率為0.12 ～2.9 cm/a，詳見表 1.

r 是沉積物的平均容重，取 1.2g/cm3［8］.

M是表層沉積物中有機(jī)碳TOC的百分含量.海南島近海表層沉積物TOC含量分布不均，最高為1.22%，最低為 0.02%，平均為 0.511%［6］.

F是近海海域研究區(qū)域面積，計(jì)算時(shí)取單位面積1m2.

表1 海南島近海沉積性有機(jī)碳通量

利用網(wǎng)格法推算海南近海沉積性有機(jī)碳各分區(qū)面積，估算海南島近海各區(qū)域總的沉積性有機(jī)碳通量，得到以下結(jié)果:

Ⅰ區(qū)面積約5200 Km2，沉積速率參考點(diǎn)最多，采樣點(diǎn) y003、y004、y005、y007、B10、B97、B135、B1168 均落在該區(qū)，按平均有機(jī)碳沉積通量(137g/m2·a)計(jì)，該區(qū)有機(jī)碳沉積通量約為7.1×1011g/a.

Ⅱ區(qū)估計(jì)面積在7800 Km2～10000 Km2之間，按代表點(diǎn)C4平均有機(jī)碳沉積通量(43g/m2·a)計(jì)，該區(qū)有機(jī)碳沉積通量約3.4 ×1011～ 4.3 ×1011g/a.

Ⅳ區(qū)面積約為3700Km2，其中三亞港S035、S036點(diǎn)位于潮流通道上，代表外源有機(jī)碳輸入特征.S035、S036和B289平均有機(jī)碳沉積通量為(88g/m2·a)計(jì)，該區(qū)碳通量約為3.3×1011g/a.

Ⅲ區(qū)面積約為6800Km2，Ⅴ區(qū)約為3700Km2，這兩個(gè)區(qū)域比較相似，代表點(diǎn)有B377、K3、K4，平均沉積通量為19 g/m2·a，據(jù)此推算這兩個(gè)區(qū)域有機(jī)碳沉積通量共計(jì)約為2.0×1011g/a.

Ⅵ區(qū)缺乏沉積速率的數(shù)據(jù)，因其沉積特征與Ⅱ區(qū)相似，其有機(jī)碳沉積通量可以參照Ⅱ區(qū)推算.

將各區(qū)的沉積性有機(jī)碳通量相加可得海南島近海約3.7×104 Km2陸架區(qū)域內(nèi)沉積有機(jī)碳通量之和約為2×1012g/a.

3 結(jié)論

根據(jù)海南島近海表層沉積性有機(jī)碳分布以及沉積物粒度、Eh值、Fe3+/Fe2+值和穩(wěn)定碳同位素δ13Corg值等參數(shù)，將海南島近海沉積有機(jī)碳庫劃分為六個(gè)區(qū)，洋流對(duì)有機(jī)碳庫的分布起著主要的作用:臨高角至昌化江入海口近岸海域以及萬寧到三亞近岸海域是有機(jī)碳輸入?yún)^(qū)，洋流帶來大量的有機(jī)碳，約8900 Km2面積內(nèi)有機(jī)碳通量為10×1011g/a;魚鱗角至鼻頭角近岸海域以及萬寧到三亞遠(yuǎn)岸海域作為洋流通道，是有機(jī)碳的輸出區(qū)，約10500 Km2面積的有機(jī)碳通量為2×1011g/a;西部外陸架和東南部外陸架受近海表層環(huán)流影響小，是有機(jī)碳輸入輸出平衡區(qū)，約18000 Km2內(nèi)的有機(jī)碳通量為7×1011～8×1011g/a。總體來說在海南島近海約3.7×104Km2陸架區(qū)域內(nèi)沉積有機(jī)碳通量之和約為2×1012g/a，沉積物的穩(wěn)定碳同位素δ13Corg值基本位于－19‰ ～ －22‰之間，可見海南島近海表層沉積有機(jī)碳主要來源于海洋初級(jí)生產(chǎn)力的貢獻(xiàn).

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