福建羅源灣潮灘沉積過程對人類活動和臺風事件的響應①

王愛軍 葉 翔

(國家海洋局第三海洋研究所海岸與海洋地質環境開放實驗室 福建廈門 361005)

0 引言

潮灘作為陸海相互作用最為頻繁、復雜的地區之一，也是臺風由海上向陸地推進的轉折點，臺風登陸期間改變了潮灘的沉積動力過程、沉積結構和潮灘演化過程［1～5］，通過提取潮灘沉積記錄可以反演臺風信息［6］。此外，潮灘還是最早成為人類活動的重點區域之一［7～9］。隨著人類活動強度逐漸增大，潮灘資源與環境遭到了嚴重的破壞，已經引起了相關國際組織和沿海國家政府與科學界的高度重視和普遍關注，海岸帶陸海相互作用(LOICZ)明確提出將以地球系統科學的觀點，重點探討人類活動影響下的海岸帶物質循環過程、系統演化過程以及對未來海岸帶開發的意義［10］。

福建省是我國遭受臺風最為嚴重的沿海省市之一，也是最早從事潮灘開發活動的地區之一，沿海港灣眾多，灣內多發育淤泥質潮灘。羅源灣位于福建東北部沿海，屬半封閉海灣，受周邊地形地貌的影響，灣內潮灘沉積環境相對穩定，能夠較好地記錄沉積環境演化過程及相應的事件，因此是研究潮灘沉積環境演化對人類活動和臺風事件響應的理想場所。本文通過對羅源灣潮間帶中上部的鹽沼和鹽沼前緣光灘地區柱狀沉積物樣品的分析，嘗試提取潮灘沉積記錄中有關人類活動和對該地區產生重大影響的臺風事件信息，為潮灘演化及相關資源合理開發利用提供科學依據。

1 研究區概況

羅源灣位于福建省東北部沿海，整個海灣被羅源半島和黃歧半島環抱，灣口寬僅2 km，是一個典型的半封閉海灣，屬構造成因海灣。羅源灣岸線曲折多樣，海灣總面積230 km2，大潮低潮線以下的水域面積105 km2，潮間帶濕地面積占約62%［11］。羅源灣海域潮汐形態數為0.28，屬正規半日潮，平均潮差為5.14 m，最大潮差為 7.47 m，最小潮差為 2.27 m;每年7～9月為臺風季節，對羅源灣地區造成了較大的影響，平均每年有5.5次臺風影響到羅源灣地區［12］。

根據衛星遙感資料及現場調查，羅源灣內鹽沼濕地主要發育在海灣西側及西南側，寬度約2～5 km，灘面平緩，一般坡度小于0.1%，潮水溝比較發育，多呈樹枝狀分布，沉積物主要由黏土質粉砂組成，潮間帶地貌分帶性不顯著，微地貌形態單一;潮間帶上部大多已圍墾，在墾區外圍形成了大片的互花米草(Spartina alterniflora Loisel)鹽沼。

圖1 羅源灣位置及采樣站位示意圖Fig.1 Location map and sampling sites

2 研究方法

2008年1月份在羅源灣馬鼻鎮附近海域選擇了潮間帶上部的鹽沼內部(站位B)和光灘(站位F)的兩個站位采集了柱狀沉積物(具體采樣站位見圖1)。柱狀樣采集利用內徑為70 mm、外徑75 mm的PVC管用人工直接按入地下，為減少阻力和增加進樣率，在底部沒有安裝花瓣，PVC管在按入過程中記錄了管內外距離沉積物的高度，到一定深度后再用人工緩慢拔出，PVC管取出后再次測量管頂部距離沉積物的長度，沒有發現有樣品掉下。站位B和站位F在采樣過程中PVC管插進沉積物的深度分別為310 cm和300 cm，實際取得沉積物長度分別為165 cm和149 cm，柱狀樣在運回室內后取出樣品，在進行巖性、沉積構造描述后，以1 cm間隔進行分樣。研究表明，柱狀樣采集過程中存在線性壓縮現象，并且在采樣管下也存在一定的壓縮量［13］，在本次采樣過程中也記錄了采樣管內外距離地面的高度，結果也表明是一種線性壓縮過程。因此，本文根據此方法利用現場記錄的柱狀樣壓縮量恢復站位B和站位F的真實柱樣長度均為280 cm。

將分割后的樣品均勻混合后采集大約2 g子樣，用濃度為5‰的六偏磷酸鈉溶液浸泡24小時，并利用超聲波震蕩1min，使樣品充分混和、分散后，在Mastersizer 2000型激光粒度儀上進行粒度分析，獲得1/4φ間隔的粒度組分。沉積物粒度參數采用矩法計算［14］，沉積物分類與命名采用 Shepard的分類系統［15］。沉積物粒度分析在國家海洋局第三海洋研究所海洋與海岸地質環境開放實驗室完成。

210Pb的半衰期是22.3 a，適于測定近百余年的地質事件和年齡，此法為 Goldberg所發展［16］。本文210Pb測年分析在國家海洋局大氣化學重點實驗室完成，以209Po為示蹤劑。具體實驗過程如下:準確稱取沉積物干樣4 g，加入已知量的209Po作為產額示蹤劑，分別用濃硝酸和濃鹽酸消化，蒸干，蒸干后的剩余物用稀鹽酸浸取，離心分離出清液;向溶液中加入少量鹽酸羥胺，用氨水調節pH為2，在恒控磁力攪拌器上加熱攪拌，使210Po和209Po沉積在一個活性面為φ12 mm的銀片上。反應完后取出銀片，分別用純凈水和無水乙醇淋洗銀片，在紅外燈下烘干后置于α能譜儀上測量。

3 結果

3.1 柱狀沉積物粒度組成及沉積結構

柱狀樣B位于互花米草鹽沼內部，距離鹽沼邊緣約300 m，實際取樣深度為165 cm，經過恢復校準后，真實樣長為280 cm。在整個剖面上，沉積物類型主要以黏土質粉砂為主，在表層以下165～175 cm、230～240 cm之間為粉砂，積物黏土含量介于16.3%～34.5%之間，由底向表黏土含量總體表現為增加趨勢，但中間出現多個變化階段，其中在280～230 cm之間的沉積物黏土含量由下向上逐漸減小，由230 cm層位向上黏土含量迅速增大后又開始逐漸減小，到175 cm層位后向上沉積物黏土含量又表現為逐漸增大的趨勢，到81 cm層位后向上又逐漸減小，自35 cm層位開始向上則表現為波動中逐漸增加的趨勢(圖2)。

圖2 羅源灣互花米草鹽沼內(站位B)沉積物粒度特征Fig.2 Depth-distribution of core sediment grain size in Spartina alterniflora marsh

圖3 羅源灣潮間帶光灘內(站位F)沉積結構及沉積物粒度特征Fig.3 Depth-distribution of core sediment grain size in bare flat

柱狀樣F位于互花米草鹽沼外側大約200 m遠的光灘上，實際取樣深度為149 cm，經過恢復校準后，真實樣長為280 cm。在整個剖面上，沉積物類型主要以黏土質粉砂為主，在表層以下80～140 cm、152～158 cm、188～196 cm、226～280 cm 之間以粉砂為主，間有黏土質粉砂和砂質粉砂分布，沉積物黏土含量介于8.2%～34.8%之間，由下向上沉積物黏土含量總體表現為增加趨勢，但出現多個旋回，280～165 cm之間的沉積物黏土含量逐漸增大，165～100 cm之間的沉積物黏土含量逐漸減小，在100～76 cm之間的沉積物黏土含量又迅速增大，76 cm以上的沉積物黏土含量變化很小(圖3)。

3.2 沉積速率

根據210Pb分析結果(圖4)，柱狀樣B和F分別在150 cm和75 cm深度左右到達本底值，并且兩個站位柱狀沉積物中210Pb比活度由表層向底層呈顯著遞減趨勢。因此，根據回歸關系式可以分別計算出兩個站位的平均沉積速率。計算結果表明，互花米草鹽沼(站位B)和潮間帶中上部光灘(站位F)的平均沉積速率為分別為1.96 cm/a和1.23 cm/a。

圖4 羅源灣海岸濕地柱狀沉積物210Pb測年結果Fig.4 210Pb dating results of sediment cores in coastal wetlands，Luoyuan Bay

3.3 柱狀沉積物粒度參數

站位B柱狀沉積物粒度分析結果顯示(圖2)，整個剖面沉積物平均粒徑為5.41～45.00 μm，最大值出現在230～235 cm之間，分樣過程中發現在該層位出現了含貝殼碎屑的粗顆粒泥質砂;在175 cm以下，沉積物平均粒徑由下向上總體表現為逐漸粗化的趨勢，在175～80 cm之間表現為向上逐漸細化的趨勢，80 cm以上則又表現為向上粗化的趨勢。除230～235 cm之間的沉積物分選很差外，其余層位沉積物分選程度較為一致;沉積物總體以正偏為主，在230～235 cm之間出現極負偏，峰態值也在相應的層位出現較大值。

站位F柱狀沉積物平均粒徑分析結果顯示(圖3)，沉積物平均粒徑為 5.46～68.82 μm，在 165 cm以下表現為由下向上沉積物逐漸細化的總趨勢，在165～100 cm之間的沉積物平均粒徑顯著增大，這主要是由于該層位出現了含較多的貝殼碎屑的粗顆粒物質，在100～66 cm之間的沉積物平均粒徑向上表現為較為顯著的細化趨勢，在66 cm以上則表現為不明顯的粗化趨勢;100～150 cm之間的沉積物分選程度很差，150 cm以下的沉積物分選程度由下向上總體表現為逐漸變好，而在100 cm以上則表現為不明顯的由下向上逐漸變差的趨勢，并且這兩個沉積層段的沉積物分選程度相差很小;沉積物分布以正偏為主，在100～150 cm之間的沉積物為負偏，其余部分層位的沉積物表現為負偏;峰態值的分布與分選系數一致，在100～150 cm沉積層的沉積物峰態值較大，該沉積層上部和下部沉積物的峰態相差較小。

4 討論

4.1 人類活動對潮灘沉積過程的影響

羅源灣地區近現代以來隨著社會經濟的快速發展，人類活動強度逐漸加強，各種用海方式及用海規模給海灣帶來了明顯的壓力。統計結果表明，自20世紀50年代以來，羅源灣經歷了幾次規模較大的圍填海活動，圍填海面積達到了71.96 km2［17］。強烈的圍填海打破了潮灘水沙平衡狀態，改變了潮灘剖面形態，引起潮灘局部淤積及沉積物粒度組分的變化［9，18，19］。

羅源灣在20世紀50～70年代經歷了岐后圍墾、大獲圍墾、岐余圍墾、巽北圍墾、合豐圍墾、尖墩圍墾、廉澳塘圍墾、官坂軍墾、龍頭圍墾、南門圍墾、北營燕窩圍墾等十多個大中型圍墾活動;20世紀70年代中期開展的松山和大官坂大型圍墾活動到80年代初期完工;此后又開展了一系列的圍墾活動，如1987年的泥田圍墾、1998年的白水圍墾等。大量的圍填海活動顯著影響了海灣的納潮量，灣內潮流場、流向、流速等的變化進而會影響到泥沙運動過程，導致部分海域淤積強度增大。數值模擬結果表明，1998年開展的白水圍墾導致羅源灣內大、小潮納潮量分別減少了2.38%和3.26%，30天的水交換能力下降了1.3%，堤外泥沙淤積增強［17］。通過對羅源灣光灘和鹽沼沉積物粒度組分及平均粒徑在剖面上的分布對比(圖5)，自20世紀40年代中后期以來，潮灘沉積速來顯著增強，進一步說明了圍填海活動加強了羅源灣潮灘的淤積強度。

4.2 臺風活動對潮灘沉積過程的影響

潮灘是在潮汐作用下發育形成的細顆粒堆積體，但其形成過程中并不止受潮汐作用，還受到許多突發因素的影響。災害性天氣事件(如臺風)在非潮汐因素中扮演了非常重要的角色。研究表明臺風登陸期間，潮灘灘面多發生侵蝕，在臺風登陸過后，會出現快速的淤積，并且侵蝕強度越大的地區，臺風過后的淤積強度也越大［3，20～24］，灘面侵蝕、淤積強度與臺風自身強度、臺風登陸時的潮汐狀況以及潮汐位相有關［23，25］，這些要素直接影響到臺風登陸引起的波浪作用強度。一般認為臺風影響下，鹽沼地區會發生快速淤積［4，26，27］;長江口鹽沼的觀測表明，臺風期間淤積主要發生在鹽沼中上部，鹽沼下部發生侵蝕，并且鹽沼邊緣的侵蝕深度最大［3］。羅源灣觀測結果顯示，一次臺風作用期間，互花米草鹽沼內總體發生淤積，但部分地區也會出現侵蝕，并且侵蝕深度在互花米草鹽沼中下部最大，可達到4.5～5.5 cm，但在臺風過后會出現快速淤積，并且鹽沼中下部的淤積速率也最大;光灘地區則是下部侵蝕較上部強烈［24］。研究表明，根據地層內的沉積結構和沉積物粒度特征可以初步判斷臺風事件及其強度［2，23］。根據本文柱狀樣的粒度資料分析，沉積物黏土含量的垂向分布上出現多個突變界面，可能指示著臺風信息。

通過查閱歷史文獻記錄［12，28，29］，以及近年來國家海洋局每年發布的《中國海洋災害公報》資料，近現代歷史上對羅源灣有很大影響的臺風分別發生在清道光十六年(公元1836年)(連江登陸，海潮泛濫，縣治水高丈余，人畜多溺死)、清宣統元年(公元1909年)(七月在連江登陸，颶風大作，海潮洶涌，民舍崩塌，田禾淹沒，沿海船戶遭溺無算。)、1966年(9月3日在羅源登陸，羅源水文站實測風速為52 m/s，5 h內降雨量達195 mm，導致海堤決口)、1996年(8月1日臺風的三個中心在霞浦、連江和平潭登陸，最大曾水在200 cm以上)，并且根據文獻記錄對比可知，發生在1909年的臺風是影響強度最大，理論上應該對灘面沉積物的影響最為顯著，發生于1836年的臺風影響強度僅次于1909年。因此，可以根據沉積物的垂向分布特征初步劃分出年代特征，劃分臺風事件引起的沉積界面(圖5)。需要說明的是，由于站位B灘面高程較站位F高，因此，在同一臺風影響下，其侵蝕強度較站位F弱;1836年臺風發生時站位B的灘面高程較1909年臺風時更低，因此，從站位B剖面上看，1836年臺風對站位B的影響強度較1909年略強。根據推算，站位B和站位F自1909年以來的平均沉積速率分別為1.85 cm/a和1.33 cm/a，與210Pb測年結果一致;自1836年以來的平均沉積速率分別為1.31 cm/a和 1.09 cm/a，略小于210Pb 測年結果，這主要是由于沉積物被埋藏至地層后在自身重力作用下脫水而導致自壓實［30］，其壓縮時間較1909年更長、沉積物厚度也較1909年更大，由此造成的沉積物自壓縮程度也較1909年以來的大，因此推算得到的沉積速率略小于同位素測年結果。

由此可推算站位B附近各時間段內的沉積速率分別為:1836～1909年為0.58 cm/a、1909～1946年為0.56 cm/a、1946～1966年為 2.36 cm/a、1966～1987 為1.70 cm/a、1987～1996年為5.10 cm/a、1996～2008年為2.83 cm/a，1836年以來的平均沉積速率為1.31 cm/a，小于210Pb 測年數據(1.96 cm/a);站位F附近各時間段內的沉積速率分別為:1836～1909年為0.77 cm/a、1909～1946年為 0.85 cm/a、1946～1966年為 2.46 cm/a、1966～1996年為 1.25 cm/a、1996～2008年為1.10 cm/a，1836年以來的平均沉積速率為1.09 cm/a，小于210Pb 測年數據(1.23 cm/a)。研究表明，在潮間帶地區隨著灘面高程的增加，沉積速率逐漸減小［20，30］。站位B較站位F更靠近陸地，因此，在自然狀況下，其沉積速率應小于后者，而在1836～1946年之間的沉積速率變化也證實了這一點;但是自20世紀50年代以來，羅源灣南部經歷了較多的圍填海工程，圍填海活動可以使墾區附近潮間帶沉積速率顯著增加［9，31］;互花米草的引種，更大地促進了鹽沼地區的淤積作用，導致該地區沉積速率顯著增大;但隨著互花米草鹽沼的不斷成熟，鹽沼內的沉積速率逐漸減小，這與已有研究結果一致［20，32］。

圖5 羅源灣潮灘柱狀沉積物中臺風信息記錄Fig.5 Typhoon records in core sediments of Luoyuan Bay

5 結論

(1)羅源灣潮間帶中上部沉積物以細顆粒為主，互花米草鹽沼中下部柱狀沉積物平均粒徑為5.41～45.00 μm，沉積物平均粒徑及黏土含量在采樣深度范圍內出現了4次顯著變化;鹽沼外部光灘地區柱狀沉積物平均粒徑為 5.46～68.82 μm，沉積物平均粒徑及黏土含量在采樣深度范圍內出現了3次顯著變化;沉積物特征在地層內的顯著變化主要是由臺風活動和人類活動影響所致;

(2)互花米草鹽沼和潮間帶中上部光灘站位的平均沉積速率為分別為1.96 cm/a和1.23 cm/a;圍填海活動導致潮間帶中上部平均沉積速率0.56 cm/a增加到2.36 cm/a，而互花米草的出現使得平均沉積速率顯著增加，隨著互花米草鹽沼的不斷成熟，鹽沼內的沉積速率逐漸減小;

(3)柱狀沉積物粒度分析結果記錄了近百年來的對該羅源灣產生重要影響的臺風事件，也記錄了20世紀60年代以來羅源灣經歷的幾次較大規模的人類活動。

致謝 國家海洋局第三海洋研究所的于力、劉靜萍協助進行了粒度分析，當地居民陳海深參與了野外觀測工作，謹致謝忱!

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