壓實作用下廣西典型紅樹林區沉積速率及海平面上升對紅樹林遷移效應的制衡①

夏 鵬 孟憲偉 豐愛平 李 珍 楊 剛

(1.國家海洋局第一海洋研究所 山東青島 266061;2.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室 上海 200062)

0 引言

紅樹林濕地是全球四大高生產力海洋生態系統之一，平均生產力(以碳計)為2 500 mg/(m2·d)，其凋落物約占進入海洋陸源有機質的11%［1-2］。因此說，紅樹林濕地中的紅樹林自身在維護“陸—海—氣”系統中的碳循環及近岸生態系統平衡和生物多樣性方面發揮著重要作用［3-4］。但是，在全球氣候變暖情景下，海平面上升勢必對長于潮間帶的紅樹林生存空間造成威脅，為與海平面變化保持同步，會迫使紅樹林發生向陸遷移和群落興衰等問題［5］。紅樹林遷移效應的驅動力源于相對海平面上升速率和紅樹林潮灘地表高程抬升速率的大小關系［6］。當前，國外潮灘地表高程變化測量的一種可信、準確的方法是利用地表高程測量儀［7］，但在國內尚未普遍推廣;鑒于我國目前廣泛使用210Pb沉積速率計算的背景下，進一步深化沉積物的壓實作用對沉積速率和地表高程抬升速率的影響不失為一種行而有效的方法。以往鮮有研究把紅樹林潮灘地表高程抬升速率與沉積速率區別開來，更有甚者可能將其混為一談。因此，紅樹林潮灘地表高程抬升速率與沉積速率之間的關系研究已成為解決問題的關鍵。

210Pb已被國內外廣泛用于湖泊、河流和海洋現代沉積速率的研究中［6，8-14］。由于上覆沉積物的壓實作用致使各層深的孔隙度和密度存在差異，不同程度的改變了210Pb的垂向分布特征［15］;尤其是對淤泥/淤泥質粉砂等壓縮率較大的沉積物，更要注意沉積物的壓實作用［16］。累加質量深度是消除孔隙度和密度差異的常用壓實校正方法［6，8，17-18］，采用相同的壓實校正標準，便于橫向比較不同海區的沉積速率。有鑒于此，本文基于廣西典型港灣紅樹林區8根短柱狀沉積物，在考慮壓實作用的基礎上計算紅樹林潮灘沉積速率，通過與地表高程抬升速率進行對比研究，進而計算當前潮灘地表高程抬升速率;并結合有關北部灣相對海平面變化資料，揭示當前海平面上升對廣西紅樹林向陸/向海遷移的驅動機制。

1 樣品采集與分析

1.1 樣品采集

2011年5月，趁低潮時將直徑10 cm的有機玻璃管緩緩打入廣西典型紅樹林區潮灘沉積物中，共采集了8根短柱狀樣(圖1)。其中，SJC、HXL和JXW分別位于茅尾海的老鼠簕、秋茄和桐花樹群落內(圖1a);DDH位于丹兜海的白骨壤群落內;YLW01、YLW02、YLW03和YLW04分別位于英羅灣的紅海欖、秋茄、木欖和桐花樹群落內(圖1b、表1)。在樣品獲取過程中盡量保持沉積物的原始狀態，并利用美國Trimble公司的DSM 212H雙信標DGPS定位設備進行現場定位，平面定位精度優于1 m。將柱狀樣進行現場密封后帶回實驗室，按2 cm間隔進行分樣，將子樣品密封冷凍直至實驗室分析。樣品在采集、運輸、保存和測定的過程中，均嚴格按照《海洋調查規范》等相關要求和規定進行。

1.2 分析方法

取約20 g濕樣品于稱量盒內，稱重后一并放入烘箱，在105℃～110℃恒溫下烘10 h以上。將烘干后的稱量盒和樣品取出，放入干燥器內冷卻后再稱重，將兩次平行試驗的誤差控制在0.5%內，以此計算沉積物的含水率。

對入管蠟封并放置3星期的約5 g干樣品進行210Pb和226Ra放射性比活度測試，采用EG＆G Ortec公司生產的高純鍺低本底γ能譜儀完成。以46.5 keV(210Pb)處的能量峰來計算總210Pb比活度(210Pbtot)，以351.92 keV(214Pb，226Ra的子體)處的能量峰來計算本底210Pb比活度(210Pbsup)，其差值即為過剩210Pb(210Pbex)的比活度［19］。

1.3 數據處理方法

210Pb定年:選用常量初始濃度(CIC)模式［14］。

沉積物干密度:前人研究表明，高度壓實的頁巖干密度介于2.55～2.65 g/cm3;因此，沉積物干密度可通過成熟的經驗公式進行估算［10］:

BD=(PD·D)/(D+PD·(1-D))

圖1 研究區域和采樣站位分布圖Fig.1 Maps showing the study area and coring location

表1 采樣站位信息表Table 1 Details of sampling data for 8 sediment cores

式中:BD是沉積物干密度(g/cm3);PD是頁巖干密度(孔隙度近似為0)，本文取2.60 g/cm3;D是沉積物含水率(%)。

壓實作用:是指沉積物沉積后，由于上覆沉積物不斷加厚，在重荷壓力下所發生的脫水、孔隙度降低、體積縮小、密度增大的地質過程。由于含水率變化引起沉積物密度差異，壓實校正被廣泛應用于210Pb剖面［6］。本文，各層位子樣品利用柱樣的平均干密度進行校正，即公式(1):

式中:CIx是層位x的壓縮間隔長度 (cm);BDx是層位x的干密度 (g/cm3);BDavg是柱樣的平均干密度(g/cm3);I是原始層位間隔，2 cm。

把各層位進行壓實校正后的CIx累加在一起，得到層位x的校正深度:CI1+CI2+CI3+…+CIx。

2 210Pb年代和沉積速率

廣西典型紅樹林區8根短柱狀樣中210Pbtot的比活度并非呈現出理想狀態下隨深度呈指數衰減的趨勢，局部層位偶現異常的增減波動，但總體向下減少的趨勢還是比較明顯(圖2)。而 SJC、DDH和YLW03柱中表層10 cm內的210Pbtot卻呈現相對穩定/衰減的異常現象，這應與沉積物表層混合作用有關［20］。鑒于廣西海岸帶非封閉體系，受浪、潮、流以及人類活動的影響顯著，因此選用CIC模式定年更合理一些。它適用于沉積物主要來源于表層侵蝕產物，210Pb含量明顯受物源影響，即沉積物增加同時導致相應210Pb增加的沉積系統［21］。

圖2 210Pbtot比活度的垂向分布特征Fig.2 Vertical distributions of210Pbtotactivities in the sediment cores

2.1 未壓實校正沉積速率

未考慮壓實作用下，選用深層沉積物中的210Pbtot作為210Pbsup［19］，其210Pbex比活度的垂向分布特征如圖3所示。將210Pbex與深度進行指數擬合，擬合系數R2介于0.58～0.89之間，擬合程度良好。計算可得，SJC、HXL、JXW、DDH、YLW01、YLW02、YLW03 和YLW04柱的平均沉積速率分別為1.04、0.52、0.52、0.19、0.33、0.31、0.26 和 0.22 cm/a。其中，位于茅尾海欽江口附近SJC、HXL、JXW柱的沉積速率明顯高于周邊無大型河流入海的丹兜海DDH和英羅灣YLW01、YLW02、YLW03和 YLW04 柱，可見河流輸沙入海是影響潮灘沉積速率的主要原因。

圖3 210Pbex隨深度的垂向分布及其指數擬合曲線Fig.3 Vertical distributions of210Pbexactivities and its exponential curves fitting with depth

2.2 壓實校正沉積速率

沉積物中含水率自上而下遞減趨勢明顯(圖4)，表層沉積物中的含水率高達40%～50%，而深層沉積物中的含水率低至20%～30%，沉積物壓實作用顯著;且深層沉積物中的含水率趨于相對穩定。這源于上覆沉積物不斷加厚，在重荷壓力下所發生的脫水、孔隙度降低等一系列的地質過程。基于線性回歸模型對含水率隨深度的變化進行擬合，擬合系數R2介于0.38～0.83，表明含水率隨深度多呈線性衰減趨勢。

由于含水率變化引起的沉積物密度差異，壓實作用被用于校正210Pb剖面［6］。本文，將各層位沉積物利用柱樣的平均干密度進行校正，再把各層位進行壓實校正后的CIx累加在一起，得到層位x的校正深度。將210Pbex的比活度與校正深度進行指數擬合(圖5)，擬合系數R2介于0.63～0.94之間，擬合程度較未考慮壓實作用有大幅提高。計算得，SJC、HXL、JXW、DDH、YLW01、YLW02、YLW03和 YLW04柱的壓實沉積速率分別為 0.78、0.44、0.52、0.16、0.31、0.26、0.24和0.22 cm/a。

圖4 柱狀沉積物中含水率的垂向分布及其線性回歸Fig.4 Vertical distributions of moisture contents and its simple linear regressions with depth

2.3 壓實校正前/后沉積速率對比

為了比較壓實校正前/后沉積速率的差異，將8根短柱中的沉積速率繪于圖6(a)中。顯而易見，未壓實校正沉積速率均大于壓實校正沉積速率，約是壓實校正沉積速率的1.00～1.34倍(平均1.12倍)。將由壓實校正前/后沉積速率換算出的沉積物底部年齡繪于圖6(b)中，由于壓實校正年齡應更接近于實際沉積年齡，故 SJC、HXL、JXW、DDH、YLW01、YLW02和YLW03柱壓實校正的沉積物年齡相比未壓實校正的年齡分別增加了 31、27、0、39、10、52 和 14年，而YLW04柱的年齡卻減少了4年。

考慮壓實作用下，由壓實沉積速率和CIx壓縮間隔反推各年份不同含水率下的理論沉積速率(非真實沉積速率)，以及無壓實作用下的表層沉積速率(圖7)。由于源自含水率的推算，除表層沉積速率為當年實際沉積速率外，其余各年份的沉積速率僅反映當年實際沉積速率被不同程度壓實后的現狀，屬于理論沉積速率，它與含水率的時間演變完全一致，用于研究壓實作用下的淺層沉積物下沉速率。

2.4 地表高程抬升速率與沉積速率的關系

為了查清潮灘地表高程抬升速率與沉積速率的關系，將未考慮/考慮壓實作用兩種情況下的紅樹林潮灘沉積速率和地表高程抬升速率的示意圖繪于圖8中(每層代表一個年度內的沉積物累積厚度)。

(1)未考慮壓實作用下:地表高程抬升速率=未壓實沉積速率(圖8a陰影部分);

(2)考慮壓實作用下:由于新一年度的沉積物對其下方的沉積物起到再壓實作用，地表高程抬升速率(圖8c陰影部分)要小于紅樹林潮灘表層沉積速率(圖8b陰影部分);地表高程抬升速率等于“表層沉積速率—表層沉降速率”。通過對比相鄰兩個年度的沉積物壓實模型(圖8右)發現，地表高程抬升速率(圖8c陰影部分)等于底層壓實沉積速率(圖8d陰影部分)。

圖5 210Pbex隨校正深度的垂向分布及其指數擬合曲線Fig.5 Vertical distributions of210Pbexactivities and its exponential curves fitting with depth correction

圖6 壓實校正前/后沉積速率和沉積物年齡的關系Fig.6 Calculated sedimentation rates and sediment ages before/after compaction correction

圖8 壓實校正前/后紅樹林潮灘沉積速率和地表高程抬升速率示意圖Fig.8 Diagrammatic sketches of sedimentation rates and rising rates of seawater-sediment interface before/after compaction correction

3 相對海平面上升對紅樹林遷移效應的影響

3.1 相對海平面上升速率

全球海平面上升速率:據 IPCC(2007)［22］，1961～2003年間全球平均海平面以每年～1.8 mm(1.3～2.3)的平均速率上升;其中，1993～2003年間，全球平均海平面以每年約3.1 mm(2.4～3.8)的平均速率上升。在未考慮氣候—碳循環反饋的不確定性(也未包括冰蓋流量變化的整體效應)前提下，預測2090～2099年較1980～1999年的海平面上升18～59 cm。

相對海平面上升速率:據中國海洋公報(2010)［23］，2001年以來廣西沿海的海平面總體處于歷史高位，2001～2010年的平均海平面比1991～2000年的平均海平面高約22 mm，比1981～1990年的平均海平面高約48 mm。即廣西沿海相對海平面平均上升速率為2.2～2.4 mm/a，可作為廣西沿海相對海平面上升速率;它略低于全球平均海平面上升速率，源于區域板塊構造的抬升［24］。

3.2 紅樹林適應相對海平面上升的臨界速率

在臨界速率下，紅樹林隨相對海平面上升發生同步遷移;反之，紅樹林遷移跟不上相對海平面上升步伐，發生衰退。

(1)紅樹林后緣地貌和地層條件適合紅樹林生長和遷移的區域

不同學者研究獲得的臨界速率大小不一:① Ellison ＆ Stoddart［25］認為臨界速率為 0.8～0.9 mm/a，超過 1.2 mm/a 將會滅亡;② Snedaker et al.［26］認為臨界速率為 1.6～1.8 mm/a;③ Ellison et al.［27］認為臨界速率為2～10 mm/a。本文選用1.2 mm/a作為紅樹林適宜遷移的臨界速率。

(2)紅樹林后緣為海堤的情況

后緣海堤限制了紅樹林的向陸遷移，臨界速率為零。

3.3 相對海平面上升對紅樹林遷移的制衡

據廣西908專項實測數據:廣西海岸線總長1 628.59 km，其中人工岸線長 1 280.21 km(占78.6%)。受近年圍塘養殖、鹽場建設、港口圍填以及人工岸堤修建等的影響，人工岸線長度仍呈逐年增加的趨勢;即相對海平面上升速率大于地表高程抬升速率將會對紅樹林造成毀滅性的影響。基于未考慮/考慮壓實作用兩種模式，計算廣西典型紅樹林區的相對海平面上升速率(V海平面上升)與地表高程抬升速率(V地表高程)的差值，詳見圖9。

圖9 壓實校正前/后紅樹林區V海平面上升與V地表高程的差值Fig.9 The difference between relative sea-level rise rate and ground elevation uplift rate before/after compaction correction

(1)未考慮壓實作用:除丹兜海的DDH和英羅灣的YLW04柱外，其余6柱的相對海平面上升速率均小于地表高程抬升速率，表明灘面多處于淤積狀態。這與張喬民研究獲得的結論相一致［27-28］:“我國大部分紅樹林潮灘淤積速率接近或大于2030年前的海平面上升速率，紅樹林潮灘可以通過灘面淤積跟上甚至超越海平面上升，紅樹林面積基本上能保持穩定”［28-29］。

(2)考慮壓實作用:丹兜海的DDH和英羅灣的YLW01、YLW02、YLW03、YLW04 五根短柱的相對海平面上升速率均大于潮灘地表高程抬升速率，表明該區紅樹林已經受到海平面上升的輕度威脅。

茅尾海的SJC、HXL和JXW，無論是否考慮壓實作用，相對海平面上升速率均小于地表高程抬升速率，表明該區紅樹林暫未受到海平面上升的影響。可見，壓實作用校正與否對地表高程抬升速率與相對海平面上升速率相當的區域尤為重要。

4 結論

用210Pb法測定紅樹林潮灘沉積速率/地表高程抬升速率時均應考慮壓實作用的影響，尤其在含水率變化顯著的潮灘。本文基于考慮/未考慮壓實作用兩種模式，分別計算了沉積速率與地表高程抬升速率的關系。研究發現:①無論是否考慮壓實作用，計算出的茅尾海紅樹林區的地表高程抬升速率均大于相對海平面上升速率，這與近期茅尾海的淤積現象相符;②考慮壓實作用下，英羅灣和丹兜海紅樹林區的地表高程抬升速率小于相對海平面上升速率;發現地表高程抬升速率等于壓實沉積速率，明顯低于未經壓實的表層沉積速率。由于廣西紅樹林海岸大都建有防波堤，限制了紅樹林向陸方向的遷移;因此，英羅灣和丹兜海的紅樹林正面臨海平面上升的威脅。這與前人部分研究結果有所出入，主要源于未考慮沉積物壓實作用，過高的估計了紅樹林區的沉積速率/地表高程抬升速率。可見，壓實作用校正與否對地表高程抬升速率與相對海平面上升速率相當的區域尤為重要。

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