南黃海底棲有孔蟲組合對1855年黃河改道的響應?

范 堯， 范德江，2??， 鄭世雯， 龍海燕， 張喜林， 田 元

(1. 海底科學與探測技術教育部重點實驗室，中國海洋大學海洋地球科學學院, 山東 青島 266100；2.青島海洋科學與技術國家實驗室海洋地質過程與環境功能實驗室，山東 青島 266061；3.國土資源部青島海洋地質研究所， 山東 青島 266071)

南黃海是一個地理位置獨特的半封閉陸架海，接受黃河、長江所攜帶的巨量泥沙物質，同時受到來自陸地的流域演變和來自西太平洋邊界流變化的雙重影響[1-2]，記錄了豐富的全球變化以及人類活動信息。黃河是多沙少水的游蕩性河流，其河口的位置及流路曾多次遷移和變動。歷史上，黃河的入海口位置常在黃河沿岸的江蘇和渤海沿岸的山東、河北、天津等地擺動，分別注入黃海與渤海。在過去的2000年間，黃河較大規模的改道共發生了26次，當中南遷注入淮河的改道有14次。其中1128—1855年700多年間，黃河一直流入黃海，直到1855年黃河北歸，導致江蘇北部的黃河下游流路發生廢棄，形成了廢黃河[3]。研究黃河改道對南黃海沉積環境的影響，對于揭示黃海—渤海物質交換、泥沙收支平衡和泥質沉積區的演化有重要的科學意義。已有一些關于黃河改道的報道主要集中在黃河口、渤海地區等離現代黃河較近的海區，分析了黃河改道前后現代黃河三角洲地區及渤海中部泥質區的柱狀沉積物，研究表明巖心樣品沉積物特征都有差異明顯的上下分段的特性[4-5]。前人研究顯示遠離現代黃河口、廢黃河口的濟州島西南遠端泥質區也已受到了1855年黃河改道事件的影響[6]，有理由推斷距離廢黃河口較近的南黃海中部海區來說，黃河改道使得陸源物質輸入量和淡水的入海量發生劇變，這會使該海域的沉積環境及沉積物物源發生相應的變化，也可能在沉積記錄中得以保存。有孔蟲作為保存海洋沉積環境信息重要載體，是研究海洋生態學的良好材料，也是推斷古環境和恢復古地理的重要標志。近海有孔蟲是對環境變化極其敏感的種群，有孔蟲群落演變有可能作為識別黃河改道的良好指標。目前，對黃河改道在南黃海的沉積記錄研究還主要集中于蘇北廢黃河河口三角洲地區[7-9]，而在離河口相對較遠的泥質區關于黃河改道的報道還較少。本文主要基于采集自南黃海中部泥質區的柱狀沉積物巖心，對樣品中的底棲有孔蟲群進行定性、定量分析，結合巖心的210Pb測年、粒度分析數據，研究1855年黃河改道事件的沉積記錄，探討黃河改道事件對研究區沉積環境的影響。

1 研究方法

1.1 樣品采集

研究區位于南黃海中部泥質區，巖心YSL04(見圖1)位于泥質區距離蘇北廢黃河口較近的西南邊緣(122°29.384′E，34°29.144′N)，水深62 m。該巖心長175 cm，由DDC4-2型重力取樣器于2012年2月采集。隨后，于室內對該巖心進行分割，粒度樣品分樣間隔為0.25 cm，其他樣品分樣間隔2～5 cm，樣品裝入塑料樣品袋中密封保存，待用。

(據蘇紀蘭[10]等，2004改。The base map was modified from Su,2004.)

圖1 沉積物巖心位置及南黃海環流圖

Fig.1 Sampling station of core sediment and regional circulation pattern in the South Yellow Sea

1.2 分析測試方法

1.2.1 放射性核素測定 首先將約10 g沉積物樣品烘干后裝入專用的測試樣盒密封15天。隨后對各樣品進行無損壞的多種核素的同時直接測量。所用儀器為多道高純鍺井型探測器(OrtecHPGe GWL)γ譜分析系統，由美國EG&G公司生產，過剩210Pbex直接由總210Pb扣除226Ra得到。該方法測試相對誤差<10%。210Pb的標準樣品由英國利物浦大學提供，137Cs和226Ra的標準樣品由中國原子能研究院提供。放射性210Pb的測定在中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊沉積與環境重點實驗室完成。

1.2.2 沉積物粒度分析 取樣品0.1～0.6 g，置于燒杯(100 mL)中，并加入H2O2(10%)溶液10 mL，為去除樣品中有機質，需水浴加熱1 h，采用的水浴溫度為60 ℃。對樣品進行離心，隨后加入少量蒸餾水，浸泡12 h以上，再加入10 mL的(NaPO3)6溶液(0.05 mol/L)，且進行 2 min超聲波分散，之后采用Mastersizer2000型激光粒度測量儀進行測定，采用1/4 Ф粒級間隔采集數據，應用McManus的矩法公式計算粒度參數。該分析重復測試的相對誤差小于2%。

1.2.3 沉積物有孔蟲鑒定 鑒定前需于烘箱內50 ℃烘干樣品，所得的干樣稱取20 g，置于燒杯(500 mL)內，并加入H2O2(10%)溶液10 mL，浸泡足夠時間使樣品充分分散。隨后使用銅篩對樣品進行分選，采用的標準銅篩孔徑為0.063 mm，對樣品沖洗直到沖出的水中不含泥。將銅篩之上余下樣品放于50 ℃烘箱內烘干，待用。有孔蟲鑒定和統計在OLYMPUS SZX16雙目顯微鏡，原則上每個樣品需統計200～300枚有孔蟲殼體，對于不透明的膠結殼的有孔蟲鑒定，需用加水潤濕法鑒定。如果樣品中有孔蟲數目過多，需采用縮分法進行鑒定；而樣品中有孔蟲數目過少時，則需在鑒定前用CCl4浮選，同時在顯微鏡下對底樣挑選出未浮出的殼體，確保有孔蟲不被遺漏。在完成單個樣品鑒定后，統計有孔蟲百分含量、分異度和豐度等參數。

2 結果

2.1 沉積物巖心粒度特征和年代框架

2.1.1 沉積物巖心粒度特征 YSL04柱樣沉積物粒級組成和粒度參數如圖2所示。該巖心粒級組成以粉砂為主，平均含量為61.29%；粘土次之，平均含量為24.84%；砂含量最少，平均含量為13.87%。巖心的平均粒徑介于5.31～7.86Φ之間，平均為6.59Φ。根據粒級特征的差異，YSL04柱樣大致可分為兩段：上段(0～106 cm):砂含量較多，平均含量為21.34%，最高可達41.23%，粘土含量相對較少，平均含量為20.71%；平均粒徑介于5.31～7.82Φ，平均為6.11Φ，上段沉積物明顯較下段沉積物粗。下段(106～175 cm)：砂含量明顯減少，含量介于0.13%～8.24%，平均含量2.23%，粘土含量相對較多，平均含量為31.27%；平均粒徑介于6.84～7.86Φ，平均7.33Φ，下段沉積物較細，明顯區別與上段。另外，YSL04分選系數表現為從上到下變大的趨勢，峰態和偏態則表現為從上到下變小的的趨勢。兩段沉積物粒度特征差異明顯，反映了水動力特征和物質來源的差異[11]。

圖2 YSL04巖心粒度組成和粒度參數特征

圖3 YSL04柱樣210Pbex垂向分布

2.2 沉積物巖心有孔蟲群落特征與演變

2.2.1 沉積物有孔蟲的群落特征 鑒定了YSL04柱狀中的42個樣品，共獲得有孔蟲9 649枚，分屬17屬25種，絕大多數為底棲類型，僅見1種浮游種類。YSL04柱狀樣底棲有孔蟲的豐度(N/g)、簡單分異度(S)、復合分異度H(s)見圖4。有孔蟲豐度介于41～73枚/g之間，平均54枚/g，自上而下呈逐漸變小的趨勢；有孔蟲簡單分異度(S)在6～12種之間，平均10種，復合分異度H(s)介于1.07～1.66之間，平均1.37。底棲有孔蟲殼質以玻璃質殼為主，平均含量高達94.3%，似瓷質殼次之，平均含量為5.7%，未發現膠結質殼。

圖4 YSL04柱樣有孔蟲豐度(N/g)、簡單分異度(S)、復合分異度H(s)與常見屬種相對含量

該巖心有孔蟲復合分異度H(s)與簡單分異度(S)變化趨勢相似，大致可以106 cm為界分為上下兩段：上段平均簡單分異度(S)為10種、平均復合分異度H(s)為1.43，在有孔蟲殼質方面，玻璃質有孔蟲含量較高，似瓷質有孔蟲含量較低；下段平均簡單分異度(S)為8種、平均復合分異度H(s)為1.25，玻璃質有孔蟲含量較低，似瓷質有孔蟲含量較高。

在該柱中連續分布以及含量較多的僅11種，它們含量之和占全部有孔蟲總量的90%以上 (見圖4)。其中以Protelphidiumtumberculatum(具瘤先希望蟲)含量最高，巖心中變化不大，含量介于40.7%～70.9%之間，平均含量58.9%。另外還有Ammoniaketienziensis(結緣寺卷轉蟲)、Cavarotaliaannectens(同現孔輪蟲)以及Cribrononionsubincertum(亞易變篩九字蟲)3個主要優勢種也占有相對高的比例，平均含量分別為11.57%、11.2%以及8.85%。常見屬種平均相對含量由高到低依次是：

Protelphidiumtumberculatum(具瘤先希望蟲)58.88%、Ammoniaketienziensis(結緣寺卷轉蟲) 11.57%、Cavarotaliaannectens(同現孔輪蟲) 11.20%、Cribrononionsubincertum(亞易變篩九字蟲) 8.85%、Elphidiumadvenum(異地希望蟲) 2.13%、Ammoniacompressiuscula(壓扁卷轉蟲) 2.08%、Hanzawaiamantaensis(曼頓半澤蟲) 1.30%、Lagenaspp.(瓶蟲諸種) 0.93%、Fissurinaspp. (縫口蟲諸種) 0.82%、Globigerinaspp.(抱球蟲諸種) 0.50%、Buccellafrigida(冷水面頰蟲) 0.31%、Quinqueloculinaspp.(五玦蟲諸種) 0.27%。

2.2.2 底棲有孔蟲R型因子分析與組合演變 對YSL04柱樣42個樣品中含量較多且連續的10種底棲有孔蟲進行R型因子分析，通過方差最大化旋轉的因子的分析結果顯示出3個主要因子，這3個因子的累積方差貢獻為85.403%(見表1)。

表1 YSL04有孔蟲R型主因子載荷矩陣

因子1：方差貢獻率為35.612%，包含的屬種有A.compressiuscula、A.ketienziensis、H.mantaensis、Lagenaspp.和Fissurinaspp.，為A.ketienziensis-A.compressiuscula組合，在整根柱樣中上段(0～106 cm)層位具有較大的因子得分(見圖5)，而在上段85～106 cm的層位又存在因子得分向上逐漸變大的過渡段，并在85 cm以上的層段達到相對穩定。A.ketienziensis在該組合中含量最高，是典型的低溫、窄鹽種類，現在主要生活于東海北部和南黃海水深較大的海洋環境中。該組合中所包含的屬種在因子1上均為正載荷，且多為窄鹽的陸架淺水分子，說明因子1代表了鹽度相對正常的海水環境。

因子2：方差貢獻率為28.805%，包含的屬種有P.tumberculatum和B.frigida，為P.tumberculatum-B.frigida組合。其因子得分在整根柱樣中較為一致，變化不大(見圖5)。P.tumberculatum在該組合中含量最高，是典型的北方型冷水因子；B.frigida雖然含量較低，但在因子2上有較高的正載何，其主要分布于現代世界海洋冷水區，是中國黃海、渤海及沿岸第四系常見種，系淺海涼水種，因子2代表了海水溫度的變化。

圖5 YSL04柱樣R型因子得分變化趨勢圖

因子3：方差貢獻率為20.986%，包含的屬種有C.annectens、C.subincertum和Quinqueloculinaspp.，為C.subincertum-C.annectens組合，P.tumberculatum在因子2與因子3內載何均較高，反映其受兩種因素的共同影響。在整根柱樣中下段(106～175 cm)層位具有相對較大的因子得分(見圖5)，而在上段85～106 cm的層位存在因子得分向上逐漸變小的過渡段，并在85 cm以上的層段達到相對穩定，與因子1呈現此消彼長的變化趨勢。C.subincertum與C.annectens在該組合中含量較高，兩者均為近岸淺水廣鹽種，Quinqueloculinaspp.為低鹽淺水種在因子3上也具有較高正載荷，因子3代表了低鹽環境。

根據該柱各層位底棲有孔蟲R型因子分析結果和屬種組成及其含量的變化特征(見圖4)，可以將該柱自下而上劃分出2個階段，各階段含有各自特征性的有孔蟲組合：

階段1(柱深106～175 cm)：為P.tumberculatum-C.subincertum-C.annectens組合。該組合以P.tumberculatum(平均含量56.97%)、C.subincertum(平均含量11.29%)和C.annectens(平均含量11.18%) 為優勢種，其他常見種A.ketienziensis和A.compressiuscula在該組合中含量明顯降低，Quinqueloculinaspp.在該組合中含量相對較高。

階段2(柱深0～106 cm)：為P.tumberculatum-A.ketienziensis組合。該組合以P.tumberculatum(平均含量62.32%)和A.ketienziensis(平均含量13.02%)為優勢種，其他常見種C.subincertum在該組合中含量降低，Lagenaspp.(平均含量1.44%)及Fissurinaspp.(平均含量1.27%)為該組合中特有的屬種，且含量均超過1%，H.mantaensis(平均含量1.87%)在該組合中含量也明顯高于階段1(平均含量0.28%)。

3 討論

1128—1855年間，黃河南徙注入黃海的700多年里，大量的泥沙輸入南黃海，三角洲不斷發育，最終在廢黃河口附近形成面積達9 000 km2的陸上三角洲和25 000 km2水下三角洲[14]。YSL04巖心位于距離蘇北廢黃河口較近的南黃海泥質區西南邊緣，從柱樣的粒度特征來看，雖然在106 cm處發生突變，分成明顯的兩段，但是在柱樣各段內粒度特征較為單一，并無明顯變化。這說明雖然南黃海所處的海域環流復雜多變[15]，但該巖心在突變發生前后均長期受到穩定物源與水動力條件的影響。前人研究表明廢黃河三角洲沉積物是南黃海中部泥質區沉積物的重要來源[16-17]。而1855年后，黃河北歸流入渤海，進入黃海的泥沙驟減；黃河徑流量的減少，并在枯水期斷流，陸海之間的沉積動力平衡被打破[3]，使得研究區的水動力與物源也發生了變化，并結合本文210-Pb測年所得到的沉積速率與粒度變化特征，可基本斷定1855年黃河改道是造成YSL04巖心柱樣上下兩段沉積物差異的主要因素。廖永杰等[5]通過對渤海中部柱樣沉積物分析表明，黃河改道使得距離現代黃河口較近的渤海泥質區沉積環境由濱—淺海沉積相變為前三角洲、三角洲前緣沉積相。本研究區位于距離廢黃河口較近南黃海中部泥質區，其情況則剛好相反，表現為黃河改道前，受黃河河流作用影響，為前三角洲沉積環境，水動力條件相對較弱，沉積物粒度較細；黃河改道之后，河流輸入沉積物中斷，廢黃河三角洲進入侵蝕狀態，且侵蝕作用主要發生于冬季風浪作用較強的季節，導致沉積物顆粒總體上變粗，而該處也演變成淺海沉積環境。

YS04柱中玻璃質殼有孔蟲是占絕對優勢的類群，其平均含量達到了94.3%，大量的玻璃質殼有孔蟲的出現則說明研究區長期以近岸淺海的沉積環境為主[18]。該巖心柱樣有孔蟲上段豐度較下段增加，簡單分異度與復合分異度變化相似，均呈現上段有孔蟲分異度較大，下段則較小的特征，且整體數值較低。有孔蟲豐度及分異度是沉積環境的良好標志，一般認為從淺水區向深水區，從近岸向遠海方向，有孔蟲豐度增大，從岸邊到陸架外緣，分異度逐漸增大，分異度越高，越接近正常的海洋沉積環境[19]。豐度和分異度的變化規律反映了黃河改道使得該柱附近地區海水鹽度變化，改道前由于沉積物的大量堆積，岸線向海推進，研究區離廢黃河口較近，受黃河入海淡水的影響，研究區水體受到黃河入海河水的影響，鹽度相對較低；改道后，由于水動力條件增強，加之泥沙斷絕，蘇北岸線發生快速侵蝕后退，僅1855—1890年期間岸線蝕退距離達12.3 km，平均每年后退342 m[20]，研究區離岸相對較遠，且不再受黃河淡水影響，鹽度上升，接近正常海水鹽度。

研究區巖心柱樣發現的有孔蟲種屬較為單調，P.tumberculatum在整根柱樣含量最高，是典型的北方型冷水因子，代表相對低溫的環境，它不僅是白令海、鄂霍次克海、日本海淺水種的優勢種，也是中國東、黃、渤海沿岸的廣鹽性種，在南黃海西北部主要見于黃海沿岸流冷水分布區[21]，該有孔蟲的大量出現可指示低鹽的淺海冷水環境。另外巖心中還出現了B.frigida，雖然含量較低，僅占0.31%，其主要分布于現代世界海洋冷水區，是中國黃海、渤海及沿岸第四系常見種，系淺海涼水種[19]，反映了研究區受黃海沿岸流影響較強。但二者的變化趨勢卻相反，P.tumberculatum上段較下段含量低，B.frigida則上段含量較高。造成這種差異的原因，主要是由于改道前，沿岸流攜帶的北方冷水與廢黃河水混合，研究區受廢黃河和黃海沿岸流的共同作用；改道后，廢黃河的影響缺失，研究區則主要受黃海沿岸流影響，因而水溫降低，B.frigida含量有所升高，同時因為鹽度升高導致P.tumberculatum一定程度的減少。

該巖心下段(106～175 cm)有孔蟲為P.tumberculatum-C.subincertum組合。該組合代表了黃河改道前沉積區的沉積環境，屬種多為因子3中的有孔蟲屬種，組合內C.subincertum與C.annectens含量相對較高，兩者均為淺水種[19]，其主要分布于內陸架和潮間帶、河口等近岸淺海地區，C.subincertum為低鹽淺水種。另外含量較低的Quinqueloculinaspp.為淺水屬種，可忍受低鹽環境[22]，主要存在于該組合內，上段基本缺失，說明該時期研究區鹽度較低的近岸淺水環境。另外因子2中的B.frigida在該組合內含量降低，反映了廢黃河水對研究區水溫的影響。黃河改道前，廢黃河口附近河流作用大于海洋作用，河流帶來的大量泥沙在河口發生快速沉積，岸線逐漸向海推進，粗顆粒物質無法長距離搬運而主要沉積在蘇北廢黃河三角洲附近，距離河口尚有一定距離的泥質區邊緣，則主要接收黃河細顆粒的物質的沉積，導致了研究區YSL04柱樣下段主要以粉砂和粘土為主、砂的含量較少。泥沙堆積導致岸線向海發育，且受黃河攜帶的淡水影響，研究區鹽度較低，另外研究區主要受黃海沿岸流與黃河的共同作用，黃河水流的混入一定程度上使該海區的水溫升高。

該柱上段(0～106 cm)為P.tumberculatum-A.ketienziensis組合。該組合反映了黃河改道后的沉積環境，含量相對較高的屬種多為因子1中的有孔蟲屬種，組合內A.ketienziensis在該段含量相對較高，是典型的低溫、窄鹽種類，現在主要生活于東海北部和南黃海水深較大的海洋環境中[23]。A.compressiuscula在該組合中含量也有所升高，現今生活于南黃海、東海北部的水溫和鹽度都比較正常的陸架海域[19]。因子2中的冷水種B.frigida在該組合內含量升高，Lagenaspp.、Fissurinaspp.與H.mantaensis含量雖然較少，但主要出現在該組合中，在下段發生缺失，Hanzawaiamantaensis為喜冷窄鹽種[24]。Lagenaspp.與Fissurinaspp.在現代世界各海洋中均有分布，在中國陸架廣泛分布，數量不多，具有數量由海岸向深水區增長的特點[19]。該組合內窄鹽冷水種含量上升，反映了黃河改道使得該時期的鹽度接近于正常海水，水溫有所降低。另外在改道初期，該組合在柱狀樣85～106 cm層段存在一個過渡階段，主要表現為(見圖4)窄鹽種Lagenaspp、H.mantaensis在該段向上逐漸增加，廣鹽種C.subincertum含量在該段向上逐漸降低的趨勢，并在85 cm以上含量相對平衡，這種變化規律在因子1與因子3中同樣存在(見圖5)。該層段特征主要反映了沉積物中鹽度的漸變過程，黃河改道后，失去黃河淡水的影響，海水鹽度升高，而沉積物中富含的孔隙水與外界的物質交換相對較緩慢，因而在改道初期一定程度上保持了改道前的鹽度，形成了過渡段。改道后，新沉積的物質同時受鹽度相對較高的海水及下部沉積物低鹽度孔隙水的影響，沉積物孔隙水的鹽度并沒有伴隨黃河改道馬上改變達到上覆海水的鹽度，而存在一定時間的過渡時期，隨著沉積物的不斷堆積以及孔隙水與海水的物質交換使得鹽度遞增，新沉積物中孔隙水鹽度逐漸升高，并最終與海水達到平衡，改變為現今的沉積環境。

綜上所述，黃河改道后，導致研究區水動力增強，岸線發生快速的侵蝕后退，研究區離岸較遠，失去了黃河的巨大徑流量和輸沙量，泥沙基本斷絕，河口及鄰近海域沉積動力平衡被打破，蘇北廢黃河三角洲發生快速侵蝕，研究區沉積環境發生改變，同時沉積于三角洲的粗顆粒沉積物也被重新搬運。有研究表明，廢黃河三角洲主要受黃海旋轉潮波和東海前進駐波兩個潮波系統控制[25-27]，這為廢黃河三角洲粗顆粒沉積物的再懸浮及向海搬運提供了足夠的水動力條件。另有研究表明在蘇北淺灘由于水深較淺和水動力強烈，造成沉積物強烈的再懸浮過程，并在該區形成了高懸浮體濃度水體，由濃度梯度推動向海擴散[28]。因而造成研究區巖心上段砂含量劇增，平均粒徑變粗。另一方面，黃河改道導致研究區失去了黃河淡水的影響，黃海沿岸流的影響起到主要作用，使得研究區水體鹽度升高、而溫度有所降低。

4 結語

南黃海中部泥質區西南邊緣受到1855年黃河改道的明顯影響。改道之前，研究區形成的沉積物砂含量低，粉砂與黏土含量增加，平均粒徑較細，有孔蟲的豐度、分異度相對較低，有孔蟲組合以廣鹽的近岸淺水冷水屬種為主，黃河從南黃海入海，研究區則主要接受來自黃河的細粒物質沉積，且受黃河淡水的影響，水體鹽度較低且水溫相對較高。改道之后，沉積物砂含量相對較高，平均粒徑較粗為特征，有孔蟲豐度、分異度均相對較高，有孔蟲組合中喜冷、窄鹽的陸架淺水種含量增加，該時期黃河三角洲發生快速侵蝕，岸線后退，研究區開始接受蘇北淺灘再懸浮的粗粒物質沉積，并失去來自黃河淡水的影響，黃海沿岸流的影響起主導作用，研究區水體鹽度升高且水溫有所降低。