東海內陸架近兩百年來有孔蟲組合變化及原因

王明霄，鄭世雯，范德江

中國海洋大學海底科學與探測技術教育部重點實驗室，山東青島 266100

0 引言

中國東部陸架是世界上最平坦寬廣的大陸架之一，接受長江等河流巨量的沉積物輸入，在東海內陸架形成了長條狀分布、厚度達數十米的泥質沉積體[1-2]。前人研究認為東海內陸架泥質區是于冰后期高海面以來逐漸發育而成的，并利用該區快速沉積和沉積體保存良好的優勢開展了千年尺度、百年尺度的高分辨沉積記錄研究。該地區是研究古海洋、古環境變化的理想地區，獲得了豐碩的研究成果[3-4]。該泥質區的形成和發展與長江的物源供給、浙閩沿岸流、臺灣暖流和東亞季風密切相關[5-7]，同時還接受長江流域內人類活動產生的大量營養鹽輸入的影響，并最終影響該區域生態環境和生物發育[8-10]。

海洋微體生物對氣候變化和海洋環境演變有著敏感的響應。90年代末至今，中國大陸架海域底棲有孔蟲與環境變化的研究方興未艾，取得了豐碩的成果[11-15]。這些研究，主要集中在利用有孔蟲組合構建了第四紀以及全新世年代框架、揭示水團演變、分析古環境變化進程[16-18]，研究證實有孔蟲組合以及有孔蟲殼體中的Mg/Ca元素比值、δ18O穩定同位素組成對水團具有良好的指示作用[19-20]。最近的研究表明，有孔蟲組合對長江河口低氧環境亦具有一定的指示作用，可以用于歷史時期低氧環境的分析[21-22]。前人研究主要集中在千年尺度有孔蟲演化和環境關系方面，而百年來有孔蟲演化對于季風、河流輸入之間的關系的研究還較為欠缺。本文利用位于東海內陸架泥質區的DH7-2孔巖心沉積物，嘗試探討近兩百年以來的浙閩沿海泥質區沉積記錄、有孔蟲組合變化特征及其對于東亞季風、長江輸入的響應問題。

1 材料和方法

DH7-2巖心由中國海洋大學的“東方紅2號”考察船于2011年利用重力取樣器采集得到，巖心總長度約193 cm，站位位于東海內陸架泥質區中南部（站位坐標121.50°E，27.18°N），水深58.2 m（圖1）。

圖1 DH7?2巖心站位及區域環流特征圖（改繪自文獻[23?24]；ZMCC：浙閩沿岸流；TWC：臺灣暖流；1.長江口泥質區；2.浙閩沿岸泥質區）Fig.1 Map of the collection site for core DH7?2 and local currents(modified from references[23?24];ZMCC:Zhejiang Fujian coastal current;TWC:Taiwan warm current;1.Changjiang estuary mud area;2.Zhejiang Fujian coastal mud area)

該巖心為松散沉積物，總體較為均一，以粉砂和黏土為主，黏性強，富含水，上部0～40 cm呈灰黃色，40～68 cm呈灰色略帶黃色，68～194 cm呈深灰色，局部可見零星生物碎屑，中部蟲孔構造較為發育。在室內對DH7-2巖心進行了室內分樣，其中粒度以0.25 cm間隔分樣，共分得767個樣品；放射性核素測年樣品以1 cm間隔進行分樣，將分樣后的樣品裝入透明塑料樣品袋中密封保存，對其中39個樣品進行測試分析；有孔蟲樣品以5 cm間隔取樣，共分析鑒定39個樣品。

沉積物粒度測試在中國海洋大學海底科學與探測教育部重點實驗室完成，具體步驟是：取大約1 g左右的樣品放入50 mL的燒杯中，加入5 mL 30%H2O2以去除有機質，靜置24 h，然后加入分散劑（六偏磷酸鈉）超聲30 min后上機測試。實驗儀器為英國Malvern公司生產的Malvern2000型激光粒度儀，儀器測量范圍為0.02～2 000μm，粒級分辨率為0.01?，重復測量的相對誤差<3%；采用矩法計算粒度參數[25]。有孔蟲相關實驗在中國海洋大學海洋沉積物分析實驗室完成，按照微體古生物學研究分析的常規手段進行處理：稱取完全烘干后的樣品10 g置于500 mL燒杯中，加入50 mL 5%濃度的H2O2浸泡24 h，以便除去樣品中的有機質；用0.063 mm的標準銅篩進行沖洗，至樣品中的泥質完全去除為止；將篩上的樣品使用蒸餾水清潔后轉移至50℃恒溫烘箱中烘干，備用。本文采用的方法是根據汪品先[26]、鄭執中等[27]對有孔蟲屬種的分類方案對DH7-2中39個有孔蟲樣品進行鑒定及數量統計。

DH7-2巖心的放射性同位素210Pb的測試實驗委托中國科學院地理與湖泊研究所的湖泊沉積與環境國家重點實驗室完成。首先將約10 g沉積物樣品烘干，烘干后裝入專用的測試樣品盒密封15天，隨后對各樣品同時進行無損壞的多種核素的直接測量。所用儀器為多道高純鍺井型探測器（OrtecHPGe GWL）γ譜分析系統，過剩210Pb直接由總210Pb扣除226Ra得到。該方法測試相對誤差<10%。

2 結果

2.1 粒度特征與年代標定

DH7-2巖心210Pbex隨深度的分布特征明顯（圖2），表層無明顯擾動現象，在0～80 cm深度區間210Pbex的比活度隨深度增加而呈現明顯的指數衰減趨勢，而80 cm以下層位210Pbex比活度值基本穩定，因而采用0～80 cm的數據進行線性擬合，使用210Pb穩定初始放射性通量（CIC）模式計算平均沉積速率為1.07 cm/a，相關系數R2為0.78，與鄰近海域平均沉積速率較為接近[28]。考慮到內陸架是在冰后期高海平面以來沉積形成的，從高海平面至今該區沉積環境總體上處于較為穩定的狀態[29]；同時，該巖心的巖性組成變化小，也顯示沉積環境較為穩定，所以將210Pb測定的平均沉積速率擴展到整個巖心。

圖2 DH7?2巖心210Pbex強度及粒度組成特征Fig.2 Excess 210Pb profiles with linear fitting and grain size composition of sediment in core DH7?2

DH7-2巖心整體從上到下粒度組成變化不大（圖2），粉砂平均含量為69.97%，為巖心主要組分，以謝帕德分類命名法命名為黏土質粉砂。DH7-2巖心的平均粒徑（Mz）波動范圍是6.34～7.54?，平均值為7.11?，整體波動不大，僅在92 cm層位及頂部出現突然變粗的現象；分選系數（σ）波動范圍是1.31～2.22，平均值為1.65，整體分選差；偏態（Sk）波動范圍是?1.66～1.56，平均值為0.77，整體為正偏態；峰態（Sk）波動范圍是1.65～2.86，平均值為2.14，峰形較正態分布曲線窄。在垂向變化上，隨深度變化出現了兩段粒度相對較粗，粒徑波動較大的階段：下部120～170 cm和上部0～70 cm，兩段粗顆粒含量明顯增加，且平均粒徑波動較大，最上層5 cm粗顆粒沉積物明顯增加，平均粒徑急劇變??；70～120 cm粉砂含量較大，砂含量較小，平均粒徑較細，變化較小，在95 cm出現粒度突變層，粉砂含量大，平均粒徑較小。

2.2 有孔蟲群落特征

本研究對39個沉積物樣品中的有孔蟲進行了鑒定[26-27]，平均每個樣品鑒定300枚以上有孔蟲，共識別了24 425枚有孔蟲殼體,識別出常見的有孔蟲38屬61種。統計發現：DH7-2巖心沉積物中，有孔蟲絕對豐度在18～2 491枚/g（圖3），平均絕對豐度為440枚/g，底棲有孔蟲較富集，占有孔蟲總數的59～88.6%，平均含量為76.4%，其中玻璃質殼在底棲有孔蟲中所占比例最高，在92.1～100%，膠結質次之，為0～7.5%，瓷質殼最低，在0～0.8%。底棲有孔蟲的簡單分異度（S）在20～40，復合分異度H（S）為2.37～2.82，屬種類型變化不大。

圖3 DH7?2巖心有孔蟲絕對豐度和參數垂向變化特征（S簡單分異度；H(S)復合分異度）Fig.3 Characteristics of foraminifera absolute abundance and parameters in vertical variation of core DH7?2

總體上有孔蟲殼徑較小，碎片較多，相當數量的有孔蟲殼體溶蝕作用明顯，在巖心下部有孔蟲中可見有孔蟲殼體內自生黃鐵礦填充。這些現象可能是有孔蟲死亡后在沉積過程中受到水流搬運發生機械磨蝕出現破損，或者在成巖作用階段有孔蟲受到壓實作用、自生礦物交代填充等的影響所致。

DH7-2巖心沉積物中分布較為連續且平均含量超過1%的底棲有孔蟲共13種（表1），分別為Bolivinarobusta、Buliminamarginata、Hanzawaia nipponica、Ammonia compressiuscula、Ammonia pauciloculata、Ammonia ketienziensis、Elphidiumadvenum、Hyalinea balthica、Nonionella decora、Textulariaspp.、Cavarotaliaannectens、Globocassidulinasubglobosa、Cibicidoidessp.。其中主要的優勢種為B.robusta和B.marginata，其平均含量分別為14.52%和12.17%（圖4）。樣品中平均豐度較低（<1%），但經常出現的 屬 種 有 ：Nonionbelridgensis、Astrononion tasmaniensis、Lagenaspp.、Cibicidoides subhaidingerii、Sigmoilopsis asperula、Fissurinalucida、Lenticulina costata等，另外還有一些含量極少的屬種，零星分布于個別層位。

表1 DH7?2巖心部分底棲有孔蟲平均含量Table 1 Average content of benthic foraminifera in core DH7?2

共鑒定出浮游有孔蟲5種，分別為Globigerina bulloides、Globigerinoidesruber、Neogloboquadrina dutertrei、Guembelitria vivans和Globorotalia menardii，占全部有孔蟲的23.6%。

從有孔蟲垂向分布可以看出（圖3），有孔蟲絕對豐度在70 cm開始迅速增加，在70～40 cm之間豐度較大，在45 cm達到最大值，40～0 cm有孔蟲豐度逐漸減小，其中底棲有孔蟲相對含量波動較小，僅在25～0 cm含量有所下降，玻璃質殼含量明顯減少，而瓷質殼含量相對增加，膠結殼有孔蟲在75～35 cm有較明顯增加，35～0 cm又相對減少。巖心樣品有孔蟲的S和H（S）均在120 cm處開始有明顯增加，且在120～20 cm之間有孔蟲的S和H（S）相對較大，而在190～120 cm之間兩者值較小。

3 底棲有孔蟲組合演變對沉積環境變化的響應

3.1 底棲有孔蟲種群的因子分析及組合特征

在DH7-2中發現有14個屬種的底棲有孔蟲至少在三個樣品中的含量大于2%，對其進行R型因子分析（表2），結果顯示出3個主要因子，其累計方差貢獻為69.25%，基本代表了底棲有孔蟲的主要分布。同時，圖4中有孔蟲在整個巖心中的同步變化分析結果，可以明顯地分出3組有相似變化規律的有孔蟲，且因子分析結果和組分分析結果具有很好的一致性，因此，把該巖心出現的有孔蟲分成3個組合，并與因子分析結果一一對應。

圖4 DH7?2巖心底棲有孔蟲相對豐度（%）Fig.4 Variation of relative abundance of benthic foraminifera(%)with depth in core DH7?2

表2 DH7?2底棲有孔蟲R型因子載荷矩陣Table 2 R?type factor load matrix of benthic foraminifera in core DH7?2

組合1：以H.nipponica為主，包括A.compressiu scula、Textulariaspp.、E.advenum和C.subhaidingerii等五個屬種有孔蟲，其中H.nipponica、A.compressiuscula、Textulariaspp.和E.advenum在因子1中正載荷較高。組合1中有孔蟲相對豐度變化規律均為巖心下部190～120 cm有孔蟲相對含量少，120～70 cm相對含量緩慢增加又減少，70～0 cm明顯增加。A.compressiuscula、Textulariaspp.、E.advenum這些種類的有孔蟲均為生活在20～50 m陸架海區的表生屬種[30]，適應富氧但營養物質較為貧乏的海水環境。

組合2：以B.marginata為主，其次為C.annectens和H.balthica，B.marginata和C.annectens在因子2中表現出較大的負載荷，同時N.decora和Cibicidoidessp.在因子1中也有較大負載荷。組合2在巖心中190～120 cm有孔蟲相對豐度較高，并逐漸增加，但是120～70 cm相對含量趨于減少，在70～0 cm含量較少，并保持穩定，該組合中B.marginata是生活在50 m以深的陸架淺海的內生屬種，與C.annectens、N.decora和Cibicidoidessp.三個種一致，在相對水溫較暖的低氧富營養鹽的環境中較為富集[21,31]。

組合3：以B.robusta和A.ketienziensis為主要有孔蟲屬種，并且顯示了較高的正載荷。該有孔蟲組合在整個巖心中都具有較高的相對含量，是該區域的優勢屬種，在巖心中相對含量的差異不明顯，代表了該區域整體的正常海水陸架沉積環境特征。該組合還包括A.pauciloculata，H.balthica和G.subglobosa。B.robusta和A.ketienziensis這兩種有孔蟲均為內生種屬[31]，其中，B.robusta是浙閩沿岸泥質區優勢種屬，多分布在東海陸架，深海和陸架淺海，40～120 m水深較冷水環境，而A.ketienziensis多出現在>50 m水深的淺海環境中。該組中有孔蟲都較適應低氧富營養鹽的環境。

3.2 有孔蟲組合階段變化及其影響因素分析

3.2.1 有孔蟲組合階段變化

有孔蟲豐度變化受到海洋環境變化的強烈影響，而沉積物中有孔蟲的變化，可以反映沉積環境的變化[18]。根據有孔蟲絕對豐度和底棲有孔蟲相對豐度的垂向變化和因子分析結果，可以看出兩次較明顯的突變，分別位于70 cm和120 cm。巖心樣品所含底棲有孔蟲組合較為單調，但在70 cm發生了變化，由B.marginata-B.robusta組合變為了B.robusta-H.nipponica組合，從組成變化上看，有孔蟲所反映的沉積環境總體呈現缺氧富營養鹽狀態，但從下向上缺氧狀況減緩，營養鹽含量相對降低。

因此，根據以上分析將有孔蟲組合變化分為三個階段（圖5）[32-37]：

圖5 DH7?2巖心有孔蟲組合及主成分變化與沉積環境變化相關指標（EAWM：東亞冬季風[32cm3/g33]；EASM：東亞夏季風[34?35]，紅線為平滑曲線；SSTA：東海海水表層溫度距平年際變化[36]；長江徑流量和輸沙量數據來自文獻[37])Fig.5 Foraminifera principal component change in core DH7?2 and related indices of sedimentary environment change(EAWM:East Asian Winter monsoon[32?33];EASM:East Asian Summer monsoon[34?35],red line is the smoothed curve;SSTA:sea surface temperature anomaly[36];the runoff and sediment discharge data of the Changjiang River are from reference[37])

190～120 cm（1840—1900年）：該段內以底棲有孔蟲組合1含量最低，組合2、3含量高，因子F1得分低，F2和F3得分較高。其中，適應于富營養鹽環境的B.marginata和B.robusta含量最高，平均豐度分別為15.5%和13.7%，這兩個種均為內生冷水屬種，適應較冷水富氧環境的H.nipponica等有孔蟲相對較少。該段內底棲有孔蟲絕對豐度整體較低，但有孔蟲組合2與組合3相對含量較高，有孔蟲適應于富營養鹽的環境，并有明顯的波動，顯示出該段內較為波動的沉積環境。而據氣候記載1822—1900年中國處于氣候較冷時期，東亞冬季風較強，溫度較低，引起沿岸流流速加快，導致沉積物粒度較粗[38]，與本研究對比發現DH7-2巖心沉積物粒度在該段內確實存在粒度較粗，且有波動現象，同時，該段浮游有孔蟲相對豐度含量較高，由于東海內陸架自生浮游有孔蟲可忽略不計，大多數內陸架沉積物中的浮游有孔蟲都是潮流從外陸架輸入沉積下來，或者外陸架的陸架沉積物再懸浮后被搬運再沉積而來[39]。因此，該段內主要環境影響因素為東亞冬季風較強導致水體混合強烈使得水體含氧量較高[40]，同時較強東亞夏季風使得臺灣暖流增強[20]，攜帶著營養鹽進入東海內陸架，兩者共同作用，適應較冷水富氧環境的H.nipponica等有孔蟲相對較少，適應于低氧富營養鹽環境的B.marginata等有孔蟲相對含量較高，但有孔蟲絕對豐度較低。

120～70 cm（1900—1945年）：該段內底棲有孔蟲組合1含量波動較大，相對含量較190～120 cm段增加，組合2有孔蟲相對含量由最大逐漸減少，而組合3保持了較高的含量且較穩定，因子F1也有所增加，F2有最低值階段，同時，底棲有孔蟲絕對豐度也呈現增加的趨勢。該段仍然以B.robusta和B.marginata含量最高，平均豐度分別為14.8%和14.3%，但是B.marginata相對含量表現為向上明顯減少的趨勢；組合1中的H.nipponica、A.compressiuscula、Textulariaspp.等則出現顯著增加趨勢（圖4）。該階段組合2有孔蟲含量的變化與東亞夏季風強度增加的趨勢正好相反，而F2曲線與之吻合，并且與東海SST增加也較吻合。推測該段內在東亞夏季風影響下臺灣暖流增強，該區域水溫升高，同時帶來豐富營養物質，使得底棲有孔蟲發育。該段粒度變化較為穩定，以細顆粒沉積為主，表明沉積環境較為穩定，推測是由于東亞冬季風指數較小，變化趨勢較為穩定。

70～0 cm（1945—2012年）：底棲有孔蟲組合1相對含量達到整個巖心的最高值，但向上有孔蟲含量逐漸減少，組合2則趨于低值，而組合3變化不大，因子2和因子3相對較高并保持穩定。該段以B.robusta和H.nipponica為主要有孔蟲屬種，平均豐度為14.6%和9%，對比190～70 cm，底棲有孔蟲主要屬種發生了明顯的改變，由B.marginata-B.robusta組合變為了B.robusta-H.nipponica組合，有孔蟲絕對豐度迅速增加，并在該段內有最大豐度，該段平均絕對豐度為964 N/g是190～70 cm整段平均絕對豐度234 N/g的4.1倍，也是膠結質的有孔蟲含量較高的部分。該段沉積物粒度平均粒徑也變粗，粗粒級組分含量較高，與此同時，長江輸沙量逐漸減少（圖5），而該階段東亞冬季風有波動，但是并沒有特別的變化，分析認為是長江輸沙減少導致的河口和近海沉積物粗化，這也被最近的研究所證實[41]；東亞夏季風強度保持穩定，并有逐漸減小的趨勢，可能導致臺灣暖流逐漸減小，帶來的營養鹽也逐漸減少。

這個階段，長江流域范圍內人類活動的影響開始顯現[42]，由長江輸入東海的各類營養鹽急劇增加，大大促進了有孔蟲的發育，且該階段表層海水溫度高，也有利于有孔蟲的發育。有孔蟲絕對豐度在40 cm處（1970年）達到最大值后又逐漸減小，推測是該時期東亞冬季風和東亞夏季風均由強減弱，冬季風影響下的沿岸流也逐漸減弱，水體混合減弱，含氧量降低，攜帶物質及營養鹽減少，同時東亞夏季風減弱，由臺灣暖流帶來的營養鹽也減少，從而影響有孔蟲豐度降低。

對比各指標發現，發生變化層位與粒度組分變化層位較為一致，其中120 cm處的突變，可能與東亞冬季風減弱有關，表現為沉積物粒度由粗變細，水溫下降，代表冷水環境的有孔蟲明顯增加；70 cm處的突變，可能與水溫增加[36]和人類活動強烈增加有關[43]，有孔蟲絕對豐度增加明顯，營養開始過剩，低氧程度可能增加，適應生活在較高含氧量的底棲有孔蟲屬種明顯減少。

3.2.2 底棲有孔蟲組合變化的影響因素分析

由以上分析可以發現，研究區底棲有孔蟲的豐度受到東亞季風強度、河流輸入和人類活動等因素的共同影響。DH7-2巖心所在區域受到兩側浙閩沿岸流和臺灣暖流的影響，浙閩沿岸流為巖心所在的區域帶來豐富的營養鹽，而臺灣暖流為巖心所在區域帶來高溫的洋流，通過前人研究可以知道，南下的浙閩沿岸流的輸運強度受到東亞冬季風的影響，而臺灣暖流主要受到東亞夏季風的影響，因而底棲有孔蟲的相對豐度變化在一定程度上受到東亞季風強度演化的綜合影響。東亞夏季風對巖心有孔蟲的影響主要在190～70 cm段，該段內東亞夏季風與適應暖水環境的有孔蟲含量及因子2變化規律較為一致；東亞冬季風較為穩定的變化趨勢與代表該區整體沉積環境的有孔蟲因子3較為一致。對比之下，東亞季風對底棲有孔蟲的影響在1945年后（70～0 cm）顯得非常微弱，取而代之的是受人類活動的影響占主導。

歷史資料分析表明，自1960年以來，長江口硝酸鹽濃度上升10倍，磷酸鹽上升2倍，N/P比值從1963年的30，上升至2004年的150，底層水體中溶解氧濃度降低明顯[44]，而有孔蟲絕對豐度自1945年開始迅速增加，認為與長江輸入營養鹽的劇烈增加有關。自1970年以來，長江口進入富營養鹽化狀態，赤潮頻發，長江口以及鄰近海域低氧區逐年擴大[45]，河口及近海低氧導致底棲有孔蟲受到影響，適宜富氧環境的H.nipponica等屬種相對含量自1960年代開始，由最大開始呈下降趨勢，說明了人類活動帶來的富營養化和水體低氧區域的擴展，而有孔蟲絕對豐度也由最大開始減少，同時說明人類活動帶來的富營養化和水體低氧化，一定程度地限制了有孔蟲的進一步發育。

4 結論

通過東海內陸架沉積物巖心有孔蟲組合變化和影響因素的綜合分析，認為浙閩沿岸泥質區近200年來有孔蟲組合變化可以劃分為3個階段，1822—1900年，有孔蟲絕對豐度低，冷水富氧環境的有孔蟲較為發育；1900—1945年，有孔蟲絕對豐度和適宜暖水環境的有孔蟲增加；自1945年以來，有孔蟲絕對豐度急劇增加，底棲有孔蟲種屬組合也出現明顯的改變。百年尺度內有孔蟲組合的變化主要受區域性氣候因素和人類活動雙重驅動下該區海水水體含氧量和營養鹽狀態的制約。1945年之前，該處有孔蟲主要受到東亞季風制約，冬季風強勁時水體混合增強，有利于適應富氧環境的底棲有孔蟲發育；而夏季風強勁時有利于臺灣暖流帶來豐富的營養鹽，促進暖水富營養鹽環境的底棲有孔蟲發育。1945年以來，人類活動對有孔蟲的影響開始占主導地位，人類活動向河口和近海輸入豐富的營養鹽大大促進了有孔蟲的發育，導致有孔蟲豐度峰值的出現，但富營養化和水體低氧區域的擴展則又一定程度地限制了有孔蟲的進一步發育。