中國東部海域中239+240Pu 的來源與沉積過程研究

黃亞楠

( 1. 中山大學 海洋科學學院，廣東 珠海 519082；2. 西班牙國家加速器中心，安達盧西亞自治區 塞維利亞 41092)

1 引言

東海大陸架及毗鄰區（23°～33°N，117°～131°E）位于西北太平洋西部，是世界上最大的邊緣海之一。長江口北側啟東角與朝鮮半島西南側濟州島之間的連線是黃海與東海的分界線。東海面積約為9×105km2，大陸架平均水深約為72 m，最大水深約為2 719 m，位于沖繩海槽的南部。多重邊界（空氣–海洋、陸地–海洋和沉積物–海水）相互作用極大地改變了東海海域的地球化學過程[1–3]。多年觀測表明東海夏季受到西南季風的影響，而冬季則受到東北季風的影響[1–3]。東海的水體結構變化很大，在夏季和秋季表現出分層現象，在冬季表現出強烈的垂直混合[1]。東海大陸架受到各種水團的作用，主要有長江沖淡水、沿東海大陸架邊緣的黑潮、向北流動的黑潮底層分支流、臺灣暖流、浙閩沿岸流、黃海沿岸流以及上升流等[2–3]（圖1）。其中，黑潮和臺灣暖流都具有相對較高的鹽度和溫度的特征。再者，與潮流相關的潮汐、泥沙輸入和頻繁且強烈的風暴潮都會增加淺海泥沙再懸浮[2]。這些物理過程使得東海成為世界上最活躍的邊緣海之一。東亞大陸（主要是中國、韓國和日本）通過河流也向東海提供大量的營養物質和懸浮顆粒物，東海成為研究沉積動力學過程的重要場所[1–3]。

圖1 東海及毗鄰區239+240Pu 樣品的采集站位（海流根據文獻[3]改繪）Fig. 1 The sites of 239+240Pu samples in the East China Sea and adjacent waters (current modified from reference [3])

钚（Pu）是一種人工放射性元素，主要應用于核武器的裂變材料以及核電廠的核燃料，也存在于輻照核燃料的產物中。由于20 世紀大規模的核試驗（1945–1980 年進行了543 次），使得239+240Pu 隨著大氣（平流層和對流層）沉降遍布全球，大約6.52 PBq（1 PBq = 1015Bq）的239Pu、5.35 PBq 的240Pu 和142 PBq的241Pu 被釋放到環境中[4]。2017 年10 月27 日世界衛生組織國際癌癥研究機構（IARC）把钚列在一類致癌物清單中，它對人類的健康構成了潛在的威脅。雖然放射性核素239+240Pu 在環境中具有潛在的危害性，但是239+240Pu 在海洋沉積的示蹤中具有定年的可靠性特點[5]，是研究海洋沉積變化的重要示蹤劑之一。東海具有寬廣的大陸架，是研究放射性核素239+240Pu 等的重要場所[1–21]。雖然東海海域利用239+240Pu 在污染物堆積、跨境輸運與生態動力學等方面已開展了相關研究（圖1，表1），但是這些研究分散且不系統，各環境要素之間的聯系缺乏綜合分析，尤其是對陸架海239+240Pu 的沉積過程更是缺乏探討。本文從大氣沉降到海水、生物體、沉積物捕獲器以及沉積物這5 個方面梳理東海大陸架及毗鄰區海域中已發表的239+240Pu比活度、240Pu/239Pu 原子比值和239+240Pu 累積通量或沉積通量等數據，探討239+240Pu 的現代沉積過程及研究進展，以期為未來東海及毗鄰海域中239+240Pu 的深入研究提供一定的科學參考。

2 數據來源

從表1 可知樣品采集時間在1971–2019 年之間，前后近50 年通過原位觀測、走航、拖曳、錨系和剖面觀測等方法對東海及毗鄰區中的239+240Pu 進行環境調查；共計有280 個采樣站位，研究區域基本覆蓋整個東海及毗鄰區海域。需要說明的是東海海域所研究的樣品主要側重于海水與沉積物，對大氣、生物體和沉積物捕獲器中239+240Pu 的研究較少。中國早在1981 年已經在東海海域初步開展了海水中239+240Pu 來源的調查，并利用α 能譜儀測定海水中Pu 的比活度（Pu 可能是239+240Pu）。東海陸架區泥質沉積物的分布呈現近岸多且厚，遠岸淺且少的變化趨勢。在對東海大陸架樣品239+240Pu 的研究中，沉積物樣品（藍色點）多采集于東海大陸架近岸區，而海水樣品（紅色點）多采集于東海大陸架遠岸區。研究還發現早期樣品中239+240Pu 的測定主要是利用α 能譜法，而近期樣品中239+240Pu 的測定主要是利用質譜法（ICP-MS 或AMS），這與測定技術的發展和升級有關。在利用α 能譜法和ICP-MS 測定樣品中239+240Pu 比活度時，有研究發現兩者呈顯著正比關系（r2=0.98）并且斜率為0.988 9[14]，這表明兩種方法的測量結果差異不大，具有可比性。測定樣品中的239+240Pu 時，通過IAEA（SD-N-1、133A、327、368、375、376、384、395 或443 等）標樣進行數據質量控制。

表1 東海及毗鄰區239+240Pu 樣品的數據信息Table 1 Data information about 239+240Pu samples in the East China Sea and adjacent waters

3 東海中239+240Pu 的現代沉積過程

3.1 大氣中239+240Pu 的變化

東海及毗鄰區海域空氣中的239+240Pu，主要是來自于全球的大氣核試驗沉降。空氣中控制239+240Pu 的濃度有5 大因素：再懸浮、全球飄塵事件、大火或有機物的燃燒、大規模的火山噴發和海霧飛沫效應[22]。通過對空氣中239+240Pu 濃度的研究，有助于了解大氣沉降到海洋環境中239+240Pu 的變化趨勢。然而，當前東海海域239+240Pu 大氣沉降的直接觀測極少，僅在長江口海域進行了239+240Pu 濕沉降通量的間接計算，其值34.56 Bq/m2僅能夠代表東海30°～33°N 近岸海域239+240Pu 濕沉降通量的近似值[23]。從圖2 可知全球地表空氣（距地高度未詳）中預測的239+240Pu 濃度（1951–1980 年）、日本東京（1954–1982 年；35.7°N，139.5°E）和日本茨城縣那珂郡東海村（1961–1980 年；36.8°N，140.6°E）地表空氣中平均239+240Pu 濃度的變化趨勢[22]；主要表現為全球地表空氣中預測239+240Pu 的濃度要高于東京和東海村的，全球預測和東京地表空氣中239+240Pu 濃度峰值出現在1963 年，而東海村239+240Pu 濃度峰值出現在1964年（滯后了1 a）。另外，值得注意的是東海村曾在1999年9 月30 日發生了嚴重核（235U）臨界事故。日本東京和東海村大致與東海海域處于同一緯度圈（30°～40°N），其空氣中239+240Pu 濃度的變化趨勢，可以作為東海大氣中239+240Pu沉降變化的參考。當然利用放射性核素大氣沉降的緯圈效應，并通過線性模型計算出的長江口海域239+240Pu 濕沉降年變化趨勢也是在1963 年出現峰值[23]。深入的研究發現，239+240Pu 濕沉降與降雨量存在定量關系。例如，1994–2000 年在東海北部韓國安山市觀測降雨量（單位：mm）的對數（lnP）與雨水中239+240Pu 濃度（單位：mBq/m3）的對數ln239+240Pu呈現顯著負相關的線性關系，即ln239+240Pu=-0.089 1×lnP+3.166（r=-0.76，n=71，p＜0.01）[13]。同時，在降雨中也發現雨水中ln137Cs（單位： mBq/m3）與ln239+240Pu（ 單位：mBq/m3）也呈現顯著正相關的線性關系，即ln137Cs=0.196×ln239+240Pu+0.240 （r=0.88，n=16，p＜0.01）。這些相關關系對于認識東海近年大氣中239+240Pu 的沉降與變化有一定的參考意義。

圖2 全球預測地表空氣與日本城市中239+240Pu 的濃度[22]Fig. 2 The concentrations of 239+240Pu in surface air form globally predicted and Japanese cities[22]

3.2 海水中239+240Pu 的變化

3.2.1 表層海水中239+240Pu 的變化

大氣沉降到東海及毗鄰海域海水中的239+240Pu 在海流或者渦流的作用下，主要以水平或者垂直的方式進行遷移。在遷移的過程中被海水中的懸浮顆粒物或者生物體吸附，被沉積物捕獲器捕獲或者被生物體包裹，進而沉積到海底。由于受到海水深度的影響，海水中239+240Pu 的沉積是一個隨時間變化的過程。在這個過程中，首先由天氣變化造成的海洋物理過程的變化，這可能是控制海水中239+240Pu 濃度分布變化的重要因素[1]。冬季相較于夏季東海表層海水中239+240Pu 濃度發生了明顯的變化，這可能是由于中等深度（500 m以下）富含239+240Pu 的海水在冬季上升所造成的[1]。與冬季相比，夏季239+240Pu 的平均濃度較低；夏季海水升溫會產生溫躍層，導致海水垂直混合較弱，阻止攜帶有239+240Pu 的顆粒物向表面或者淺層遷移。其次，長江徑流輸入可能是影響東海海水中239+240Pu 濃度分布的另一個重要因素。這是因為攜帶有大量陸源顆粒物的長江沖淡水沿中國沿海向西南流動。東海表層水中的239+240Pu 可能受到來自海底沉積物中239+240Pu 的再懸浮或長江徑流的影響[1]。同時，也有研究表明，韓國河流每年向黃海輸入溶解239+240Pu 的通量為0.1×109Bq/a；顆粒物的通量為24.1×109Bq/a；總通量為24.2×109Bq/a[13]，這勢必對東海海水中239+240Pu 濃度分布產生一定的影響。再者，太平洋海域通過北赤道流和黑潮等輸運到東海海域海水中的顆粒活性放射性核素（210Pb、Th 和239+240Pu）也在東海大陸邊緣海海底沉積。

東海表層海水中239+240Pu 濃度隨時間（1980–2015 年）的變化呈現一定程度的下降趨勢，這與海水中239+240Pu的非保守性有關，在海水中239+240Pu 更易被顆粒物等清除（圖3a）。有研究表明，海水中溶解的239+240Pu 與懸浮顆粒物（SPM）存在顯著正相關的線性關系，即239+240Pu=32×SPM+20（n=42，r=0.71）[1]。在位于長江口最大懸濁帶外海海域的CB-23 和CB-29 站位[7]，海水表層樣品的239+240Pu 濃 度 分 別 為（84.3±4.6）mBq/m3和（61.3±5.8）mBq/m3（圖3a），遠遠超出同時期其他樣品中239+240Pu 濃度，這可能與長江徑流帶來高濃度懸沙的輸入有關。這兩個站位水柱中，239+240Pu 的累積通量分別為（4.2±0.5）Bq/m2和（2.8±0.2）Bq/m2，遠低于同緯度239+240Pu 的大氣沉降通量（42 Bq/m2）。有研究表明，海水的深度與海水中239+240Pu 的累積通量呈現顯著的線性 正 相 關 性，即 深 度（Depth）=32×239+240Pu（Bq/m2）+20（n=12，r=0.94）[1]。由于CB-23 和CB-29 站位水深較淺（分別為57 m 和40 m[7]）和快速的邊界清除作用等，各種海洋因素疊加導致水柱中239+240Pu 的累積通量遠低于30°N 大氣沉降的平均值。海水中240Pu/239Pu 原子比值，目前僅有10 個海水表層樣品（CB-23、CB-29、CB-49、DH32、DH51、PN05、DH02、DH05、DH23 和K6）進行了研究，其范圍在（0.203±0.010）～（0.249±0.008），顯 然240Pu/239Pu 原 子 比 值 介 于0.18 到0.30 之間，這表明海水中不僅存在全球大氣沉降直接來源的239+240Pu（0.18），也有黑潮攜帶的來自太平洋核試驗場（Pacific Proving Grounds，PPG）的相對高240Pu/239Pu 原子比值（0.33～0.36）的239+240Pu。最近的研究表明，攜帶有PPG 的239+240Pu 能夠輸運到更遠的高緯度北太平洋和白令海海域[24]。由于當前東海海域表層海水中240Pu/239Pu 原子比值實測數據較少，20 多年海水中240Pu/239Pu 原子比值的變化趨勢不十分明顯（圖3b）。本文推測東海在受到各種環境因素（溫度、鹽度和pH 值等）的影響下，海水中239+240Pu 的來源處于一種混合后的平衡狀態（同時補充，同時清除）。當然，未來東海海水中240Pu/239Pu 原子比值變化趨勢，仍需要更多的數據進行驗證與分析。

圖3 東海及毗鄰區表層海水中239+240Pu 濃度與240Pu/239Pu 隨時間的變化Fig. 3 Changes of 239+240Pu concentration and 240Pu/239Pu in surface water of the East China Sea and adjacent waters over time

3.2.2 水柱中239+240Pu 的變化

海水中239+240Pu 主要存在2 種相態：溶解態和顆粒態。目前東海水柱中溶解態和顆粒態239+240Pu 的分布仍較少。由于海水中239+240Pu 地球化學特征的相似性，在日本海N2 站位發現同一水柱中不同相態239+240Pu 峰值所在層位深度并未重疊，而是存在差異[1]。東海水柱中239+240Pu 的這兩個相態是否也存在差異，有待進一步研究。在不區分顆粒相與溶解相的情況下，東海水柱中239+240Pu 的分布呈現出3 種模式（圖4），這些分布模式主要與采樣站位水深和顆粒物濃度有一定的聯系。對于陸架近岸區，由于水深較淺，海水混合較為均勻，水柱中并未出現明顯峰值的特征。第一種情況是隨著水深的增加，239+240Pu 濃度減小，例如位于東海近岸區CB-17（水深71 m，圖4a）和CB-23（57 m）水柱[7]。第二種情況：隨著水深的增加，239+240Pu 的濃度增大，例如東海PN-8（水深80 m，圖4b）、PN-10（水深45 m）和PN-12（水深42 m）水柱[12]。需要說明的是相同深度間隔，深層海水采集的樣品個數較淺層海水采集的樣品個數少。這樣導致深層采樣密度較小，不利于觀察深層海水239+240Pu 濃度的變化趨勢。第三種分布模式，對于絕大多數水深超過500 m 的東海海域，239+240Pu 的濃度會出現峰值，這可能與不同深度海水中懸浮顆粒物的濃度有關[12]。目前東海海域已研究的水深超過1 000 m 水柱僅有CB-11（2 280 m，圖4c）柱樣，239+240Pu 的濃度峰值出現在550 m 水深的位置[7]。相似地，在南海STAESII 站位（3 840 m）也發現類似的隨著水深增加，239+240Pu的濃度峰值出現在500 m 水深的位置[25]，然后隨著深度增加239+240Pu 的濃度出現遞減的趨勢。然而，由于受到目前東海已研究水柱最大水深的限制，239+240Pu 濃度的分布是否還存在其他類型，仍待于進一步的研究。

圖4 水柱中239+240Pu 濃度的分布特征[7,12]Fig. 4 Distribution of 239+240Pu concentration in different water columns[7,12]

有研究表明，海水中239+240Pu 濃度分布模式與海水的透光率或者顆粒物濃度有關[12]。懸浮顆粒物濃度越大，透光率越低；反之亦然。例如東海海水中239+240Pu濃度（mBq/m3）的垂直分布與透光率（LT）成反比，即239+240Pu=–12.896×LT+14.547（n=11，r=0.72）[12]。通過透光層深度變化可知，東海陸架中部海域（PN-8、PN-10 和PN-12）懸浮顆粒物的濃度在中層（20～40 m）達到最小值，然后隨深度急劇增加，在近海底層達到較高值[12]；尤其是在夏季和秋季東海大陸架的底部海水混濁層變得更厚，懸浮顆粒物的濃度增加。另外，需要說明的是，在幾乎相同的深度也觀察到了海洋密度躍層和懸浮顆粒的不連續層[12]。因此，懸浮顆粒物不連續層的出現，使得其與239+240Pu 濃度變化的相關關系變得更復雜。

對于東海海域水柱中239+240Pu 累積通量的研究，目前僅發現5 個水柱（CB-11、CB-15、CB-17、CB-23和CB-29）[7]，其累積通量范圍為（0.8±0.1）～（22.7±1.0）Bq/m2。這表明海水中仍有一定量的239+240Pu 存在，并未完全被清除而沉積到海底。

3.3 海洋生物體中239+240Pu 的變化

研究浮游動物體內239Pu 或者239+240Pu 的目的，是因為它們能夠反映生境周圍海水中239Pu 或者239+240Pu 濃度的變化。為了確定所分析生物體中人工放射性核素（137Cs 或者239+240Pu 等）的生物富集程度，通常假設在人工放射性核素的供體環境和受體之間建立了動態平衡，同時假設生物體對239+240Pu 的不同氧化態的吸收并沒有優先順序[11]。目前，有關中國海域海洋生物體中239+240Pu 的研究尚少。東海近岸海域（31°N，126°E）僅在1996 年10 月走航觀測中采集了1 個站位的混合浮游動物樣品[11]，樣品中主要生物是中華哲水蚤（Calanus sinicus）。中華哲水蚤是一種小型海洋浮游動物，其作為經濟魚類的餌料，主要分布在黃海和東海的近岸海域，是黃海、東海海域的優勢種。通過測得中華哲水蚤樣品中239+240Pu 比活度為（0.148±0.014）mBq/g，從而定量計算東海浮游生物對239+240Pu 的富集因子（CF）為2.7×103[11]。由于受到該航次采集樣本數量的限制，東海浮游生物對239+240Pu 富集因子的變化范圍仍需要更多的樣品進行分析。同時，該研究發現浮游動物中各物種的239Pu 或者239+240Pu 濃度與混合浮游動物測得239Pu 或者239+240Pu 濃度具有相似的變化趨勢，并表現在冷水區域239Pu 或者239+240Pu 濃度較高，在溫水區域239Pu 或者239+240Pu 濃度較低[11]。因此，可知高緯度的冷水區浮游動物體中239Pu 或者239+240Pu 的濃度較高[11]。也有研究表明，東海和沖繩海槽區的浮游生物、藻類和生物懸浮物對239+240Pu 的富集因子為103～105[6]，這些研究說明東海不同生物體對于239+240Pu 富集程度存在一定的差異[6,11]。由于東海生物體內239+240Pu 的研究還處于起步階段，未來仍需要深入的研究。無獨有偶，在東海大陸架遠海區石垣島珊瑚（1937–1997 年）和與論島珊瑚中也發現了239Pu 或者239+240Pu 的存在，并顯示出全球大氣沉降和PPG 兩個239+240Pu 來源的特征[26–27]。這表明239+240Pu 已經入侵到生物的方方面面，無論是簡單生物體還是復雜生物體。

中華哲水蚤239+240Pu 比活度的研究，對了解海洋食物鏈中較低營養水平的生物體中是否存在239+240Pu 的富集有重要的意義。然而，目前對于東海海域食物鏈較高營養級生物體中239+240Pu 的研究還處于空白。東海是洄游性魚類的主要活動區域，例如東海小黃魚有4 個不同的種群，每個種群都有其獨特的越冬、產卵與索餌的洄游路線。高級生物體內239+240Pu 比活度長時間尺度的研究主要是利用盒子模型[28]，模型中把大氣核爆空間分為4 層（平流層、對流層、海水淺層和深層，圖5a），并把每層作為獨立的空間，其中海水的淺層作為生物體主要活動空間。假設生物體在海水淺層洄游的路線是在相對固定的海水層位中，并假設生物體組織（例如圖5b 太平洋長鰭金槍魚，Thunnus alalunga）對239Pu 等核素響應是足夠迅速。通過對盒子模型的應用，可以了解不同空間放射性核素239Pu 或239+240Pu 的傳遞、損失與富集等過程，這對東海高營養級生物體（如經濟魚類組織）中放射性核素的生態動力學研究有借鑒意義。

圖5 長鰭金槍魚組織中239Pu 比活度的變化[28]Fig. 5 Changes of the 239Pu specific activity in Thunnus alalunga tissues[28]

3.4 沉積物捕獲器中239+240Pu 的變化

東海沉積物捕獲器中239+240Pu 的研究數據較少，最早由日本研究者報道[9,29]。雖然目前東海及毗鄰區僅布設了一個沉積物捕獲器來研究239+240Pu 的時間序列變化，但這為未來東海其他海域沉積物捕獲器研究239+240Pu 提供了一個可能的參考。這是因為受到懸浮顆粒物來源差異的影響，不同海域位置的沉積物捕獲器所接收顆粒物會有不同，顆粒物攜帶的239+240Pu 信息會存在差異，239+240Pu 時間序列也會相應的變化。東海大陸架海域F4 站位（28.681°N，127.075°E）水深604 m，位于黑潮北向的主軸上（圖1）。1995 年10 月利用時間序列捕獲器在此站位連續觀測了17 d，其中第17個觀測日沉積物捕獲持續時間為6 h，其他都為12 h。捕獲器設置深度分別為502 m 和574 m；錨定離海底深度分別為102 m 和30 m，并假設捕獲器擺動幅度不影響其觀測結果或者影響忽略不計。

東海沉積物捕獲器中多層239+240Pu 比活度時間序列的研究非常典型[9,29]，該研究給出了不同層位239+240Pu 比活度和通量時間序列（圖6）。從圖6a 可知雖然沉積物捕獲器分別在502 m 和574 m 層位布放（兩者間隔72 m），但是測得的兩個時間序列239+240Pu比活度差異并不是十分的明顯，并且各時段239+240Pu 比活度也差異不大。然而，東海其他海域是否與F4 站位具有一致的239+240Pu 沉積特征，仍需要進一步的研究。早期研究表明，長江流域輸入的239+240Pu 是東海大陸架海域沉積物中239+240Pu 累積的最主要原因[7,10]。從圖6b可知東海遠岸海底沉積物捕獲器中239+240Pu 相對高的累積通量值，歸因于沉積顆粒物沿大陸坡霧濁層的向下流動，沉積顆粒物周期性橫向輸運的結果[9,29]。因此，沉積顆粒物的橫向擴散也是東海陸架中239+240Pu 累積的重要原因。需要說明的是，這種橫向輸運可能并非持續的過程，而是一個瞬態過程。因此，239+240Pu 累積通量值具有很高的可變性（圖6b）。沉積物捕獲器中239+240Pu 累積通量與顆粒物的總質量通量呈現顯著的線性正相關關系，即239+240Pu 通量=3.157×顆粒物的總質量通量+0.737（n=32，r=0.97）[9]。沉積物捕獲器設置的深度對沉積物捕獲器獲得的239+240Pu 顆粒物累積通量存在一定的影響[9,29]，但對239+240Pu 的表觀停留時間沒有影響。

圖6 比較不同深度海水中239+240Pu 比活度和累積通量時間序列[9,29]Fig. 6 Compare the specific activity and flux time series of 239+240Pu specific activity in seawater at different depths[9,29]

東海大陸邊緣的總質量通量變化較大與內潮有關，內潮通常從大陸架邊緣向中坡發展[9,29]。內潮使得東海大陸架邊緣的239+240Pu 累積通量有明顯的增加趨勢，且在海底附近尤為明顯。另外，對東海大陸坡上的239+240Pu 橫向輸運過程認識非常重要，這是因為大陸坡是連接大陸架和大陸隆過渡帶。利用239+240Pu 來研究污染物通過陸坡向深海的輸運過程仍是空白，東海大陸邊緣239+240Pu 詳細的輸運機制仍需要進一步的數據來證實。

3.5 海底沉積物中239+240Pu 的變化

3.5.1 表層沉積物中239+240Pu 的變化

東海及毗鄰海域表層沉積物的239+240Pu 比活度與240Pu/239Pu 原子比值的研究較多，其中239+240Pu 比活度范圍在（0.008±0.006）～3.021 mBq/g 之間，位于杭州灣出海口處C3 站位的239+240Pu 比活度最小，而位于臺灣省東北部沖繩海槽南端590-22 站位的239+240Pu 比活度最大。表層沉積物中240Pu/239Pu 原子比值范圍在（0.158±0.022）～（0.297±0.042）之間，其中位于長江口南側M1站位的240Pu/239Pu 比值最小，臺灣暖流北上方向H4 站位的240Pu/239Pu 比值最大。除了浙閩沿岸流近岸區的M1 站位和D1 站位的原子比值低于0.18外（圖7）[18]，其他116 個240Pu/239Pu 原子比值數據基本上介于0.18～0.30 之間，這表明全球大氣沉降（0.18）和PPG（0.33～0.36）輸入的239+240Pu 是東海海域中239+240Pu的兩個主要來源。進而，通過簡單的兩端元模型[30]就可以計算出東海表層沉積物中不同239+240Pu 來源的比例。

圖7 東海及毗鄰區表層沉積物中239+240Pu 比活度與240Pu/239Pu 的相關關系Fig. 7 The relationship between 239+240Pu specific activity and 240Pu/239Pu in surface sediments of the East China Sea and adjacent waters

通過對東海大陸架表層沉積物中239+240Pu 比活度與240Pu/239Pu 原子比值擬合發現，沉積物樣品的采樣時間雖然不同，但是兩者之間的關系仍表現出顯著的線性關系。兩者之間線性關系具有分段模式，這不同于以往在東海近岸海域少量表層沉積物樣本的研究：表層沉積物中240Pu/239Pu 原子比值與239+240Pu 比活度的倒數呈現負的相關關系（240Pu/239Pu=–0.001 7×1/239+240Pu+0.254，n=74，r=0.51）[17,20]。從圖7 可知當239+240Pu 比活度小于1 mBq/g 時，240Pu/239Pu 原子比值與239+240Pu 比活度呈現顯著的線性正相關（240Pu/239Pu= 0.072×239+240Pu +0.227，n=108，r=0.42）；當239+240Pu 比活度大于1 mBq/g時，240Pu/239Pu 原子比值與239+240Pu 比活度呈現顯著的線性負相關（240Pu/239Pu =–0.014×239+240Pu +0.256，n=11，r=0.47）。表層沉積物中239+240Pu 比活度在1 mBq/g 左右時，240Pu/239Pu 原子比值與239+240Pu 比活度的線性關系出現拐點，其原因仍需要更多數據去驗證。本文認為表層沉積物采樣時間基本在全球大氣核試驗的高峰期（20 世紀60 年代）后，表層沉積物中的239+240Pu 是海水中239+240Pu 長時間混合與沉積的結果。因此，表層沉積物中的239+240Pu 是不同年代不同來源239+240Pu 的混合產物。還有研究表明，懸浮顆粒物的橫向或者側向輸運導致了表層沉積物中239+240Pu 來源的復雜性[9,29]。根據現有的240Pu/239Pu 原子比值數據，本研究認為存在兩種或以上的海流能夠在水深相對較淺的東海及毗鄰區海底區疊加交匯，那么最有可能是臺灣暖流與黑潮底層分支流在以H4 站位為中心的區域交匯（圖1 黑色虛線站位590-22→站位H4→站位M1）。有研究表明，中國臺灣東北部確實存在黑潮底層分支流，并向東海陸架區入侵[31]。另外，利用239+240Pu 很難說明黑潮邊緣交換過程[18]，這是因為黑潮邊緣范圍以及交換的作用機制目前還非常模糊。

3.5.2 沉積物柱樣中239+240Pu 的變化

對于沉積物柱樣中239+240Pu 的垂直分布，在相對穩定的沉積環境中主要有3 種模式[5]，這種分布特征在東海大陸架均有發現[15–16,20]。從近岸到遠海，東海大陸架海域柱樣中239+240Pu 的分布呈現雙峰（多峰）、單峰和無峰的模式（圖8）；239+240Pu 分布的單峰模式與大氣沉降表面空氣中239+240Pu 濃度的變化趨勢一致（圖2）。利用沉積物柱樣中239+240Pu 的分布特征，可以進行定年。現代沉積速率的分布可反映沉積強度、物質來源和沉積環境穩定性[32]。然而，沉積物中放射性核素239+240Pu 在被生物擾動時，可能影響其在沉積物中的分布特征。由于沉積物中孔隙度、生物擾動以及風暴潮等多重因素的影響，使得沉積物柱樣中239+240Pu 的分布可能出現混合或者向下遷移[33]。

目前東海及毗鄰區已經研究了58 根239+240Pu 柱樣，根據柱樣中239+240Pu 的分布特征和沉積環境類型，本文選取比較典型的3 根柱樣為SC07（水深14 m，圖8a）、DH1（圖8b）和SST1（水深1 080 m，圖8c）柱樣，分別位于長江口水下三角洲、東海陸架區和沖繩海槽。首先是這3 根柱樣239+240Pu 的埋藏深度不同，從近岸到遠海有遞減的趨勢，239+240Pu 蓄積峰的數量也從多到少的變化。其次是這3 根柱樣中239+240Pu 的沉積通量分別為（407±27）Bq/m2、108.5 Bq/m2和（47±1.2）Bq/m2，柱樣中239+240Pu 的沉積通量也有從近岸到遠海遞減的趨勢。利用兩端元模型計算出柱樣中PPG 來源239+240Pu的比例分別為40%、41%和（49±16）%，這說明東海大陸架一定小區域內柱樣中來自于PPG 的239+240Pu 比例空間差異不大[29]。目前已經研究僅有的27 根柱樣（集中在長江口近岸海域）中239+240Pu 沉積通量的范圍在（1.9±0.1）～（675±6.7）Bq/m2之間，平均值為148.5 Bq/m2，是20°～40°N 全球大氣沉降平均值39 Bq/m2的3.8倍[4]，這說明長江口泥質沉積區是東海大陸架沉積的匯。另外需要說明的是，也有26%的沉積物柱樣中239+240Pu 沉積通量低于平均值，這表明長江口水動力條件使得部分柱樣中239+240Pu 的累積受到影響。

圖8 東海及毗鄰區沉積物柱樣中239+240Pu 比活度的分布特征[15-16,20]Fig. 8 Vertical Distributions of 239+240Pu specific activity in sediment cores of the East China Sea and adjacent waters[15-16,20]

柱樣中239+240Pu 的沉積通量能夠響應或者示蹤流域輸入沉積物的變化。長江每年將大約5×108t 沉積物直接排入東海，長江輸送的沉積物約有40%沉積在30°N 以北的內陸架上[2]。東海及毗鄰區沉柱樣中239+240Pu 沉積通量的大小，除受到長江等河流徑流的影響外[1]，邊界清除過程（沉積速率、細顆粒物質的橫向輸送、有機物質的濃度和粒徑）也是239+240Pu 輸運沉積到東海及毗鄰區的主要原因。有研究表明，沉積物中的239+240Pu 沉積通量與水深成反比，并且與沉積物累積速率成正相關[11]。

在利用盒子模型估算東海不同區域沉積物中239+240Pu 絕對含量時[2,10,18]，通常根據東海陸架區的沉積環境特征進行分區。Huh 和Su[2]按照礦物學特征把東海大陸架分為內陸架、中陸架和外陸架。從內陸架到外陸架，239+240Pu 沉積通量呈現從266.7 Bq/m2到33.3 Bq/m2遞減的變化趨勢[2]。2002 年Su 和Huh[10]對東海及毗鄰區的分區進行了改進，分為河口區、內陸架、外陸架和斜坡區。東海沉積物中的礦物學和粒度等特征分布，是受到地形和水動力條件等綜合作用的影響[2,10]。而后，Wang 等[18]根據東海沉積物粒度分布特征把東海所研究的采樣區域大致分為4 個區域，結果表明，長江口及其浙閩沿岸海域中239+240Pu 的沉積通量占到整個東海239+240Pu 總量的80%左右。另外，東海沉積物中239+240Pu 沉積通量相對高的異常變化，是否受到來自于中國核試驗區沙漠飄來的黃沙沉降的影響，仍需要深入的研究[34]。黃河徑流泥沙長距離輸運或者擴散到東海及毗鄰區沉積物中239+240Pu 的貢獻，也需要深入的探討[10]。有研究發現東海沉積物中241Am/239+240Pu 活度比值（1.0～1.9）遠高于全球大氣沉降241Am/239+240Pu 活度比值（0.37），這說明241Am 從水柱中的清除比239+240Pu 更快[1]。因此，利用多種放射性核素（137Cs、241Am 和239+240Pu 等）研究東海沉積物的遷移，有助于對東海現代沉積過程的深入認識。

4 結語

（1）長江口海域239+240Pu 的沉降趨勢與全球表面空氣中239+240Pu 變化趨勢一致，在1963 年達到高峰；然而，相同緯度不同城市中觀測239+240Pu 的沉降峰值年可能會出現滯后現象。

（2）東海海水中239+240Pu 濃度受到長江沖淡水、浙閩沿岸流、臺灣暖流、黑潮主流以及上升流等的影響，239+240Pu 濃度的變化與清除作用相關，240Pu/239Pu 原子比值隨時間的變化趨勢不十分明顯。海水中239+240Pu 濃度的分布主要有3 種模式：遞減、遞增或先增后減。

（3）利用盒子模型能夠初步揭示生物體中239Pu 或239+240Pu 生態動力學特征以及系統了解不同空間放射性核素239Pu 或239+240Pu 的傳遞、損失與富集等過程。

（4）東海大陸架表層沉積物239+240Pu 比活度范圍在（0.008±0.006）～3.021 mBq/g 之間；240Pu/239Pu 原子比值范圍在（0.158±0.022）～（0.297±0.042）之間。東海大陸架沉積物柱樣中239+240Pu 的埋藏深度從近岸到遠海有降低的趨勢，分布呈現從雙峰（多峰）、單峰到無峰的特征。柱樣中239+240Pu 沉積通量的范圍在（1.9±0.1）～（675±6.7）Bq/m2之間。從長江口到東海大陸架，再到沖繩海槽，太平洋核試驗場攜帶的239+240Pu 比例均值在40%左右，空間差異不顯著。

致謝：感謝中山大學海洋科學學院王東曉教授和劉維亮教授以及南京大學地理與海洋科學學院潘少明教授、中山大學海洋科學學院佟子達博士和孫曉明教授的支持。