流域工程影响下长江河口-陆架区沉积有机质分布变化及碳汇效应

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海洋作为地球表面最大的地理单元,对于全球的物质输运与能量循环过程具有重要的调控作用。边缘海作为海洋碳库的重要组成部分,其有机碳埋藏通量约占整个海洋有机碳埋藏总量的80%。其中,河流影响下的陆架边缘海的陆、海、河相互作用强烈,陆源输入丰富,初级生产力高,沉积速率快,且沉积环境较为稳定,往往有利于有机质被快速有效地埋藏。近年来,随着流域工程的不断增加(水库建设、水土保持等),流域内的物质输运过程发生了明显变化,这必然会导致“河控型”边缘海的沉积物供给和沉积动力环境改变,并对其沉积地球化学过程,尤其是碳循环过程产生影响。因此,我们有必要在前人基础上进一步关注流域工程影响下“河控型”边缘海沉积有机质的地球化学行为。本研究基于2018年4~6月在长江河口-陆架区采集的145个表层沉积物样品,结合2006年的历史调查资料,对该典型“河控型”陆架边缘海不同时期的沉积物粒度以及总有机碳、多环芳烃和分子生物标志物(正构烷烃和四醚膜脂)的含量及空间分布进行了对比分析,定量估算了有机碳的沉积通量,并探究了沉积有机质的来源和组成变化,较为系统地研究了“河控型”边缘海的沉积有机碳储库及源汇效应对流域变化的响应。本论文得到的主要结论如下:(1)近几十年来,随着流域工程建设不断加剧(水库建设、水土保持工程等),长江物质输运过程明显改变,入海泥沙通量逐步降低,致使长江河口-陆架区的沉积环境也随之发生改变:与1982年相比,2006年长江河口-陆架区表层沉积物的粒度变化不明显,主要以细颗粒物质为主;与2006年相比,2012年该区域表层沉积物粒度出现一定程度粗化现象,2018年这种粗化趋势更加明显。与此同时,长江河口-陆架区表层沉积物粒度的空间分布格局也发生了一定的变化:1982年和2006年该区域表层沉积物粒度的空间分布整体较为一致;与2006年相比,2018年长江河口-陆架区表层沉积物粒度的空间分布表现出明显的南北分异。由此可知,2006~2018年期间长江入海泥沙通量的降低导致长江河口-陆架区表层沉积物出现侵蚀现象,并导致该区域的物质分配格局发生变化。(2)2006年,长江河口-陆架区表层沉积物中TOC含量的平均值为0.45±0.21%,相比而言,2018年该区域表层沉积物中TOC含量有所下降,其平均值为0.35±0.18%。该区域沉积物中正构烷烃含量同样表现出明显的下降趋势,而多环芳烃浓度的下降趋势并不明显。与2006年相比,2018年长江河口-陆架区表层沉积物中有机质的空间分布格局相较于2006年变化明显:2006年,该陆架区沉积物中有机质含量的空间分布南北差异明显,北部含量较高而南部含量较低;2018年,该区域有机质含量总体较低,其空间分布的南北差异不明显。长江河口-陆架区表层沉积物中的有机质含量与沉积物的平均粒径和细颗粒组分(粉砂和粘土)存在显著的正相关关系,粒度分布对沉积物中有机质的空间分布具有重要影响,据此推测长江河口-陆架区表层沉积物的侵蚀和再分配过程是导致沉积物中有机质含量降低的关键因素之一。此外,在此期间,长江流域内的工程建设活动活动不断加剧,使得长江输送的颗粒态有机质通量显著降低,成为导致长江河口-陆架区沉积物中有机质含量降低的另外一个重要因素。(3)与2006年相比,2018年长江河口-陆架区沉积物中有机碳的δ13C值的分布区间和平均值均没有明显变化,其空间分布格局则呈现明显差异,在河口水下三角洲和浙-闽沿岸泥质区的近岸区域存在明显“偏轻”现象;长江河口-陆架区沉积物中C/N变化较为明显,在北部河口区大幅降低,而在南部浙-闽沿岸泥质区变化不明显。对陆源有机质示踪指标(C27-33 n-alkanes、ALK%、TAR和CPI27-33等)的分析结果表明,与2006年相比,2018年长江河口-陆架区表层沉积物中的陆源有机质含量明显降低,陆源有机质在该海域沉积物中的埋藏比例也相应降低,这一变化在河口区比在浙-闽沿岸泥质区更加明显。由此可见,流域工程影响下长江河口-陆架区沉积物中有机质的来源和组成发生了明显变化。(4)三峡水库蓄水后长江河口-陆架区有机碳的年沉积通量比水库蓄水前降低约48%,并且其降低幅度在河口水下三角洲区域最大。三峡水库蓄水前后长江河口-陆架区不同沉积体系之间有机碳沉积通量的对比结果表明,北部河口区和浙-闽沿岸泥质区中北部有机碳沉积通量的下降幅度明显高于浙-闽沿岸泥质区南部。在此影响下,长江河口-陆架区不同沉积体系之间存在有机质的再分配过程,原有的源汇格局发生改变,北部河口区及浙-闽沿岸泥质区中北部已由沉积有机质的“汇”转换为“源”。
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