沉积物空间分异特征是搬运、沉积和物质再分配过程的集中表现，蕴含了水动力、泥沙运移、营养盐输送等多环境因素信息^[1-3]。国内外学者也在不同方面利用沉积物特征对地质及环境演化过程进行系统研究，并取得了较多的成果^[4-7]。例如：Hutchinson^[8]等人利用沉积物化学和孢粉分析，揭示了冰后期以来苏黎世湖的演化历史和营养条件的改变；国内学者从上世纪80年代开始^[9-11]，也利用沉积物粒度对黄、渤、东海的环境演变、物质来源和沉积过程进行了系统研究，结果表明沉积物粒度对环境演变过程具有一定的指示意义^{[7, 12]}。

河口区域作为自然因素和人为因素作用的复合体，其沉积物与生态环境演化过程更具复杂性，国内外学者虽然在海湾、海域和陆域湖泊开展了系统的沉积物对地质环境指示意义的研究^[13-14]；然而，涉及河口潮间带小尺度区域沉积物粒度空间分异的生态环境指示意义研究较少。张际标等^[15]采用激光测定法分析海岛潮间带表层沉积物粒度及其与沉积环境要素的关系。此外，国内学者多关注潮间带沉积物重金属和营养元素，通常采用地质积累指数法和潜在生态风险指数法研究沉积物重金属和营养元素的分布特征^[16-17]。

本文选择典型辽河口(双台子河口)潮间带作为研究对象，拟揭示：(1)沉积物粒度与营养元素在空间分布上是否具有规律性；(2)沉积物粒度是否对沉积物TC和TN的空间分异具有指示意义。

1   材料与方法

1.1   研究区概况

研究区位于辽河口入海河口西侧，如图 1所示。研究区总面积为117 km²，长约为24 km，宽约为7 km；该区域为典型河口淤积滩涂，由陆地不断向海洋延伸。滩涂具有底质好、岸坡缓、滩面宽、土层厚、土质粘、盐分高等特点。该区的浅滩物质由砂、粘土质粉砂和砂—粉砂—粘土组成。属于典型三角洲堆积地貌；气候属于北温带半湿润季风型气候区，年平均气温8.4℃，无霜期为167~174 d，年平均降水量为623.2 mm，最大降水量916.4 mm，最小降水量为326.6 mm；年平均蒸发量为1669.6 mm；该区主要以光滩和潮沟分布为主，零星分布少量翅碱蓬植被。

图  1  研究区位置及采样分布

Fig.  1  Location of study area and sampling distribution map

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.2   沉积物样品采集与处理

沉积物样品采集：2013年5月大潮期在研究区布设8个垂直于双台子河水流向的断面，利用三角不锈钢铲采集0~5 cm未经扰动的表层沉积物样品95个，调查站位见图 1，利用差分GPS记录下样品经纬度信息。将样品轻轻放入自封带内，并利用冰盒将其带回实验室，贮存于-20℃冰箱中；相关的信息(土壤类型、植被、利用方式)也被详细记录。样品于-52℃和小于20 Pa真空冷冻干燥机中干燥(FD-1C-50，北京博益康)至恒重(约36 h)，然后磨碎、混匀并过100目铁筛，然后贮存于玻璃干燥器中待测。

沉积物粒度测定：沉积物粒度采用激光粒度仪进行分析测试，首先将烘干后的样品进行充分混合，采用H₂O₂溶液法去除沉积物中有机质，并利用稀盐酸去除沉积物中钙质胶结物和生物壳体。将处理后的样品加入蒸馏水，利用离心机进行洗盐处理，并在样品中加入数滴0.5 mol/L的偏磷酸钠，经超声波振荡使样品充分分散后上机测试。最后获得沉积物中粘土、砂、粉砂和砾石物质组成百分比及每一样品的平均粒径和分选系数^[16-17]参数。

TC、TN测定：沉积物TC测定采用重铬酸钾容量法(外加热法)，将沉积物样品经过前处理后，用一定浓度的重铬酸钾和硫酸亚铁氧化有机碳，再利用校正系数，计算获得沉积物样品中有机碳的总含量。TN包括沉积物溶液中亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、无机盐氮、溶解氮及大部分有机含氮化合物中的氮。利用K₂S₂O₈、KHSO₄溶液对沉积物样品进行处理，将沉积物溶液中含氮化合物的氮素转化为硝酸盐，再利用紫外分光光度法测得沉积物样品中TN的含量。

1.3   数据分析方法

将实验分析获得95个沉积物样品的粒度组成百分比、分选系数、TC和TN数据输入ArcGIS9.2中，采用Kriging插值法，获得粒度组成百分比、分选系数、TC和TN空间分布数据，并将其转化为矢量数据；利用EXCEL2013和Origin9.64数理统计软件，完成粒度参数与TN、TC相关性分析和统计图制作。

2   结果与讨论

2.1   沉积物粒度组成和特征参数空间分异规律

研究区沉积物粒度组成主要包括砂、粉砂和粘土3种组分，三者质量百分比均值分别为砂占63.9%，粉砂占32.5%，黏土占3.5%。砂的百分比变化最大，变化区间在9.4%~98.1%，其次粉砂最小值1.2%、最大值77.75%；而黏土含量最小含量为0.59%，最大含量为15.8%，具体见图 2；不同组分含量分析结果表明，研究区沉积物主要以砂和粉砂为主，黏土物质含量较低，具体见图 3。

图  2  沉积物组分含量空间分布特征

Fig.  2  Spatial distribution of sediment components

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  3  潮间带沉积物不同组分含量组成

Fig.  3  Composition triangle of different components in intertidal sediment

下载: 全尺寸图片 幻灯片

在空间分布上，砂和粉砂沿着垂直岸线的方向上呈现明显梯度变化规律，砂沿陆向海方向含量逐渐增大，且其沿着河流入海河口向外呈现递增趋势；而粉砂由陆向海方向上呈现递减梯度变化规律，高值出现在靠近陆地一侧；黏土物质主要分布在河口区及靠近陆域区域, 并沿着陆向海方向呈递减趋势。从表层沉积物粒度组成空间分布规律可知，河口潮间带砂、粉砂和黏土物质组成在空间分布上总体呈现梯度分布(图 2)。

平均粒径代表粒度分布的集中趋势，反映了沉积介质的平均动能，在一定意义上可以反映沉积物的物质来源及运移方向。研究区平均粒径最小值2.26 φ、最大值为5.9 φ、均值为3.86 φ；在空间分布上，由陆向海方向上逐渐降低, 呈显著梯度分布格局。沉积物分选系数分布与平均粒径分布趋势相似，沿着由陆向海方向上逐渐降低，靠近陆域方向上分选性较好，而靠近潮下带区域分选性较差，分选系数介于0.46~1.78。

沉积物粒度分布特征主要受控于物源和沉积环境。在海区及湖泊沉积物粒度空间分布及分选特征很大程度上受到悬沙浓度及潮流的影响，这一观点已经被很多研究者所证实^[1-2]；Lee等^[18]认为南黄海进入渤海的水体限制了山东半岛沿岸沉积物粒度组成向东和东北方向扩散，主要是受到黄海暖流的影响，Sternberg等^[19]研究结果也表明泥沙运移主要受到潮流的影响；蒋东辉^[20]研究认为北黄海悬沙呈南北向条带状分布，并且不仅受到黄海暖流的影响，同时还受到M2潮流的影响^[21]。以上研究均表明在海域空间尺度上沉积物粒度空间分布主要受到物源和沉积环境的影响。本文在前人研究基础上，进一步分析了潮间带沉积物粒度空间分布特征。发现在潮间带沉积物粒度分布存在显著规律性，由陆向海方向呈梯度变化，平均粒径和分选系数在空间分布上也呈条带状分布。说明在潮间带区域沉积物粒度分布特征主要受到潮汐水动力环境和泥沙物质来源的影响，这说明潮间带与海域具有相似的分布规律。

2.2   沉积物碳氮空间分异规律

为进一步识别沉积物粒度分选特征对沉积物营养元素是否存在指示意义。本文进一步分析了研究区沉积物TN、TC分布规律，具体见图 4。

图  4  沉积物分选特征及TC、TN空间分异规律

Fig.  4  Sediment sorting characteristics and spatial differentiation of TC and TN

下载: 全尺寸图片 幻灯片

研究区TC介于0.13%~0.98%，均值为0.26；在空间分布上与沉积物分选系数具有较高相似性，总体上由陆向海方向逐渐降低，并在河流入海口向陆一侧呈高值，而在接近潮下带方向上呈低值。研究区TN介于0.01%~0.17%，均值为0.05%，沿着由陆向海方向上逐渐降低，在河口入海处和靠近陆域方向上呈现高值，在潮下带边界处呈现低值。总体而言，研究区沉积物营养物质含量处于相对较低水平，但沉积物营养元素(TN、TC)在空间分布上与沉积物粒度组成及分选特征具有较强的相似性，这说明沉积物水动力环境可能会对沉积物营养元素具有一定影响。本文进一步分析了沉积物粒度特征参数与营养元素之间的关系。

2.3   沉积物分选特征对营养元素(TN、TC)的指示意义

沉积物粒度特征能够反映区域水动力环境及水平动能变化趋势，而在潮间带能否反映沉积物营养元素的空间分异规律，需进一步的进行识别。如图 5所示，从沉积物粒度组份上看，随着砂组成百分比的升高，TN、TC呈显著降低趋势；随着粉砂和黏土组成百分比的升高，TN和TC的含量逐渐升高。

图  5  沉积物成分含量与TC、TN分布趋势

Fig.  5  distribution trend of sediment component content and TC、TN

下载: 全尺寸图片 幻灯片

如图 6所示，随着平均粒径和分选系数的增大，TN和TC含量均呈上升趋势；进一步对沉积物粒度特征参数与营养元素之间作了person相关分析，从结果可知，TC与砂组成百分比成负相关，与粉砂组成百分比、黏土组成百分比、平均粒径和分选系数呈正相关，并在p＜0.01水平上显著相关(表 1)，与TC相关性由大到小依次为：黏土含量(0.896)＞分选系数(0.881)＞平均粒径(0.823)＞砂含量(-0.741)＞粉砂含量(0.7)；TN与砂组成百分比成负相关，与粉砂组成百分比、黏土组成百分比、平均粒径和分选系数呈正相关，并在p＜0.01水平上显著相关(表 1)，与TN相关性由大到小依次为:分选系数(0.697)＞砂含量(-0.691)＞平均粒径(0.686)＞粉砂含量(0.68)＞黏土含量(0.644)。

图  6  沉积物分选特征与TC、TN分布趋势

Fig.  6  distribution trend of sediment sortingcharacteristics and TC、TN

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  1  沉积物不同粒级组分含量、分选特征与TC、TN之间相关分析

Tab.  1  Correlation analysis between sediment component content, sorting characteristics and TC、TN

下载: 导出CSV 

| 显示表格

综合而言，TC与沉积物粒度特征参数相关性大于TN的相关性，表明沉积物粒度特征参数对TC的指示作用大于TN的指示意义。说明河口潮间带碳的沉积受到沉积物水动力环境的影响较大。以往的研究重点关注沉积物粒度对物源及水动力环境的指示意义^[5]。然而，涉及生态环境要素具体指标的指示作用尚未深入分析，本文选择沉积物中TN和TC作为生态环境要素指标，发现TC和TN在空间分布上与沉积物粒度参数均具有较好的相关性，且TC相关性总体上高于TN；这说明沉积物粒度组成特征能够对沉积物生态环境参数TC和TN进行很好的指示作用，进一步研究表明，不同营养元素其沉积物组成及特征指示参数也不尽相同。如沉积物中黏土物质对TC指示作用较强，而分选系数对TN的指示作用最强。这也反映了沉积物中营养元素的富集对沉积物粒度参数的变化响应不尽相同，例如，TC的富集主要受到黏土物质、分选系数和平均粒径的影响，而TN的富集主要受到分选系数、砂含量和平均粒径影响；综合而言分选特性及平均粒径均对沉积物营养元素具有指示意义，而沉积物粒度组成成分则依据营养元素指标不同其指示指标也不尽相同。

3   结论

(1) 本文以辽河口潮间带区域为实证研究对象, 识别了沉积物粒度组成、特征与沉积物营养元素的空间分异规律及其相关关系。发现沉积物粒度组成、特征参数在空间分布上呈现由陆到海梯度变化趋势。

(2)沉积物营养元素(TN、TC)在空间分布上与沉积物粒度组成及分选特征具有较强的相似性，研究发现沉积物粒度组成和粒度参数能够对营养元素进行有效的指示，进一步发现黏土物质对TC指示作用较强, 而分选系数对TN的指示作用最强。

(3) 本文研究的结论进一步证实了沉积物对环境要素的指示作用，同时也验证了在区域小尺度沉积物对营养元素空间分布的影响。