东海内陆架泥质区沉积物生物硅分布及其影响因素＊

刘升发，刘焱光，于永贵，刘 明，石学法

（1.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛266061；2.海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室，山东 青岛266061；3.中国海洋大学，山东 青岛266100）

生物硅（BSi）指化学方法测定的无定形硅，又称蛋白石，主要由硅藻、放射虫、硅鞭毛虫和海绵骨针组成，沉积物中生物硅主要来源于上层水体中的硅质生物死亡后的骨骼沉积［1－2］，其质量分数与表层水体中的生物繁盛程度密切相关，它的时空分布可用于反映生产力的变化过程［3－7］。在古海洋学及全球生源要素的循环研究中，生物硅的测定也是必不可缺的部分［2］。近年来，关于中国边缘海沉积物中生物硅方面的研究表明，其质量分数总体不高，属于低值海区［2，6－11］。

东海内陆架泥质区是全新世中晚期高海面以来逐步发展形成的［12］，主要由细颗粒沉积物组成，沉积环境较为稳定，沉积地层连续，是研究全球变化区域性响应的理想场所［13］，而目前针对泥质区沉积物中生物硅方面的研究相对较少。因此，我们通过在该区大范围取样，研究东海内陆架泥质区表层沉积物中生物硅质量分数、空间分布规律及其控制因素，为进一步研究该海域的古环境和古生产力提供依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

研究所用沉积物样品为2007年在东海内陆架泥质区用箱式取样器取得（图1）。为保持样品的等时性，采取表层0～5cm层位样品装入双层塑料样品袋中，立刻置于－20℃冰柜中保存，带回实验室进行处理分析。共对55个表层沉积物进行了粒度、有机质和生物硅分析。另外，在取样的同时利用SBE 25－01Sealogger型CTD测定了不同层位水体的温度和盐度值。

图1 调查区域和取样站位Fig.1 Locations of study area and sampling stations

1.2 粒度分析

取适量样品置于烧杯中，加入15ml质量分数为30%的双氧水浸泡24h，去除有机质，然后加入5ml浓度为3mol/L的稀盐酸浸泡24h去除沉积物中的钙质胶结物及生物贝壳，其后将样品进行反复离心、洗盐直至溶液呈中性，经超声波振荡分散后上机测试。所用仪器为英国Malvern公司生产的Master sizer 2000型激光粒度仪，测量范围为0.02～2 000μm，粒级分辨率为0.01φ，重复测量的相对误差＜3%。分析工作在海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室测试中心进行。

1.3 生物硅分析

将样品烘干（50℃）后研磨至200目，称取130～140mg样品置于50mL聚丙烯离心管中，用H2O2（10%）、盐酸（1：9）去除碳酸盐和有机质，然后干燥（60℃）12h以上。向经过预处理的样品中加入40.0mL浓度为2mol/L的Na2CO3溶液，封盖，振荡混匀后，放入85℃恒温水浴。此后每隔1h取出，离心后取0.125mL上层清液，连续提取8h。分光光度法测定提取液中的硅，根据提取液中Si质量分数随时间变化曲线的反向延线与纵坐标的交点值确定样品中生物硅的质量分数［5，14］（图2）。对于低质量分数生物硅样品，该方法相对于国际互校样值的标准偏差为2.16%［2］，重复测试样品的相对误差＜5%。测试工作在中国海洋大学海洋地质实验室进行。

图2 生物硅质量分数确定方法示意图Fig.2 Method for the determination of biogenetic silica

1.4 有机碳和有机氮分析

取冷冻样品约7g放入已去除有机质的培养皿中冷冻干燥48h，然后将样品研磨至200目并放入用重铬酸钾浸泡过的称量瓶中于105℃烘1.5h，再放入干燥塔，通过酸化、洗酸等步骤去除无机碳和氮，最后上机测试有机碳（TOC）和有机氮（TN）质量分数。所用仪器为德国Elementar公司生产的VarioEL型元素分析仪，测试过程中进行10%的平行样和国际标准样GSD－9的测试，误差控制在0.5%以内。分析工作在海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室测试中心进行。

2 结果与讨论

2.1 生物硅的分布特征

研究区表层沉积物中生物硅的质量分数为0.66%～1.26%，平均值为0.95%，属于低值海区（表1）。由图3知，生物硅空间分布呈现明显的条带状分区，研究区西南部闽江口外区域和东北部的远岸区域质量分数较高，多数站位其值在1%以上，而其它区域相对较低，大致＜0.9%。研究区沉积物中生物硅质量分数同渤海和黄海的表层沉积物一样（渤海平均值约为0.25%～0.58%，黄海为0.21%～0.46%），处于较低水平［15］。

表1 研究区表层沉积物中生物硅质量分数统计表Table 1 Contents of biogenetic silica in the surface sediments in the study area

图3 研究区表层沉积物中生物硅平面分布图Fig.3 Horizontal distribution of biogenetic silica in the surface sediments in the study area

2.2 影响沉积物中生物硅质量分数的因素

2.2.1 硅质骨骼供给与溶解作用

在中国周边海区，最早是Lisitzin于1967年对中国东部海域生物硅进行了调查，质量分数近似为1%［16］。之后国内研究者对中国周边的黄海、东海和南海等边缘海沉积物中生物硅进行了相关研究［2，6－10］，结果均表明其质量分数较低。我们研究的东海内陆架泥质区表层沉积物中生物硅质量分数与前人结果较为一致（图3），平均值＜1%，体现了中国近海沉积物生物硅的总体特征，与同为边缘海的白令海（生物硅平均质量分数为15%［17］）和加利福尼亚湾（生物硅平均质量分数为26%［18］）相比，研究区属于低质量分数海区。该特征与中国近海沉积物生物硅的来源，堆积过程及其保存环境密切相关，硅质骨骼供给量和溶解作用是影响沉积物中生物硅质量分数的重要因素［19］，两者的动态平衡关系主导了生物硅的总体分布。1）生物生命活动从水体中萃取溶解态的SiO2而形成硅质骨骼，生物循环对其有决定性的影响。研究区位于闽浙沿岸一带，其沉积物主要来自中国大陆及台湾岛的诸多入海河流输运的陆源物质［19－22］，而陆源碎屑沉积物提供的非晶质SiO2量极低［19］，故其在水体中处于不饱和状态，从而导致研究区硅质骨骼的供给量也极低。2）海水对硅质骨骼具有强烈的溶解作用。生物生长从水体中萃取溶解态SiO2使其在体内积累，而绝大部分硅质生物在死后立即溶解，尤其在表层水体中溶解作用更加明显。估计中国近海生物生命活动每年从水体中摄取溶解态的SiO2的量为2.50×1010t/a，其中有97%的生物SiO2在沉降过程中又溶解而发生再循环，只有3%的硅质骨骼能进入沉积物中［19］。因此，研究区在低硅质骨骼供给量和高溶解作用综合影响下，表层沉积物中生物硅总体质量分数较低。

2.2.2 沉积物组成

研究区表层沉积物粒度组成以细颗粒的粉砂和粘土为主，平均粒径为5.88～7.23φ。生物硅质量分数与沉积物各粒径组分体积分数之间没有明显的相关性（图4），反映了泥质区沉积物机械组成的差异性对生物硅的堆积基本没有影响。这与前人研究潮滩沉积物中生物硅累积量得出的生物硅倾向于富集在较细颗粒沉积物中的结果差异较大［23］，其原因可能是本研究区为泥质区，沉积物组成以细颗粒为主，且所研究站位沉积物粒度组成变化不大（作为主要组分的粉砂体积分数大致为65%～85%）。因此，稳定的粒度组成对生物硅的吸附作用及其早期成岩作用对生物硅的贡献量变化均很小，这可能就造成了本研究区沉积物机械组成对生物硅的保存影响较小。

图4 生物硅质量分数与沉积物粒度组成相关性分析Fig.4 Correlations between the contents of biogenetic silica and the particle compositions of the sediments

生物硅之所以可以作为指示生产力的有效指标，是因为沉积物中的生物硅无论是从来源还是保存都和有机质存在着密切的关系［23］，由图5分析可知，研究区生物硅质量分数与有机碳质量分数之间存在较为明显的正相关，说明沉积物中生物硅的累积对有机质有明显的依赖关系，由此反映了沉积物中有机质对生物硅具有保护作用，可以减缓沉积物中生物硅的溶解速率，是控制生物硅在沉积物中富集的重要因素。沉积物中生物硅质量分数与有机氮质量分数之间的正相关性也进一步证实了二者的伴生作用。

图5 生物硅质量分数与有机碳和有机氮相关性分析Fig.5 Correlations between the contents of biogenetic silica and the TOC and TN in the sediments

2.2.3 流系格局

研究区海流的主干为台湾暖流，除冬季其表层可能受偏北风的影响，流向偏南外，其余各层流向变化不大，流向几乎终年一致地沿等深线流向东北，近底层更为明显。台湾暖流的流速一般为15～20cm/s，当到达长江冲淡水远岸段时，逐渐减弱为10～20cm/s［24］。除此之外，近岸区域主要受闽浙沿岸流控制，夏季盛行西南风，故沿岸流流向东北，冬季盛行东北风，故沿岸流流向西南［25］。

图6 研究区水体温度和盐度平面分布图Fig.6 Horizontal distributions of the temperature and salinity of water in the study area

由图6知，高温、高盐的台湾暖流水沿平行于30m等深线从南向北一直贯穿于整个研究区。台湾暖流为“洁净”水，在这种强大水动力和温度、盐度结构的阻隔作用下，河口及闽浙沿岸入海泥沙只分布在闽浙沿岸一带，无法向其邻近海域扩散，这与郭志刚等［26］结论一致。研究区内侧，长江、钱塘江、闽江、瓯江等入海径流与海水混合形成的闽浙沿岸流携带大量的陆源入海物质在季风的推动下沿岸运移、沉积［27］，在冬季风驱动下输运的长江物质是研究区细颗粒沉积物的主要来源［12，20－21］。连续、快速沉积的细颗粒陆源物质对生物硅的保存造成冲淡作用，导致沉积物中生物硅质量分数在近岸一带较低，随着冬季沿岸流的减弱及长江物质的减少，陆源物质对陆架区生源颗粒物的这种稀释作用也随之减弱，导致近岸南部生物硅质量分数逐渐增大。在外侧台湾暖流控制范围内沉积物堆积速率较低，有利于生物尤其是底栖生物的生存，故生物硅质量分数相对较高。

由图6知，研究区南部29、46、50等数个站位附近高温、高盐的台湾暖流水舌有向近岸延伸的趋势，阻止了南下的闽浙沿岸水体。而现代海洋学研究认为，该位置存在数个上升流中心，可能主要是台湾暖流、地形以及夏季风等因素综合影响所致［28］，因此，各种营养元素随着上升流的运动而得到充分补充，生物量大，硅藻等硅质生物繁殖茂盛，导致该区位置生物硅质量分数明显高于近岸其它区域。

3 结论

通过对东海内陆架泥质区表层沉积物进行生物硅分析，得到以下结论：

1）表层沉积物中生物硅质量分数为0.66%～1.26%，平均值为0.95%，属于低值海区。空间分布上，研究区北部近岸一带生物硅质量分数低于远岸，而研究区南部则在闽江口周边位置出现一个高值中心。

2）研究区生物硅整体质量分数较低主要受中国东部海区低硅质骨骼供给量、边缘海区域的高溶解作用的综合影响，而生物硅的空间分布则可能主要受闽浙沿岸流及台湾暖流控制下的陆源碎屑物质的冲淡作用的影响。

3）研究区生物硅质量分数与沉积物中有机质质量分数具有明显的伴生作用，而与沉积物粒度组成则没有明显的相关性。

致谢：国家海洋局第一海洋研究所朱爱美协助进行粒度分析，白亚之协助进行有机质分析。

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