西沙群岛东岛潟湖沉积物碳、氮元素地球化学特征及其指示的环境变化

刘晓瞳，葛晨东，邹欣庆，黄梅，唐盟，李亚丽

(1.南京大学 中国南海研究协同创新中心，江苏 南京 210023；2.南京大学 地理与海洋科学学院，江苏 南京 210023；3.南京大学 海岸与海岛开发教育部重点实验室，江苏 南京 210023)



西沙群岛东岛潟湖沉积物碳、氮元素地球化学特征及其指示的环境变化

刘晓瞳1,2,3，葛晨东1,2,3，邹欣庆1,2,3，黄梅1,2,3，唐盟1,2,3，李亚丽1,2,3

(1.南京大学 中国南海研究协同创新中心，江苏 南京 210023；2.南京大学 地理与海洋科学学院，江苏 南京 210023；3.南京大学 海岸与海岛开发教育部重点实验室，江苏 南京 210023)

根据对西沙群岛东岛潟湖沉积柱样DD-01粒度特征，210Pb年代学，C、N元素地球化学，有机碳同位素(δ13C)以及生物残留组分的分析，探讨了东岛沉积环境的演变。结果显示，沉积柱剖面自下而上可分成4段：(1)34～40 cm的沉积层受鸟粪影响较大，TN、TOC含量分别介于0.15%～0.27%及1.78%～2.8%，δ13C值介于-24.86‰～-23.84‰，可见大量鸟粪沉积，植物颖果以及淡水相介形类残体；(2)28～34 cm (年代约132 a BP)的沉积层中淡水相的介形类以及植物颖果和鸟粪沉积几乎绝迹，海相有孔虫以及海胆刺残体数量激增，TN含量介于0.05%～0.06%，TOC含量在0.4%～1.17%之间，分别降至相对低值；δ13C值变轻，介于-25.95‰～-25.45‰；平均粒径较粗，稳定在1.3Φ左右；TIC含量较高，介于10.95%～11.26%，接近纯净碳酸盐的含量。C、N元素的含量较上下层位均出现了剧烈的变化，这可能受到了海洋沉积动力事件影响，使得东岛的生态环境产生了剧烈的变化；(3)19～28 cm 深度，TN、TOC出现增加的趋势，沉积物中又重现植物颖果及其残体，此段沉积物更多受到牛粪的影响，δ13C值保持在较轻的水平；(4)19 cm(年代约90 a BP)处至表层，TN、TOC含量快速波动增长，受到鸟类种群恢复带来的大量鸟粪输入的影响，δ13C的值也出现了变重的趋势。

TOC；δ13C；环境变化；人类活动；西沙群岛东岛

1 引言

全球环境变化已经成为当前人类面临的一大挑战，随着人类活动不断增强，对全球环境的影响也日趋剧烈，在一些生态脆弱区更是表现的极为明显[1—3]。南海具有极为丰富的生物多样性，是环境变化的敏感区域之一[4]。

自20世纪40年代我国收复西沙群岛以来，由于西沙群岛独特的地理位置以及环境特点，我国学者对其进行了多次的科学考察，在地质学、地貌学、海洋学等方面取得了诸多的成果[5]。业治铮等[5]分析总结了西沙各岛的分布特点、形成原因、演化现状，提出西沙群岛主要形成于中全新世晚期，约3 000～4 000 a BP；钟晋樑和黄金森[6]对西沙群岛各岛的粒度进行了研究，分析了各岛的粒度特征、生物组分、堆积速度等；张明书等[7]通过永兴岛“西永1井”、“西永2井”、“西琛1井”的实施，揭露了西沙各岛的成岛历史，并初步总结了西沙海域中新世以来海平面变化，气候演变的历史和重要的古海洋事件等，推动了我国珊瑚礁相沉积学的发展。近年来的研究调查表明，随着人类活动频繁增加，对西沙群岛以及东岛的生态环境产生了重要的影响[5]。孙立广等[8]调查了西沙群岛若干鸟岛的鸟类种群和生态，利用应用地球化学、生态学等多学科交叉的基本理论和方法研究了鸟粪沉积层的生态环境记录；探讨了几千年来鸟类聚散对环境变化、人类活动的响应；拓宽了鸟类生态学家对红脚鲣鸟的认识。Liu等[9]通过对东岛牛塘沉积柱DY2、DY4的研究，从沉积剖面中识别出保存完好的古海鸟粪土沉积层，为进一步研究历史时期南海岛屿海鸟生态系统和气候演化记录提供了良好的信息载体。我国人民很早就在西沙群岛海区从事航运和渔业活动，东岛上至今还存留着明朝时期渔民祭祀留下的祭坛，人类在岛上活动带来的动植物繁衍至今，势必对岛上的原生生态系统产生了一定的影响。

东岛被誉为拥有西沙的最后一片原始森林，其周边海域丰富的海洋表层鱼类和适宜的气候使得其成为海鸟居住的天堂，其沉积物中鸟粪有机质含量丰富，具有重要的生态环境意义以及保护价值。有机质类型不同，其具有的C、N元素特征和δ13C值也会有所不同[10—11]，众多学者已经证明这种方法可以区分有机质的来源，从而反演环境的变化[12—13]，Lamb等[14]指出可以根据C/N值和有机碳同位素值来区别海洋有机质来源，进而推测其环境演变；葛晨东等[15—16]对海南岛万泉河口沙美内海柱样的进行的C、N元素的分析，得出了有机碳的变化反映了流域内人类活动的历史。本文拟通过研究东岛上一片淡水资源牛塘的沉积物的粒度、210Pb定年、C、N元素以及有机碳同位素含量的变化趋势来探讨东岛沉积环境的演变，也为更好地保护东岛独特的生态景观和生态资源提供一定的理论依据。

2 研究区概况

东岛(16°39′～16°41′N，112°43′～112°45′E)位于南海西沙群岛东部的东岛环礁，是一个“西北-东南”走向，呈长椭圆形的热带珊瑚岛屿(图1)，形成于西沙群岛的主要成岛期。陆地面积1.55 km2，高程约3～6 m，年平均气温26～27℃，年降雨量1 500 mm左右，有明显的干湿季，雨期集中在6—11月[17]。东岛有“鸟岛”之称，被列为国家二级保护动物红脚鲣鸟(Sulasula)的生态保护区，其数量估计在5万只左右，常年有约10万只红脚鲣鸟、小军舰鸟(Fregataminor)等40多种鸟类在岛上繁衍生息[8]。东岛植被丰富茂密，边缘的沙堤上分布着草海桐(Scaevolasericea)、银毛柴(Messerschmidiaargentea)等灌木，中部平坦的盆地内分布着大片的白避霜花树(Pissoniagrandis)乔木林，占了约东岛面积的一半，它们是红脚鲣鸟的栖息地[18]。此外，岛上还生活着大约70多头“野生”黄牛。

图1 西沙群岛东岛地理位置及采样站位图Fig.1 Geographical location of the Dongdao Island of Xisha Islands， showing the sample site

“牛塘”是东岛上一天然的潟湖，位于岛的中南部，是岛上唯一的淡水湖泊，因其为岛上黄牛群提供淡水而得名。牛塘长度100 m左右，最宽处约20 m，水深在0.5 m以下。我们的采样点位于牛塘东南边上的沼泽，塘边散布低矮灌木植物，据驻岛官兵介绍，沼泽在干季由于水位下降出露，丰水期淹没在水下。

3 材料和方法

3.1 样品的采集

2015年8月7日在西沙群岛东岛，以人工重力的方式用洁净PVC管采集了牛塘东南方向表层至底部全长为60 cm(管内岩芯长40 cm)的柱状样，命名为DD-01(16°39′53″N， 112°43′54″E)。现场采样后用胶带密封保存，以防止沉积物氧化。样品运回南京大学后先于冰柜中冷藏保存，后在实验室内刨分柱状样，对半刨分，一份保存，一份留作实验分析。样品刨开后，以1 cm为间隔从上往下等距离分样，共取得27个样品。根据压实率换算，这27 cm的样品对应的实际深度为40.5 cm。分好的样品放入冰柜中冷冻，之后用冷冻干燥机(ALPHA-1-4型，德国Martin Christ公司生产)进行低温冻干，冻干好的样品取一部分用玛瑙研钵磨细搅匀，放入样品袋中以备后续实验分析。

3.2 沉积物样品测定

利用英国Malvern公司生产的Mastersizer2000型激光粒度仪对沉积物样品进行了粒度分析；沉积物中的总碳、总氮的测定是由Thermo公司生产的FLASH EA 1112 series CNS元素分析仪测得，无机碳的测量是通过UIC CM5015型碳库仑仪测得；样品中有机碳的含量是用总碳的含量减去无机碳的含量得出。以上实验均在南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室完成。样品有机碳同位素测定在中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室完成，所用仪器为美国Thermo Finnigan 公司生产的Delta plus Advantage气体同位素质谱仪。测定前需先用10%盐酸除去样品中无机碳。样品中扫描电镜分析使用Carl zeiss supra 55场发射扫描电镜，在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成。测量加速电压为15 kV，束斑大小为2 μm。210Pb的测定在南京师范大学江苏省环境演变与生态建设重点实验室完成，使用仪器为美国EG&GORTEC公司生产的高纯锗γ谱仪。采用恒定比活度模式(Constant Rate of Supply，简称CRS模式)建立沉积物岩芯年代序列[19]，根据下式计算沉积物某层的沉积年代t和沉积速率DR：

t=λ-1ln(A0/A)，

(1)

DR=Z/t，

(2)

公式(1)和(2)中A0是沉积物柱芯中210Pbex的总累计输入量(Bq/cm2)，A为深度Z以下各层沉积物中210Pbex的累计总量(Bq/cm2)，Z为沉积物埋藏深度，DR为沉积速率(cm/a)，λ为210Pb衰变常数(0.031 14 a-1)。

4 分析结果与讨论

4.1 沉积速率与年代序列

使用CRS模式计算沉积物年代不要求210Pbex的比活度随深度分布呈指数分布，且可以计算出不同质量深度区间的沉积速率[19]。通过210PbCRS模式进行定年计算，结果见表1，得出DD-01沉积柱样表层的沉积速率为0.212 cm/a。

表1 DD-01沉积柱210Pb定年结果

续表1

4.2 沉积剖面描述及组分特征

根据沉积剖面不同的颜色、物质组成、粒度特征可将整个沉积剖面划分为4段(其中0～28 cm可细分为2段)，每段的特征、深度和物质组成见表2。

表2 东岛牛塘沉积物DD-01剖面沉积特征

图2 DD-01沉积柱生物残体扫描电镜图像Fig.2 SEM images of biological remains in core DD-01A.植物颖果残体(深度15 cm)；B.介形类化石(深度36 cm)；C～G.有孔虫化石(深度28～34 cm)；H.海胆刺残体(深度30 cm)A. Caryopsis plant residues(depth 15 cm); B. Ostracoda fossil(depth 36 cm); C-G. Foraminifera fossil(depth 28～34 cm); H. Sea urchin spines residues(depth 30 cm)

图3 鸟粪沉积的扫描电镜图像和X射线衍射谱图Fig.3 SEM images and X-ray diffraction spectrum of the guano deposits图谱A. 深度36 cm；图谱B.深度16 cmSpectrum A.depth 36cm; Spectrum B. depth 16 cm

图4 DD-01沉积柱岩性剖面以及粒度组分、平均粒径、TOC、TIC、TN、C/N、δ13C 随深度的变化Fig.4 Lithologic section， compositions， and profiles of mean grain size， TOC， TIC， TN， C/N，δ13C with the depth in DD-01 core

图5 东岛地理环境示意图(据晏宏改)[21]Fig.5 Geographical environment sketch map of Dongdao Island(modified from Yanhong) [21]

根据分样记录以及扫描电镜镜下观察，如表1、图2、图3 所示，DD-01沉积柱中含有丰富的鸟粪沉积、介形类、有孔虫壳、海胆刺以及植物颖果残体。在整个沉积剖面上，物质组成的分异规律与沉积特征表现出良好的一致性。鸟粪残体以及陆地来源的植物颖果(图2A)在0～28 cm以及34～40 cm大量出现，并且还存在大量的淡水或半咸水种属湖相介形类(CyprinotuscingalensisBrady，图2B)壳体。而在28～34 cm段的沉积物几乎未找到鸟粪沉积以及植物颖果的存在，介形虫壳体也几乎绝迹，而此段沉积珊瑚砂层中有着海胆刺(图2H)以及丰富的有孔虫丰度，以典型热带-亚热带海相底栖有孔壳为主，包括Pseudorotalia(图2C)，Calcarina(图2D)，Elphidium(图2E)，Planorbulinella(图2F)，Lenticulina(图2G)等，珊瑚砂层上下的沉积物中也有相应的有孔虫种属，但是丰度比此段低得多。沉积物28～34 cm段物质组成的变化，表明28～34 cm处珊瑚砂层的沉积环境应与上下层位有所不同。

4.3 沉积物的粒度特征

如图4所示，DD-01沉积柱的粒度主要以砂和粉砂为主，黏土含量较少，砂占41.1%～92.2%，平均含量72.5%；粉砂占6.9%～55.9%，平均含量26%；黏土含量0.9%～3.1%，平均含量1.5%。DD-01柱的平均粒径在1.3Φ～4.2Φ内摆动，变化趋势随深度自下而上可以分为4段：(1)34～40 cm沉积物平均粒径总体上随深度向上略微增加，但是在35～37 cm出现较细物质，数值在1.7Φ～1.9Φ之间，沉积物含鸟粪成分，结合气味以及沉积物颜色，可以推测此阶段的沉积物受到了鸟粪沉积的影响。(2)28～34 cm处的平均粒径数值稳定在1.3Φ左右，颗粒相对于上下层位都较粗，表明该段沉积水动力作用较强，沉积物有着稳定单一的物质来源。(3)19～28 cm处平均粒径产生剧烈变化，随深度向上先变细后变粗，数值在1.6Φ～4.2Φ之间。自19～22 cm，Φ值随深度向上减小，粒径出现变粗趋势。(4)19 cm至表层，平均粒径有小的波动，总体上保持平稳，数值在2.1Φ～2.8Φ之间，平均值2.5Φ。显示牛塘周围沉积环境相对较为稳定。

沉积物的粒度参数特征取决于物质的主要来源，同时也受到搬运过程中新成分混合的影响[20]。晏宏等[21]研究结果表明牛塘沉积物主要来自沙堤方向的水流搬运，水流主要从东南口进入且水动力作用强度是沉积物平均粒径的主要控制因素。其3根沉积柱样DY4、DY6和DY2(图5)的平均粒径分别为265 μm、118 μm、53 μm，从入水口往里呈逐级减少的趋势。本文样品DD-01恰好位于牛塘东南入水口，根据分析结果，DD-01平均粒径为2.05Φ，约为241 μm，可能由于位于口门处，水动力强度较大，粗颗粒物质也无法稳定沉积下来被带至更远处，因此平均粒径要略小于DY4，但和DY6、DY2相比仍保持着逐渐减小的变化趋势，与前人的研究具有一致性。

4.4 沉积物碳、氮及有机碳同位素的垂向分布特征与物源指示

DD-01沉积柱TOC、TN、TIC、C/N值以及δ13C随深度的变化曲线如图4所示。TOC平均含量为2.65%(0.39%～5.65%)，TN平均含量为0.26%(0.04%～0.58%)，TIC平均含量为10.26%(9.16%～11.25%)，C/N比平均值为10.6(7.96～21.2)，δ13C平均值为-23.96‰(-25.95‰～-22.09‰)。根据这些指标在沉积物中呈现出分异变化的值，将DD-01孔自下而上分为4段。

DD-01沉积柱34～40 cm段的沉积物，地球化学指标TN在0.15%～0.27%之间，平均值为0.2%；TOC在1.78%～2.8%之间，平均值为2.35%；TIC在9.9%～10.46%之间，平均值为10.27%； C/N值在9.91～13.47之间，平均值为11.65。δ13C值介于-24.86‰～-23.84‰之间，平均值为-24.33‰。随着深度向上，TN、TOC的含量总体呈波动减少趋势，δ13C值变轻，TIC含量增大。

DD-01沉积柱28～34 cm段的沉积物，地球化学指标TN在0.05%～0.06%之间，平均值为0.05%；TOC在0.4%～1.17%之间，平均值为0.644%；TIC在10.95%～11.26%之间，平均值为11.12%；C/N比值在8.67～21.2之间，平均值为12.4。δ13C在-25.95‰～-25.45‰之间，平均值-25.78‰。TN、TOC、TIC含量及δ13C的值稳定，随深度未发生明显变化，C/N比值在此阶段出现了相对高值21.2。

DD-01沉积柱19～28 cm的沉积物，地球化学指标TN在0.11%～0.29%之间，平均值为0.2%；TOC在1.25%～2.28%之间，平均值为1.9%；TIC在10.35%～10.78%之间，平均值为10.6%； C/N值在7.93～13.85之间，平均值为9.73；δ13C介于-25.98‰～-25‰之间，平均值为-25.56‰。随着深度向上，TN、TOC的含量有略微的增加；TIC的含量呈减少的趋势。δ13C值总体上未发生太大的变化。

DD-01沉积柱19 cm深度至表层的沉积物，地球化学指标TN在0.23%～0.59%之间，平均值为0.4%；TOC在2.28%～5.01%之间，平均值为3.97%；TIC在9.16%～10.25%之间，平均值为9.72%； C/N值在7.96～11.02之间，平均值为9.93；δ13C介于-23‰～-21.93‰之间，平均值为-22.35‰。随着深度向上，TN、TOC的含量出现快速波动的增长，二者的变化趋势呈现相当的一致性；TIC的含量呈波动减少的趋势。δ13C值出现快速的变重，后保持相对稳定。

已有研究表明，沉积物中的有机质能够记录到环境变化的信息以及对人类活动的响应[19，22—24]。通过C/N值和有机碳同位素(δ13C)来区分沉积物的有机质来源已经被广泛的研究和应用[25—26]，Bordovsky[27]认为C/N值小于8是典型的海洋物质；Prahl等[28]给出了C/N值大于12，其物源是来自于陆源的植物和腐殖质。Fontugne和Jouanneau[29]给出了典型的海洋有机碳同位素值为-22‰～-19‰，取平均值-21‰，Emerson 和 Hedges[30]给出了陆源C3植物有机碳同位素值为-28‰～-26‰，取平均值-27‰，O′Leary[31]给出了 C4植物有机碳同位素平均值为-14‰。海洋藻类和陆源C3植物的δ13C值相差7‰。由图4所示，DD-01柱状样的的δ13C值在28～33cm处变轻，稳定在-25.95‰～-25.8‰之间，均小于上下层位，表明此阶段沉积环境较前后均有所不同，物质来源得到了更多的来自陆源的C3植物；而DD-01的C/N值的变化也表现出了相同的趋势，C/N值在28 cm深度出现了相对高值21.2，且数值均大于上下层位，其变化趋势也表明了物源主要来自于陆源。

对于现代和古风暴沉积的识别上，有机质和碳酸盐含量已被广泛运用[32]。在此深度，TN含量介于0.11%～0.29%、TOC含量在1.25%～2.28%之间，分别减少至相对低值；TIC含量增加，介于10.95%～11.26%，接近于纯净碳酸盐的含量(12%)，单纯的雨水冲刷进入牛塘的径流难免携带其他杂质，说明这些层位的沉积物沉积时沉积环境发生的突变是快速的，暗示了极端沉积事件的发生。

沉积物在潟湖环境内的沉积输运方式可分为两种，一种是细颗粒物质以悬移质的形式输运并缓慢沉积，另一种则是粗颗粒的物质通过风力或者借助高能事件的强水动力搬运作用，以跃移的方式快速沉积[33]。根据上文分析，沉积物的粒度在此深度内呈现出峰值突出，粒径偏粗的特征，结合有机质含量的锐减以及混杂着较多的贝壳碎屑，海相有孔虫及海胆刺数量激增而淡水相的介形类和鸟粪残体几乎绝迹，表明这一砂层是高能水动力条件下的沉积产物。

风暴潮会从周边海域带来了大量的珊瑚砂堆积，其中含有丰富的海相有孔虫及海胆刺；降雨量的增加也会导致地表侵蚀能力增强从而使得地表径流能携带更多的珊瑚砂在牛塘沉积，TIC含量因此而增多。牛塘是一小型封闭的湖泊，大量以及长时间尺度的降雨使得牛塘水位升高，会淹没更多的湖岸，湖边植物的覆盖面积也会减小，进一步导致东岛上生物量的锐减，因此在此段沉积物中也未见到植物颖果的存在。白避霜花乔木林木质疏松，枝条脆弱，容易被台风袭击而断枝[34]。栖息地遭到破坏，海鸟被迫迁徙。另一方面，台风引起的大风和强降雨也会破坏鸟类的巢穴，从而导致雏鸟和成鸟死亡。因此该层中几乎没有鸟粪沉积。牛塘中的有机质主要来源于海鸟粪和湖泊周围的植被，TN、TOC含量在这一深度前后发生了很大的变化，反映了剧烈的气候变化对东岛的生态演化产生了相当的破坏性影响。鸟粪输入的减少以及大风席卷的植物残体及周边的腐殖质堆积在牛塘里，因此出现了来自于陆源的物源信息。

根据西沙群岛的气候条件，台风带来的降水占年降水量较大的比例，降雨量通常和热带气旋的频率有密切联系[35]。Liu等[36]研究得出东岛生物量的高低变化与凉湿小冰期存在对应关系，生物量的低值可能源自于热带气旋频率的增加而导致降雨量的增多，公元1400年后降雨量的增大暗示了发生在西沙海区的热带气旋频数的增加。周亮等[37]通过对海南岛东南部沉积记录的研究分析了过去350年间南海北部海域古风暴事件的时间序列，其中公元1875年-1925年年间风暴事件出现的频数较大。根据沉积速率，28 cm对应的年代约为132 a BP。根据上文分析及前人研究结论对比，我们有理由认为28～34 cm深度珊瑚砂粗颗粒沉积层是高能水动力条件以及风暴条件下的堆积产物。

自28 cm深度往上至19 cm处，TN、TOC含量开始有所增加，沉积物中重新出现了植物颖果以及鸟粪沉积，这表明经历海洋沉积动力事件之后，东岛的生态出现了恢复的迹象。而TIC含量的减少可以理解为湖泊周围有机质含量的输入增多而导致富含碳酸盐的珊瑚砂含量发生了相对“稀释”作用。沉积物在粒度在此阶段出现了较大的波动，自28 cm植被开始恢复，沉积物粒径有变细的趋势，而19～22 cm深度粒度变粗。牛塘湖泊沉积环境的形成伴随着周围植被的迅速扩张和鸟类的快速聚集，牛塘面积小，沉积物主要来源于降水冲刷，搬运距离很短，沉积物的粒度很大程度上取决于水动力作用的强弱，这与牛塘周围植被情况有着密切的联系。根据人类在东岛活动的历史记载以及研究，东岛上出现过两次放养黄牛的历史，孙立广等[8]研究结果表明至少在明末清初，黄牛就被我国沿海人民带到东岛。而另一次有史料记载的发生在1909年，广东水师提督李准，分乘军舰前往西沙群岛勘察时，就带去了黄牛在岛上放养[38]。因此这一段粒度的变粗可能与野牛群的繁殖壮大有关，野牛以牛塘周围的植物为食，可能使得周围植物处在不断的退化之中。据赵三平[39]，东岛上植物主要以C3植物为主，其δ13C值介于-29‰～-26‰，而野牛以岛上的植被为食，在野外中观察到其粪便中含有大量残留的羊角树、白避霜花种子，经测量牛粪的δ13C值为-28.12‰。这表明野牛主要以岛上的乔木、灌木等陆地C3植物为食。

野牛对于东岛的鸟类生态系统来说是一种入侵生物，在东岛有限的生态资源下，野牛数量的增长可能会对鸟类的生态系统产生一定的威胁。首先，野牛以岛上的植物的叶片果实为食，其中也就包括了红脚鲣鸟作为栖息地的白避霜花树，前文就已提到白避霜花树枝脆易断，野牛的活动很可能造成其倒伏。据张宏达[18]，东岛上鸟粪的开采导致鸟粪层被移除，这也不利于白避霜花乔木林的生长和恢复，野牛的活动可能会进一步增加白避霜花树林退化的危险。其次，野牛可能还会直接影响到鸟类的栖息和繁殖。据孙立广等[40]，红脚鲣鸟在台风等灾害性天气里会躲到地面躲避，野牛在树林中活动可能会造成其伤亡，而幼鸟则会受惊吐出食物，降低其成活率。东岛上红脚鲣鸟以飞鱼(Flyingfish)和鱿鱼(Squid)为食物，其粪样的δ13C值约-22‰，具有典型的海洋碳同位素特征[39]。而DD-01沉积柱19～28 cm处样品δ13C值在-25.98‰～-25‰之间，结合此段有机质及粒度变化特征，表明19～28 cm处样品更多受到了牛粪输入的影响，鸟类种群的恢复则可能受到了一定的限制。

自19 cm深度(90 a BP)往上，TN、TOC迅速波动上升，δ13C值出现快速变重的趋势，这表明有机质输入增多而且有机质来源也发生了变化。在野外调查中，东岛驻岛官兵向我们介绍，东岛上生态资源有限，野牛的数量并非一直盲目的扩张，也受到过人为的控制。在困难时期物资匮乏时以及在逢年过节时，岛上官兵也会对野牛进行捕杀充当补给。随着野牛数量稳定，东岛的生态环境、鸟类种群逐渐恢复，植被恢复至适合鸟类生存的规模，鸟类种群数量快速增加，特别是在20世纪80年代以来，广东省人民政府划定东岛为红脚鲣鸟的自然保护区，而野牛作为东岛上独特的生态景观，也受到了严格的数量上的保护并控制其繁衍，鸟类的生存环境得到了进一步的改善。而鸟粪的大量输入导致牛塘的δ13C值出现变重的趋势。

5 结论

本文分析了西沙群岛东岛牛塘沉积物粒度、210Pb、总有机碳、总氮、无机碳、C/N值、有机碳同位素以及生物残留组分的特征，还原了东岛历史上可能因海洋沉积动力事件对生态环境造成的影响以及鸟类与生态环境之间的相互响应关系。

东岛牛塘DD-01沉积柱沉积特征自下而上可分为4段：34～40 cm为具有一定黏性，颗粒均匀的深棕色腐殖质层；28～34 cm为颗粒较粗，有机质含量低的浅棕黄色珊瑚砂层；28 cm深度至表层为富含有机质，可见植物残体颖果种子的棕黄色腐殖质层。其中以19 cm为界，19～28 cm中鸟粪沉积不多，可见植物残体及植物颖果，而19 cm至表层，沉积物颗粒均匀可见更多的腐殖质以及鸟粪沉积。与沉积特征相对应的地球化学指标及生物残留组分在4段也表现出明显的变化。34～40 cm，沉积物受到了鸟粪沉积的影响，有机质含量降低以及δ13C值变轻与鸟类迁徙数量减少导致的鸟粪输入减少有关。28～34 cm，沉积物中含有丰富的海相有孔虫丰度，植物颖果、鸟粪沉积及淡水相介形残体近乎绝迹，各地球化学指标较上下层位均有着明显的变化，TN、TOC含量分别出现相对低值，平均粒径与TIC含量增大出现高值，指示物源信息的δ13C值变轻至相对低值，C/N数值较大，上述指标的突变表明在此沉积单元内沉积环境的快速转变，可能的风暴事件及高能水动力条件对牛塘乃至东岛的生态环境造成了剧烈的影响。

自28 cm往上，TN、TOC含量开始有所增长，有机物质输入增多，沉积物中重新出现鸟粪、植物颖果及残体，表明东岛自身生态环境逐渐恢复，野牛的活动可能使得鸟类种群的恢复受到一定的限制，而植被与牛粪的输入使得δ13C值保持在较轻的水平。自19 cm至表层，TN、TOC剧烈波动增长，δ13C也出现快速变重的趋势，岛上植被恢复至适合鸟类生存的规模，海鸟的数量也迅速增加，δ13C值快速变重，可能与鸟粪输入增多有关。

致谢：对本次野外考察中为提供帮助的何胜参谋以及西沙各驻岛官兵表示诚挚的感谢；野外采样得到了中国科学院地质与地球物理研究所谭明研究员的帮助；中国科学院南京地质与古生物研究所曹美珍研究员、李保华研究员对沉积物中介形虫以及有孔虫化石进行了种属的鉴定；在文章写作中得到了高抒教授的指导以及研究生王颖、宗娴、王成龙、庄喜阳的帮助，在此一并表示感谢。感谢本文审稿专家提出的批评和修改建议。

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Carbon， Nitrogen geochemical characteristics and their implications on environmental change in the lagoon sediments of the Dongdao Island of Xisha Islands in South China Sea

Liu Xiaotong1，2，3，Ge Chendong1，2，3，Zou Xinqing1，2，3，Huang Mei1，2，3，Tang Meng1，2，3， Li Yali1，2，3

(1.CollaborativeInnovationCenterofSouthChinaSeaStudies，NanjingUniversity，Nanjing210023，China; 2.SchoolofGeographicandOceanographicSciences，NanjingUniversity，Nanjing210023，China; 3.TheKeyLaboratoryofCoast&IslandDevelopmentofEducation，NanjingUniversity，Nanjing210023，China)

A sediment core， DD-01， was collected from Cattle Pond， on Dongdao Island in the Xisha Islands. Measurements of grain size， C and N elemental geochemistry， δ13C and biological remains were taken， and a210Pb chronology established， to study the evolution of the sedimentary environment of Dongdao Island. The results indicate that 4 depositional units can be distinguished between the bottom and the surface layers. The sediment unit below 34 cm was more influenced by guano than the others; its TN and TOC contents are between 0.15%-0.27% and 1.78%-2.8% respectively， δ13C ranges from -24.86‰ to -23.84‰， and there is a large amount of guano sediment， caryopses， and fresh Ostracodes residues. At a depth of 28-34 cm (about 132 a BP)， the guano sediment， caryopses and fresh Ostracodes residues disappear， and the number of foraminifers and sea urchin spines increases sharply. The TOC values in this unit are between 1.25% and 2.28%， and TN ranges from 0.11% to 0.29%. δ13C values vary in the range of -25.95‰ to -25.45‰， which is much lower than those in the top 28 cm and those in the bottom 34 cm. A larger mean grain size was also observed， with a stable value of 1.3 Φ， and TIC values were higher at between 10.95% and 11.26%. All of this data shows that this sediment unit may have been influenced by marine dynamic events， which changed the environment of Cattle Pond over a long period. At a depth of 19-28 cm， TN and TOC show increasing trends， and the caryopses reappear. The sediment is more affected by cow-dung and the δ13C remains at a low level. Above 19 cm (about 90 a BP)， the TN and TOC values increase rapidly but with fluctuations， suggesting an increasing source of organic matter. An increasing trend in δ13C is related to the input of guano， which was caused by recovery of the sea bird population．

TOC；δ13C；environmental change；human activity；Dongdao Island of Xisha Islands

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.06.005

2016-08-30；

2017-01-17。

国家自然科学基金项目(41530962)；中国南海研究协同创新中心2015年度两项重大任务“基于资源分布特点的我国南海主要岛礁战略地位研究”和“南海疆界线位置地学依据研究”。

刘晓瞳(1990—)，男，安徽省淮南市人，主要从事海洋生物地球化学方向研究。E-mail：liuxiaotong613@163.com

*通信作者：葛晨东(1966—)，女，安徽省寿县人，教授，主要从事海洋生物地球化学方向研究。E-mail：gcd@nju.edu.cn

P736.21

A

0253-4193(2017)06-0043-12

刘晓瞳，葛晨东，邹欣庆，等. 西沙群岛东岛潟湖沉积物碳、氮元素地球化学特征及其指示的环境变化[J].海洋学报，2017，39(6)：43—54，

Liu Xiaotong，Ge Chendong，Zou Xinqing， et al. Carbon， Nitrogen geochemical characteristics and their implications on environmental change in the lagoon sediments of the Dongdao Island of Xisha Islands in South China Sea[J]. Haiyang Xuebao，2017，39(6)：43—54， doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2017.06.005