閩江口瑯岐島潮灘沉積物粒度時空變化特征研究

李海琪，王愛軍，葉翔，梁灝深，張望澤,5，吳水蘭,6，李云海

1.上海海洋大學海洋科學學院，上海 200090

2.自然資源部第三海洋研究所海洋與海岸地質研究室，廈門 361005

3.福建省海洋物理與地質過程重點實驗室，廈門 361005

4.自然資源部海峽西岸海島海岸帶生態系統野外科學觀測研究站，廈門 361005

5.福州大學先進制造學院，泉州 362251

6.南京信息工程大學海洋科學學院，南京 210044

潮灘形成于海洋與陸地交匯的位置，是海陸相互作用強烈的敏感地帶，也是人類活動頻繁的區域。淤泥質潮灘主要由粉砂和黏土這兩類細顆粒沉積物組成，中國的沿岸淤泥質潮灘占大陸海岸線總長的1/4 左右，主要分布在長江等河口地區、渤海灣及江蘇等開敞海岸、以及長江口-杭州灣以南的港灣內[1-2]。由于獨特的地理位置，潮灘擁有極高的生物多樣性，由陸地和海洋衍生的營養物質支持，是世界上生產力最高的生態系統之一[3]。作為海岸帶和陸地之間的緩沖區，潮灘不僅起著消浪、護岸的功能[4]，還為人類提供生存空間和豐富的自然資源[5]。同時，潮灘的沉積物組成能指示古氣候、古沉積環境及其演化，是海洋環境演化研究的良好載體[6]。我國自80 年代起，開展了大量淤泥質潮灘的相關調查研究，學者們根據我國淤泥質潮灘的物質組成及沉積地貌特征，重新劃分了沉積物的粒度分級、對我國淤泥質潮灘進行了分類、總結了我國大陸海岸的淤泥質潮灘的分布區域、面積和類型、沉積動力環境及沉積地貌，結合構造體系、河流輸沙特征、海洋動力、植被作用及人類活動，探討了淤泥質海岸的發育特征及制約因素[1,7-10]。

潮灘沉積物粒度特征的研究是潮灘研究的重點之一，其粒度特征及空間分布含有豐富的沉積環境信息[10]。潮灘沉積物粒度分布具有時間和空間上的變化，其沉積過程受到近岸水動力條件的影響，在年周期中近岸水動力具有季節性變化[11]，入海河流的枯洪季變化，潮汐作用的周期變化，臺風等極端動力事件的影響，使潮灘沉積物的粒度組成和分布具有時空變化特征。河口地區作為陸海相互作用過程最為劇烈的地區，河口潮灘顯著發育[7,12-13]。然而，隨著流域人類活動強度不斷加劇，河流入海泥沙銳減，河口系統狀態發生轉換[14]，河口潮灘淤長速度放緩，甚至在潮間帶下部開始出現一定程度的侵蝕[15]。中國河口潮灘發育廣泛，但研究多集中在大型河口潮灘[16-17]，對中小型河口潮灘研究關注相對較少。為探究中小型河口潮灘演化過程對流域人類活動的響應，首先需要清晰地了解河口潮灘的時空變化特征。閩江是中國東南沿海典型的中小型山溪性河流，徑流量大，泥沙供應豐富[18]，閩江口多發育分汊河床，且沉積動力條件復雜，同時受海洋水動力以及河流水動力的影響，河口潮灘沉積物粒度呈現出復雜的時空變化特征。因此，本文選擇位于閩江河口的瑯岐島東部潮灘作為研究對象，通過采集和分析不同季節表層沉積物的粒度組成，以探究河口潮灘表層沉積物粒度組成的季節變化特征，以期為深入認識河口潮灘演化過程及預測未來演化趨勢提供科學依據。

1 研究區域概況

閩江口屬于強潮型河口，平均潮差大于4 m，潮汐類型為正規半日潮，潮波性質接近駐波，平均漲潮小于平均落潮流流速，落潮流是塑造河口的主要動力[19]。閩江河口東臨東海，海面開闊，又常受臺風影響，因此波浪作用顯著[20]。閩江全長2872 km，其中干流全長近577 km，流域面積為60992 km2，多年平均徑流量為605.5×108m3，多年平均輸沙量為750×104t，具有明顯的季節性變化，4—9 月為洪季，徑流量和輸沙量分別占全年的76%和92%[19-20]?，樶獚u位于福州市馬尾區瑯岐鎮，經緯度范圍為26.06°～26.12°N、119.54°～119.65°E?，樶獚u東側潮灘發育典型，潮灘鹽沼植被主要有互花米草（Spartina alterniflora） 和 海 三 棱 藨 草（Scirpus mariqueter），互花米草主要分布在靠岸一側的潮間帶上部；海三棱藨草覆蓋范圍較廣，占據了潮間帶中部，一般春季中期開始發芽，夏季生長最旺盛，秋季逐漸消亡，從秋季末期到第二年春季早期均無植被覆蓋；光灘主要分布在潮間帶下部靠海一側。

2 研究方法

本研究在瑯岐島東北側潮灘沿岸設置了5 條斷面，由北向南依次為斷面L0、L1、L2、L3 及L4，在斷面上由岸向海以一定間隔設置采樣站位（圖1b），于2022 年5、8、12 月初期及次年2 月4 個時期采樣，分別代表春、夏、秋、冬4 個季節，采樣厚度為表層1 cm。

圖1 研究區位置及采樣站位分布Fig.1 Sketch map of the study area and sampling sites

采集的表層沉積物帶回實驗室后，經充分混合后，取0.3 g 混合樣品于試管中，加入5 mL 濃度為15%的H2O2溶液去除有機質，靜置24 h 后倒出上清液，加入5 mL 濃度為1 mol/L 的HCl 溶液，以去除碳酸鈣物質，靜置24 h 后倒出上清液，加入蒸餾水清洗直至中性。最后加入5 mL 濃度為0.5%的(NaPO3)6溶液于試管中使樣品充分分散，待樣品與試劑充分混合后利用英國Mastersizer 2000 型激光粒度分析儀對沉積物樣品進行粒度分析。利用儀器自帶軟件以1/4 Φ 間隔導出粒度分析數據，采用圖解法計算沉積物各粒度參數[21]：

平均粒徑：

分選系數：

偏態：

峰態：

3 結果分析

3.1 沉積物粒級組分及分布特征

不同季節表層沉積物粒度分析結果顯示，瑯岐島潮灘表層沉積物粒度組分總體上主要為粉砂、黏土和砂，組分含量具有顯著的時空差異（圖2）。

圖2 瑯岐島潮灘不同季節沉積物粒度組分平均含量平面分布圖圖中分別為2022 年5 月、8 月、12 月及次年2 月（從左至右）的砂（a-d）、粉砂（e-h）、黏土（i-l）含量平面分布。Fig.2 Seasonal variations of surficial sediment composition on tidal flat in Langqi Island a-d: The sand distribution in May, August, December of 2022, and February of 2023; e-h: silt distribution in May, August, December of 2022, and February of 2023; i- l: clay distribution in May, August, December of 2022, and February of 2023.

表層沉積物砂組分含量為0～100%，其中春季砂含量最高區域為研究區中部及中南部，靠陸及靠海一側砂含量均較低；夏季整體砂含量都很低；秋季研究區中部及靠海一側砂含量增加；冬季整個潮間帶砂含量均明顯增加。

表層沉積物粉砂組分含量變化范圍為0～90%，其空間分布與砂含量相反，其中春季與秋季分布格局較為相似，即：潮間帶中部及中南部含量較低，靠陸及靠海一側、以及中北部地區粉砂含量較高；夏季整個研究區表層沉積物粉砂含量顯著增高；冬季潮間帶中部及中南部粉砂含量較低，靠陸一側粉砂含量一般＞60%，而靠海一側粉砂含量一般為30%～50%。

表層沉積物中黏土組分含量變化范圍為0～36%，其空間分布與粉砂含量一致，與砂含量相反。春季、秋季及冬季黏土組分含量低值區分布格局基本相似，均位于潮間帶中部，其中冬季黏土含量低值區分布范圍最大，靠陸一側都出現黏土含量最高值區；夏季表層沉積物黏土組分含量分布與其他季節相反，最低值出現在研究區西北及中南部區域。

3.2 沉積物粒度參數及分布特征

粒度參數能綜合反映沉積物粒度特征及沉積環境條件[22]?，樶獚u潮灘各粒度參數的四季平面分布如圖3 所示?，樶獚u潮灘表層沉積物平均粒徑（Mz）為2.2～7.4 Φ，在季節上，春季表層沉積物Mz 為2.56～7.03 Φ，平均值為5.56 Φ；夏季表層沉積物Mz 為2.65～7.38 Φ，平均值為6.40 Φ；秋季表層沉積物Mz 為2.16～7.21 Φ，平均值為5.27 Φ；冬季表層沉積物Mz 為2.16～7.21 Φ，平均值為4.73 Φ?？臻g上，Mz＜4.0 Φ 的粗顆粒沉積物主要分布在潮灘中部及南部，Mz＞4.0 Φ 的細顆粒沉積物則主要分布在靠岸和靠海一側及潮灘北部。

圖3 瑯岐島潮灘不同季節表層沉積物粒度參數平均值的平面分布圖中分別為2022 年5 月、8 月、12 月及次年2 月（從左至右）的平均粒徑（a-d）、分選系數（e-h）、偏態（i-l）、峰度（m-p）的平面分布。Fig.3 Seasonal variations and the distributions of surficial sediment grain-size parameters in tidal flat of Langqi Island The distributions of mean grain-size(a-d), sorting coefficients(e-h), skewness (i-l) and kurtosis(m-p) in May, August, December of 2022, and February of 2023(from left to right, respectively).

分選系數（σ）變化范圍為0.4～3.1，在空間分布上總體表現為靠陸一側沉積物分選較差、靠海一側沉積物分選差、中部沉積物隨季節變化由分選較好向分選較差改變。在季節上，研究區在冬季靠海一側沉積物分選差，靠岸一側沉積物選較差，中部沉積物分選較好；春季靠岸一側沉積物分選較差，向海一側沉積物分選差；夏季整個潮間帶沉積物總體分選程度較差；秋季潮間帶中下部沉積物分選程度較好，其余區域沉積物分選較差。

偏態值（Sk）范圍為-0.1～0.7，主為近對稱、正偏和極正偏3 種分布類型。在空間上，沉積物偏態總體上表現出如下變化特征：潮灘中部區域沉積物由正偏和極正偏向近對稱變化，靠陸和靠海兩側區域及北部地區沉積物則由近對稱向正偏和極正偏變化。在季節上，研究區偏態在春季表現為中部沉積物為正偏和很正偏分布，靠海一側沉積物出現近對稱分布；夏季沉積物正偏分布范圍減小，靠海一側沉積物近對稱分布范圍擴大；秋季潮灘中部沉積物變為近對稱分布，其余區域為正偏和極正偏分布；冬季潮灘中部沉積物近對稱分布范圍擴大。

峰度值（K）變化范圍為0.7～2.1，大部分區域以寬峰為主，春季研究區西北部區域出現窄峰及很窄峰分布，其余區域均為寬峰分布；夏季潮灘中部及中下部沉積物出現窄峰和很窄峰分布區域；秋季和冬季靠岸一側沉積物均出現窄峰分布，并且冬季窄峰分布范圍更大。

3.3 各粒度參數間的相關性分析

沉積物粒度參數之間的相關性分析結果顯示（圖4），隨著沉積物平均粒徑減小，沉積物粒度分選逐漸變差，當平均粒徑小于5 Φ 時，隨著平均粒徑的繼續減小，分選程度又逐漸變好（圖4a）；沉積物偏態先由近對稱分布逐漸變為極正偏分布，當平均粒徑小于4 Φ 時，隨著平均粒徑的繼續減小，偏態又逐漸向近對稱分布變化（圖4b）；峰態由窄峰變化到寬峰，并且當平均粒徑小于5 Φ 時，峰態類型始終為寬峰分布（圖4c）。

圖4 不同季節表層沉積物各粒度參數平均值之間的相關分析a: 粒徑與分選系數; b: 粒徑 與偏態; c: 粒徑與峰度; d: 分選系 數與偏 態; e: 分選系數與峰度; f: 偏態與峰度。Fig.4 Correlation analysis in mean values among grain-size parameters in different seasons a: mean grain-size vs.sorting coefficient; b: mean grain-size vs.skewness; c: mean grain-size vs.kurtosis; d: sorting coefficients vs.skewness; e: sorting coefficients vs.kurtosis; f: skewness vs.kurtosis.

當沉積物分選系數＜1.5 時，隨著分選程度的變差，沉積物偏態類型由近對稱分布逐漸向極正偏分布變化（圖4d），沉積物峰態類型也由寬峰類型向很窄峰類型變化（圖4e）；當沉積物分選系數＞1.5 時，隨著分選程度的繼續變差，沉積物偏態類型由極正偏分布逐漸向近對稱分布變化（圖4d），沉積物峰態類型也由很窄峰類型向寬峰類型變化（圖4e）。偏態值與峰態值的相關性表明，隨著沉積物由近對稱向極正偏變化時，沉積物峰態類型也由寬峰類型向很窄峰類型變化（圖4f）。

4 討論

早期的研究結果發現，潮灘沉積物分布具有明顯的時空差異，即潮灘沉積物在空間上的分布具有分帶性，如王穎[23]在渤海灣西岸潮灘、Evans[24]在英國Wash 灣潮灘、Reineck[25]在歐洲北海潮灘均發現潮灘沉積物粒徑由岸向海逐漸變粗；時間上具有顯著的不同周期變化特征，如任美鍔等在江蘇王港發現潮灘沉積物具有典型的大-小潮周期[26]，Uncles[27]在英國典型河口發現潮灘沉積物具有顯著的季節變化。國內外諸多學者針對潮灘沉積物時空分布格局的動力學機制開展了一系列研究[2,12,28-31]。一般來說，潮灘沉積過程受物源、動力及地貌等要素的控制，各要素的差異塑造了類型多樣、變化復雜的潮灘沉積地貌[28]。下面將從這3 個要素出發探討瑯岐島潮灘表層沉積物的季節分布。

4.1 沉積物來源

河口潮灘的沉積物主要來源于河流輸沙。大量的河流入海泥沙進入河口后，在水動力的作用下發育了廣泛的潮灘[7,29]。閩江入海泥沙主要分布在河口地區[32]，并且在水動力的作用下向海岸方向搬運[18,32]，為瑯岐島潮灘發育提供了充足的物源。由于河流輸沙具有顯著的季節變化特征，中國河流泥沙入海主要集中在夏季，冬季入海泥沙通量非常小[19]。閩江流域年徑流和輸沙量具有明顯的季節性變化，洪季的徑流量和輸沙量都遠大于枯季，統計結果顯示[20]，洪季期間（4—9 月）和枯季（10 月至翌年3 月）流域徑流量占全年總徑流量分別為75.6%和24.4%，多年平均入海泥沙通量占全年總入海泥沙通量的比重分別為92%和8%（圖5b），雖然后期因水庫調控而使季節差異略有減小[33]，但徑流量和輸沙量的季節差異依然顯著（圖5）?，樶獚u潮灘表層沉積物粒度分析結果顯示（表1），春季和夏季閩江流域處于洪季時期河口潮灘捕獲了大量的河流入海沉積物，潮灘為淤積狀態，潮灘表層沉積物以粉砂和黏土為主，平均粒徑較小。秋季和冬季，河流入海泥沙很少，河口潮灘很少能捕獲到來自河流的泥沙，潮灘表層沉積物在水動力的作用下不斷發生改造，最終細顆粒沉積物被搬運帶走，潮灘發生侵蝕，表層沉積物以砂和粉砂為主。潮灘沖淤觀測結果也驗證了該結果[34]。

表1 瑯岐島潮灘不同季節表層沉積物粒度特征統計值Table 1 Statistical value of surficial sediment composition and grain-size parameters on tidal flat of Langqi Island in different seasons

圖5 不同時段閩江入海徑流量（a）和泥沙通量（b）多年月平均百分比[33]Fig.5 Monthly-averaged percentages of freshwater and sediment fluxes discharged from the Minjiang River[33]

然而，隨著流域土地利用變化及水庫修建等，河流入海泥沙通量顯著減小[35]，并進而導致河口潮灘沖淤格局發生變化[36-39]，如三峽大壩蓄水后長江口潮灘淤長速率顯著下降[40-42]，甚至部分潮灘開始出現沖刷并且強度逐漸增強[15,43-44]。閩江流域水庫眾多，攔截了大量的河流泥沙，尤其是水口水庫建成后，閩江河流入海泥沙通量已經減少至水庫建設以前的三分之一[45]，引起了河口水下三角洲不同程度的侵蝕[46]，河口沉積物組成發生變化[18]。因此，隨著閩江入海泥沙通量的減少，閩江河口潮灘的淤長將會顯著減緩，并且季節性的侵蝕強度將會加劇，并引起整個潮灘發生侵蝕。

4.2 沉積動力環境影響

在泥沙來源基本相同的情況下，潮灘沉積物的分布主要由沉積動力環境決定[47]。影響潮灘沉積的動力過程主要包括潮汐、波浪、跨岸/沿岸流、風致環流、潮不對稱、潮溝過程等[30]，尤其是在極淺水環境下，潮流、波浪和風是影響潮灘沉積物分布的主要動力因素[48-49]，臺風等極端事件也會對潮灘沉積過程產生重要影響[50-53]。閩江口作為中國東南沿海的強潮、強浪海區，其沉積動力環境強，潮流和波浪作用對沉積物的改造作用顯著[18,32,47]。觀測結果顯示，瑯岐島潮間帶中上部地區冬季近底部流速較夏季大，冬季期間波浪作用較夏季強，冬季沉積物在波浪的作用下易發生再懸浮，并被在潮流的作用下向海凈輸運，而夏季波浪作用弱，水體中的懸沙易發生落淤，在潮流的作用下向岸凈輸運[34]?，樶獚u潮灘不同季節表層沉積物粒度分析統計結果也顯示（表1），夏季表層沉積物砂含量低，粉砂和黏土含量高，平均粒徑??；冬季砂含量增加，粉砂和黏土含量減少，平均粒徑大，表明瑯岐島潮灘在波浪和潮流作用影響下發生季節性侵蝕-淤積變化，進而影響了潮灘表層沉積物的組成與分布。

4.3 植被影響

潮灘表面生長的鹽沼植被會改變潮灘沉積物輸運與沉積過程及地貌演化[31,54-58]。鹽沼植被的存在，改變了潮灘的水流結構、懸沙沉降及表層沉積物分布[54,57,59]。鹽沼植被能通過植被莖葉減緩潮灘水流，具有顯著的弱流與消浪作用，營造了一個低能的動力環境，從而加快黏性泥沙絮凝，有利于植被區域泥沙沉降[54,58]。植被的莖、葉和果實也具有捕獲泥沙的能力，尤其是葉、莖和果實結合處能截留較多的沉積物[60]，發達的根系使潮灘表層沉積物結構更穩定、結實，不易被水流擾動再懸浮[61]。

研究區潮間帶上部生長有大量互花米草，潮間帶中部生長有海三棱藨草（圖1b 中黑色曲線部分為植被生長區域）。根據植被類型和覆蓋程度將研究區分為互花米草鹽沼、海三棱藨草鹽沼和光灘三個區域，對不同區域沉積物粒度組成及粒度參數進行統計分析（表2），互花米草鹽沼四季具有生長，覆蓋區域內粉砂含量較高，黏土含量在秋季最高，其余季節相對較低，但含量均高于10%；海三棱藨草鹽沼的生長具有季節性，采樣期間的現場觀察發現，研究區的海三棱藨草在春季開始發芽生長，夏季生長最為茂盛，秋季枯萎消失，冬季為無植被覆蓋，結合粒度組成和粒度參數數據，夏季生長區域內粉砂和黏土的含量高，冬季植被消失，粉砂和黏土含量降低，砂含量增加。光灘直接受潮流自然影響，粉砂和黏土含量在夏季高，冬季低，砂含量的變化則相反?？傮w來看，研究區內互花米草鹽沼區域內以沉積物細化為主，海三棱藨草鹽沼和光灘具有明顯的季節性沉積物粗細變化。

表2 瑯岐島潮灘不同區域的粒度組成及粒度參數Table 2 Surficial sediment composition and grain-size parameters in different zones of tidal flat of Langqi Island

綜上所述，閩江口瑯岐島潮灘沉積物時空分布及變化特征與國內外河口、海灣及開放型潮灘沉積物分布格局一致，也是物源、動力和地貌綜合作用的結果，但因其動力強、植被覆蓋變化大，沉積物供應季節差異顯著，潮灘沉積物組成的季節變化更為顯著，對環境變化響應更為敏感。

5 結論與展望

5.1 結論

（1）閩江口瑯岐島潮灘表層沉積物組分整體以粉砂為主，黏土和砂含量呈現顯著的季節變化，沉積物平均粒徑為2.2～7.4 Φ，其中夏季砂含量最低，粉砂和黏土含量最高，沉積物平均粒徑小，分選程度差，以正偏和極正偏分布為主，峰態類型以寬峰為主；冬季砂含量最高，粉砂和黏土含量最低，沉積物平均粒徑大，潮間帶上部和潮間帶下部沉積物分選程度差，潮間帶中部沉積物分選程度較好，以近對稱和正偏為主，峰態類型以寬峰為主。

（2）空間上，由岸向海沉積物砂含量總體表現為先增加、后減少的變化特征，而粉砂和黏土含量呈現相反的趨勢，平均粒徑總體呈現由岸向海先增加、后減小的分布格局；由北向南，沉積物砂含量總體增加，粉砂和黏土含量總體減小，平均粒徑總體減小。

（3）沉積物供應的季節變化引起河口潮灘沖淤格局發生變化，在潮流和波浪作用的綜合作用下，潮灘夏季發生淤積，冬季發生侵蝕，控制了河口潮灘沉積物粒度組成的季節變化過程，而不同類型植被覆蓋程度的不同，也在一定程度上影響了河口潮灘沉積物的粒度組成的季節變化。

5.2 不足與展望

本文雖然對閩江口瑯岐島表層沉積物的時空分布進行了系統研究，也對影響沉積物分布的控制因素進行了分析，但尚屬定性分析，在定量分析方面有所欠缺；另外，閩江口地區經常遭受臺風和洪水的影響，這些極端事件會顯著影響河口潮灘沉積過程[52-53]，但本文采樣期間并未遇到極端事件發生，因此，本文研究缺少極端事件的影響分析。下一步，將從沉積動力學的觀測和模擬方面著手，系統分析控制閩江口潮灘沉積物分布的動力學機制，進一步探討極端事件對河口潮灘沉積過程的影響。

此外，人類活動也是影響潮灘沉積過程的主要因素，以往的研究多集中在潮灘圍填海[62]、植被引種產生的影響[54-55,57]等，自2022 年起，中國沿海各省市都開始了清除互花米草的行動，原本覆蓋潮間帶上部的互花米草被清除后，將會顯著改變潮灘地貌，進而引起潮灘沉積過程發生變化。閩江口潮灘互花米草清除行動已經于2023 年9 月開始，我們將會在本文研究基礎上，繼續開展持續研究，探討互花米草清除對潮灘沉積過程的影響。

致謝：黃書仁、黃思添、余永澤、陳?；?、劉三善參與了野外采樣工作，黃書仁參與了實驗室樣品分析，謹致謝忱！