罗马尼亚黑海陆架水体与沉积物的地球化学与放射计量评估：人为影响的多指标解析

《Journal of Marine Science and Engineering》：Geochemical and Radiometric Assessment of Romanian Black Sea Shelf Waters and Sediments: Implications for Anthropogenic Influence

本研究采用多指标地球化学-放射计量方法，系统评估罗马尼亚黑海西北陆架水体与表层沉积物，通过主成分分析（PCA）和因子分析（FA）解析了陆源载体（Fe-Al-Ti-V-Ni-Cr）、碳酸盐相（CaCO3）和人为因子（Pb、Hg、HMW-PAHs）的协同变化，为海岸带环境管理提供基线支持。

　　

研究背景与目标

黑海作为半封闭盆地，受多瑙河输入和海岸活动的强烈影响，其西北陆架是区分陆源控制与局部人为输入的理想场所。本研究以罗马尼亚黑海陆架为案例，通过整合水体与沉积物的多指标数据，旨在量化自然沉积基质与局部人为压力如何共同调控水柱和沉积物中的生物地球化学指标，并建立过程导向的基线。

材料与方法

研究区域位于罗马尼亚南部海岸（阿吉贾角至图兹拉角），覆盖近岸至内陆架（20–30米等深线）。采样设计基于底质类型，使用侧扫声纳识别主导海床类型后布设站点。水柱剖面采用CTD-罗塞系统（Sea-Bird SBE系列）连续测量温度、盐度、溶解氧、荧光和浊度，并通过尼斯科瓶采集水样分析营养盐（PO₄^3?、SiO₄^4?、NO₃^?、NO₂^?、NH₄⁺）、叶绿素a、总有机碳（TOC）、总氮（TN）、溶解金属（ICP-MS）和溶解多环芳烃（UPLC-FLD）。表层沉积物（0–5厘米）通过Van Veen抓斗采集，分析碳酸钙（CaCO₃）、TOC、痕量金属（EDXRF）、汞（DMA-80分析仪）、PAHs（QuEChERS提取-UPLC-FLD）及γ射线光谱（HPGe探测器）。统计处理采用PRIMER 7和Past 4进行主成分分析（PCA）和因子分析（FA）。

水体分析结果

营养盐垂直结构显示底层PO₄^3?、SiO₄^4?和NH₄⁺最大值，与夏季分层下的再矿化和底质释放一致。叶绿素a在12–16米出现次表层最大值（0.447–1.563 μg L^?1），TOC在北部站点呈现表层富集（最高7.35 mg L^?1），反映多瑙河输入的陆源有机质贡献。溶解金属中，Fe、Zn、Cu在近岸站点（如S06、S01）升高，潜在毒性金属（Pb、Cr、As、Cd、Co）在浅水区富集，而Hg浓度极低（0.03–0.05 ppb），表明近期输入有限。溶解PAHs总量（Σ16PAH）为134–347 ng L^?1，以低分子量（LMW）组分为主（如萘、苊、芴），提示石油源性输入；个别站点（S01、S25）出现高分子量（HMW）组分峰值，暗示局部燃烧源贡献。

沉积物表征

沉积物呈现显著的岩相异质性：近岸以生物碎屑砂为主，CaCO₃含量较高（7.6–29.9%），向海方向硅质碎屑稀释作用增强；TOC普遍较低（0.11–0.96%），且分布斑驳，受粒度控制明显。痕量金属分布显示强烈的陆源载体控制：Fe与V、Ni、Cu、Zn、Pb显著正相关（r > 0.8），表明其主要赋存于铝硅酸盐和铁氧化物相中。Cr在近岸站点（如S08、S25）富集，与Ti耦合（r = 0.651），反映重矿物/氧化物相的自然来源。Ni均值（38.88 ppm）略超罗马尼亚标准（35 ppm），但其与Fe和V的高相关性支持自然富集成因。人为信号体现在近岸站点（如S23）的Pb、Hg和HMW-PAHs同步升高，与港口/城市活动吻合。PAHs总量为41.91–88.16 μg kg^?1，LMW优势再次确认石油源性背景，而HMW组分在S01、S13的峰值指示局部燃烧输入。

放射计量结果

γ光谱分析显示天然系列核素（如⁴⁰K、²²⁸Ac）活性处于背景水平，与陆源载体分布一致；¹³⁷Cs仍可检测，反映切尔诺贝利残留影响。中子活化实验检测到⁵⁶Mn、²⁸Al等短寿命核素，验证了元素组成的可靠性。放射指标与PCA结果协同：⁴⁰K与Fe-Ti-V共变，强化了陆源轴的解释力。

多变量统计与机制解析

PCA/FA揭示三轴环境特征：

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  陆源轴（PC1，方差46.2%）：Fe-Al-Ti-V-Ni-Cr组合，代表铝硅酸盐和铁氧化物载体的主导控制；
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  碳酸盐轴（PC2，方差17.3%）：CaCO₃与Ti-Cr负相关，反映相控稀释效应；
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  人为轴（PC3，方差9.3%）：Pb、Hg、HMW-PAHs在近岸富集，标识局部人为压力。
  此结构在含PAH的PCA中仍稳定，Σ16PAH与陆源金属共变，证实污染物迁移受细粒沉积物载体调控。

讨论与展望

研究强调了黑海西北陆架环境信号的三重控制机制：多瑙河输入的盆地尺度调制、碳酸盐-硅质碎屑相变引起的稀释效应，以及近岸人为热点的局部叠加。当前营养盐水平较历史峰值下降，但铵盐的持续富集暗示内部再生作用占主导。金属数据需结合粒度归一化（如Fe/Al比值）以区分自然与人为贡献，而PAH源解析需谨慎使用诊断比值（因风化干扰）。未来工作应拓展季节性采样、加密近岸站点布局，并引入黑碳和²¹⁰Pb沉积通量约束，以提升趋势检测能力。

结论与管理启示

罗马尼亚黑海陆架环境基线由陆源载体和碳酸盐相变主导，人为影响局限于近岸热点。Ni轻微超标源于自然地质背景，而非污染扩散。多指标框架（地球化学-放射计量-多元统计）有效分离了基质效应与人为信号，为海洋战略框架指令（MSFD）下的环境状态评估提供了可转移的工具。管理实践需关注近岸压力区，采用载体归一化指标解读金属数据，并整合有机与放射示踪剂以优化源解析。