Quantitative characterization and influencing factors of modern bioturbation structure in the Changjiang River Estuary and its adjacent areas
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摘要: 生物扰动构造是表征海底环境状态的重要指标，是古沉积环境重建的主要依据，且它影响沉积物早期成岩作用以及物质的再分配，成为百年尺度沉积记录解读的干扰因素。本文基于长江口及其邻近海域的21个站位的沉积物岩心，利用高分辨X射线计算机断层扫描技术，通过matlab的数据处理，定性和定量表征了该区生物扰动构造，分析了影响生物扰动构造的主要因素。研究表明：长江口及邻近海域生物扰动构造较为发育，从功能上划分为生物扩散构造、运输构造、交换构造和廓道扩散构造4种类型，运输构造和廓道扩散构造常见；生物扰动构造在岩心中分布形式多样，包括指数衰减型、波动衰减型、均匀分布型、脉冲分布型等垂向分布形式；扰动深度深浅不一，多数在20 cm以内，但也有超过40 cm者；生物扰动构造空间上不均一，长江口及内陆架较发育，扰动构造体积在0～13 972 mm3之间，而苏北沿岸、中陆架则较少，扰动构造体积在351～3 212 mm3之间，从岸向外生物扰动构造有减少趋势。生物扰动构造发育程度主要受底质类型、沉积速率制约，黏土质粉砂以及适宜的沉积速率（0.52～1.34 cm/a）有利于生物扰动构造发育和保存。Abstract: The bioturbation structure is an important indicator of the state of the seabed environment and the main basis for the reconstruction of the paleosedimentary environment; moreover, it affects the early diagenesis of sediments and the redistribution of materials, and becomes the interference factor for the interpretation of the 100-year scale sedimentary records. In this article, sediment cores from 21 stations in the Changjiang River Estuary and its adjacent areas were characterized qualitatively and quantitatively by using high-resolution X-ray computed tomography technology, and the main factors affecting the bioturbation structures were analyzed. The result shows that the bioturbation structures in the Changjiang River Estuary and its adjacent areas are relatively developed, which can be divided into four types: biodiffusor structures, conveyor structures, regenerator structures and gallery-diffusor structures. Conveyor structures and gallery-diffusor structures are common. The bioturbation structure is distributed in various forms in the core, including exponential attenuation type, wave attenuation type, uniform distribution type, pulse distribution type and other vertical distribution forms. The depth of disturbance varies, most of which are within 20 cm, but some are more than 40 cm. The bioturbation structures are spatially uneven. The Changjiang River Estuary and the inner shelf are relatively developed, with a disturbance inventory of 0–13 972 mm3, while the northern Jiangsu coast and the middle continental shelf are less, with a disturbance inventory of 351–3 212 mm3. The bioturbation structures from the coast to the outside have a decreasing trend. The development degree of bioturbation structure is mainly restricted by the type of bottom material and sedimentation rate. Clay silt and suitable sedimentation rate (0.52–1.34 cm/a) are conducive to the development and preservation of bioturbation structures.
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1. 引言
生物扰动构造是底栖生物在沉积物的表面和内部生命活动过程中形成痕迹，生物扰动构造类型、多样性、强度和空间分布与底栖生物群落息息相关，沉积环境发生改变时，底栖生物能够应对环境改变做出相应的调整[1–3]，因此生物扰动的变化特征、强度和幅度是判断沉积环境变迁和事件沉积过程的有力依据[4]。底栖生物在摄食或运输沉积物过程中对沉积物造成的混合作用，导致沉积物中的污染组分（如重金属、持久性有机污染物）以及营养盐、有机物等的再分配影响沉积物环境质量[5–9]，同时还能改变沉积物物理化学特性而对早期成岩过程造成影响[10]。人类活动排放的放射性核素210Pb和137Cs常用作百年尺度沉积物定年的主要手段[11–12]，而生物扰动作用会导致该类组分的垂向均匀化，进而造成了测年数据的偏年轻结果[13]。因此，如何定量表征生物扰动构造成为沉积学研究的重要方向。目前生物扰动对沉积物及海洋环境的影响在海洋研究中不断得到重视[14]，而计算机X射线断层扫描技术（CT）的发展则为定量研究生物扰动构造提供了新的手段，其能够对沉积物柱状样品进行非破坏性精细扫描，从而获得生物洞穴的结构信息[15–16]。
长江口及邻近海域底栖生物众多[17–18]，前人研究发现在该处沉积物中生物扰动构造较为发育[19]，因而是研究现代生物扰动构造的理想海域。为此，本文选取长江口及其邻近海域纵横方向上的两个典型断面，尝试利用高分辨CT技术获取生物扰动构造信息并对其开展定量和定性分析，探索影响生物扰动的构造的可能影响因素，为该区沉积作用和底质环境评价提供参考。
2. 研究区概况
研究区包括苏北沿岸、长江口、浙闽沿岸海域，由北向南经过长江水下三角洲、浙闽内陆架泥质沉积区和部分陆架沉积[20–21]。整个区域的表层沉积物总体上偏细，以黏土质粉砂为主，少数站位由粉砂、砂构成。其中，长江水下三角洲发育三角洲前缘、前三角洲等亚环境[22–23]；从海岸向海方向包括内陆架泥质沉积、过渡带和中陆架沉积[24–25]。长江是影响该海域沉积作用的重要因素，其带来大量的入海淡水和沉积物，同时带来丰富的营养物质[26]。长江冲淡水、浙闽沿岸流、台湾暖流等构成了复杂的近海环流体系，在沉积物和营养物质交换和输送上起到重要作用[27–28]。
长江口及浙闽沿岸的底栖生物主要为多毛类、甲壳类、棘皮类、软体动物，优势种为多毛类[17–18, 29–30]，各类底栖生物种类长江口最多，杭州湾最少[29]。
3. 样品采集和研究方法
3.1 样品采集
本研究样品采集于长江口及其邻近海域，分别由“润江1”号调查船在2019年7月、“蓝海101”号科考船在2019年10月、“向阳红18”号科考船在2020年10月3次科考航次中采集，总共获得21根插管样品。采样方式均为在箱式采样器从海底采完样品后，再利用PVC管进行插管采样，使用长度为50 cm、内径为7.5 cm的PVC材质的空心圆管进行采样，随后用脱脂棉和胶带密封，放入低温冷库保存。各站位分布见图1，站位信息见表1。
表 1 沉积物岩心站位信息Table 1. Information for the sediment cores站位 纬度 经度 科考船 岩心长度/cm 水深/m 取样时间 H27 32.40°N 122.30°E “蓝海101”号 30 25 2019年10月 A6-4 30.90°N 122.50°E “润江1”号 38 16.3 2019年7月 A6-5 30.80°N 122.60°E “润江1”号 46 20.8 2019年7月 A8-3 30.20°N 122.80°E “润江1”号 39 35.5 2019年7月 A10-2 29.70°N 122.60°E “润江1”号 26 30.1 2019年7月 A10-3 29.67°N 122.73°E “润江1”号 33.8 44.7 2019年7月 A10-4 29.60°N 122.80°E “润江1”号 42 48 2019年7月 S00-1 31.69°N 122.50°E “向阳红18”号 23.6 24.5 2020年10月 S01-1 29.99°N 122.69°E “向阳红18”号 3.6 37 2020年10月 S02-1 29.62°N 122.81°E “向阳红18”号 36.4 46.6 2020年10月 S02-2 29.47°N 123.09°E “向阳红18”号 43 58.1 2020年10月 S02-3 29.32°N 123.37°E “向阳红18”号 31 73.4 2020年10月 S02-4 29.17°N 123.65°E “向阳红18”号 35.4 75.3 2020年10月 S02-8 28.57°N 124.78°E “向阳红18”号 21.9 98.8 2020年10月 S03-2 28.47°N 122.58°E “向阳红18”号 33 71.3 2020年10月 S04-1 27.80°N 121.63°E “向阳红18”号 39.9 30.3 2020年10月 S05-1 27.00°N 120.93°E “向阳红18”号 44.8 41.9 2020年10月 SF-1 31.17°N 122.56°E “向阳红18”号 49 24.6 2020年10月 SF-2 30.49°N 122.67°E “向阳红18”号 31 35 2020年10月 SF-3 29.17°N 122.57°E “向阳红18”号 40.1 44.4 2020年10月 SF-4 27.41°N 121.32°E “向阳红18”号 40.1 41.4 2020年10月 
3.2 生物扰动构造三维重建和参数计算
航次结束后，及时把所采集的沉积物岩心进行计算机断层扫描。使用美国GE公司生产的64排128层螺旋GE OPTIMA600CT仪器进行CT扫描测试，工作环境为120 kVp，50 mA。扫描方式为平扫，扫描间隔为0.625 mm。扫描完成后获取DICOM格式的CT数据，单位为亨斯菲尔德单位（Hounsfiled，HU）。CT数值是通过X射线在物质中的衰减系数计算所得[32]，计算公式如下：
$$ \mathrm{HU}=\left(\frac{\mu-\mu_{\text{water}}}{\mu_{\text{water}}}\right)\times1\;000\text{，} $$ (1) 式中，μ是X射线的线性衰减系数（单位：cm−1）；μwater是X射线在水中的衰减系数（单位：cm−1）[33]；HU为所测物质的CT值。根据式（1）可知水的HU值为0，同时由于空气的衰减系数μ为0，便得到空气的CT值为–1 000。不同物质具有不同的CT值，进而可以区分不同的物质和成分。
对获取的CT数据进行了处理和生物扰动构造重建。使用imageJ软件可以获取数据的扫描时间、扫描层数、扫描间隔、所需图像范围的坐标信息等数据；再通过python编程获取.mat矩阵数据，在matlab中进一步处理，除去沉积物岩心外的区域。随后对样品的信息进行阈值分割，获取生物扰动区域信息。将分割后的数据三维矩阵进行二值化处理（0代表非生物扰动体素，1代表生物扰动体素），获取三维二值矩阵。使用三维26邻域搜索算法进行连通域分析，删除体素数较少的连通域，获取更加准确的生物扰动构造三维信息。计算每一CT扫描层的生物扰动面积，公式如下：
$$ S{\text{ = }}\frac{{{m_{{\text{BI}}}}}}{M} \times {a^2} \text{，} $$ (2) 式中，S为计算所得生物扰动面积；mBI为每层的生物扰动像素数；M为圆形样品区域所在矩阵区域的总像素数；a为样品区域所在矩阵区域的边长，边长为沉积物柱状样品的直径（包含PVC外壳），为7.7 cm。由于CT扫描层（CT纵向分辨率）已知，依据积分的思想计算每一层生物扰动构造体积，可以获得整个沉积物样品的生物扰动构造体积，甚至将每个生物扰动构造分割出来可以计算每个生物扰动构造体积，进而可以获得生物扰动随深度的变化。体积计算公式如下：
$$ V = S \times h = \frac{{{m_{{\mathrm{BI}}}}}}{M} \times {a^2} \times h \text{，} $$ (3) 式中，V为计算所得每一层生物扰动构造体积，可利用扰动构造体积来代指扰动强度；h为CT扫描的间隔。
3.3 沉积物粒度分析
选取10根沉积物岩心进行粒度测试，取样间隔为0.25 cm，共测试了1 447个沉积物粒度样品。对沉积物进行前处理，将离心瓶用蒸馏水清洗干净，加入1 g左右的沉积物样品，为去除样品中的有机质，随后加入5 mL 30%的过氧化氢溶液，静置24 h直至不产生气泡；上机测试前加入3 mL 0.5 mol/L的六偏磷酸钠溶液并进行30 min超声，以使沉积物混合均匀。粒度测试仪器为Mastersizer3000（UK）型激光粒度分析仪，测量范围为0.01～2 000 μm，测量误差在3%以内。沉积物粒度分级采用“伍登–温德华”标准，并使用矩阵法公式进行粒度参数计算。
为了解沉积物粒度与CT值之间的关系，将沉积物岩心的粒度数据和参数与对应层位的CT值数据进行相关分析，显示两者之间存在较好的对数关系（图2a），即
图 2 平均粒径与CT的相关性（a）、实测粒径与反演粒径的相关性（b）和实测粒径和反演粒径的Q-Q图（c）Figure 2. Correlation diagram between average particle size and CT (a), correlation diagram between measured particle size and inverted particle size (b), and Q-Q diagram between measured particle size and inverted particle size (c)$$ {\mathrm{HU}} = 161.700\;\ln (L) + 423.108 \text{，} $$ (4) 式中，L代表沉积物的平均粒径；HU代表对应粒度层位的平均CT值。相关系数（R2）为0.48，相关性中等。方差分析显示P值小于0.01，表明在0.01的置信水平下回归模型显著。如图2所示，随着沉积物平均粒径的增大，平均CT值会以对数型上升，这与前人得到的粒度与HU的关系相符[16]。利用该公式，可以依据沉积物的HU值反推该层的沉积物粒度，即
$$ L = 1.087{{\mathrm{e}}^{0.000\;3{\mathrm{HU}}}} . $$ (5) 通过公式反演完成粒径测试估算，图2b中显示实测粒径与反演粒径之间相关系数为0.50。图2c显示平均粒径大于20 μm时，预测的沉积物粒径准确率明显降低，同时实测粒径中小于20 μm的样本量为1023，超过总样品量的70%。
4. 研究结果
4.1 岩心沉积物粒度组成
长江口及邻近海域沉积物类型以黏土质粉砂为主，但也包含了砂质粉沙、粉砂质黏土等类型。为了方便描述，将沉积物粒级构成相同或者相似的岩心归成一组，共分成了3组，即粉砂–砂质沉积物为主的岩心组、粉砂质沉积物为主的岩心组和黏土质粉砂沉积物为主的岩心组。各组岩心的粒级特征描述如下：
（1）粉砂–砂质沉积物为主的岩心组：该组岩心以沉积物粒径较粗、砂粒级含量较高为特点。沉积物的砂含量在30%～50%之间，粉砂含量在30%～50%之间，黏土含量在16%～28%之间；该组岩心粒级组成在垂向上相对稳定，如站位S02-2、S02-3岩心，但也有垂向上出现粉砂质黏土的细颗粒沉积物夹层，如站位A10-4岩心（图3）。该类沉积物岩心出现于中陆架及内陆架、中陆架的过渡处。
图 3 粉砂–砂质沉积物为主的岩心粒级组成Figure 3. Composition of grain size of the cores mainly composed by silty-sandy sediments（2）粉砂质沉积物为主的岩心组：该组岩心以沉积物粒径中等、粉砂粒级含量较高为特点。沉积物的砂含量为9%～20%之间，粉砂含量为62%～70%之间，黏土含量为14%～22%之间；该组岩心粒级组成在垂向上粒径变化较大，砂质含量存在波动，在深度5 cm处砂质沉积物含量逐渐开始升高（图4）。该类沉积物岩心主要见于长江水下三角洲。
图 4 粉砂质沉积物为主的岩心粒级组成Figure 4. Composition of grain size of the cores mainly composed by silty sediment（3）黏土质粉砂沉积物为主的岩心组：该组岩心以沉积物粒径最细、黏土粒级含量较高，几乎不含砂质沉积物为特点。沉积物的砂含量在0.02%～3%之间，粉砂含量在62%～74%之间，黏土含量在22%～34%之间；该组岩心粒级组成在垂向上各类型沉积物相较于前两类岩心组更加稳定，砂、粉砂、黏土3类沉积物之间的相对含量变化不大，但也有垂向上出现砂质粗颗粒沉积物夹层，如站位A8-3、SF-2岩心（图5）。该类沉积物岩心主要分布在长江口泥质区、内陆架泥质区。
图 5 黏土质粉砂沉积物为主的岩心粒级组成Figure 5. Composition of grain size of the cores mainly composed by clayey siltstone（4）根据平均CT值与平均粒径之间的回归关系预测沉积物的平均粒径，随后根据沉积粒径划分3组：平均粒径大于20 μm的岩心，该类岩心粒径较大，均位于泥质沉积区之外；平均粒径介于10 ～20 μm的岩心，该类岩心均位于泥质沉积区内，沉积物平均粒径较为中等，如站位A6-5岩心位于长江口南部，站位A10-3、S01-1、S02-1岩心位于浙江沿岸北部；平均粒径小于10 μm的岩心，该类岩心的沉积物粒径较细，且均位于浙闽泥质沉积区之内（图6）。
图 6 预测的沉积物岩心粒径特征站位S00-1、S02-4、S02-8岩心沉积物平均粒径大于20 μm；站位A6-5、A10-3、S01-1、S02-1岩心沉积物平均粒径介于10~20 μm之间；站位S04-1、S05-1、SF-3、SF-4岩心沉积物平均粒径小于10 μmFigure 6. The predicted grain sizes of the sediment coresThe cores with mean grain sizes larger than 20 μm include S00-1, S02-4, and S02-8; the cores with mean grain sizes from 10 μm to 20 μm include A6-5, A10-3, S01-1, and S02-1; the cores with mean grain sizes less than 10 μm include S04-1, S05-1, SF-3, and SF-4图2c显示当真实粒径大于20 μm时，预测的沉积物粒径准确性降低，说明CT值较高（即沉积物密度较大）预测粒径时准确率较低，对沉积物粒径突变的反应灵敏度较小。
4.2 生物扰动构造特征
4.2.1 长江口及邻近海域生物扰动构造分类和主要类型
按照生物扰动对底层环境的利用和对沉积物的作用将生物扰动划分为不同的功能组，可以反映底栖生物与沉积物的混合模式[34–38]。按照前人的研究，可将功能群划分为5种，包括生物扩散群（biodiffusors group）、运输群（conveyors group）、反向运输群（inverse conveyors group）、交换群（regenerator group）和廓道扩散群（gallery-diffusor group）[38]，所对应的生物扰动构造分别为生物扩散构造、运输构造、反向运输构造、交换构造和廓道扩散构造（图7）。生物扩散群能够对沉积物进行随机方式的运输，包括双壳类和端足类，在三维图像上表现为体积较大的单个洞穴为主，例如站位A6-5、S03-2岩心中的横向分布的生物扩散群；运输群在沉积物中头部朝下，躯干垂直，通过生物的内脏把沉积物从下层运输到上层，典型生物为多毛类的沙蚕；反向运输群头部朝上，躯干垂直，通过内脏把沉积物上层运输到下层；交换群的洞穴较大，且分布于沉积层顶部，它们将大量沉积物运输到沉积物水界面以上，能够造成较强的生物扩散，洞穴被遗弃后可能会被外来沉积物所充填，典型物种为蟹；廓道扩散群的洞穴通常在沉积层顶部组成复杂连通的洞穴网络，能够进行生物灌溉等作用，典型生物为多毛类沙蚕。
图 7 典型生物扰动类型a. 生物扩散构造；b. 运输构造；c. 交换构造；d. 廓道扩散构造Figure 7. Typical bioturbation typesa. Biodiffusor structure; b. conveyor structure; c. regenerator structure; d. gallery-diffusor structure海洋中最常见的穴居动物类型是多毛类、双壳类、甲壳类，每种生物扰动的功能群在物种上没有明确的区分，由于沉积环境条件的差异，同种物种可能形成不同的洞穴类型[39]，因此同种生物可能组成了不同的功能组。例如多毛纲中的沙蚕，活动能力弱时可能组成运输群，活动能力强时可能形成洞穴系统，组成廓道扩散群。而运输群与反向运输群的形态相似，在三维图像上不能准确区分，故本文将这两类归为一类进行分析。不同功能生物扰动构造在大小、形态和沉积物中的分布不同，见表2。
表 2 各类型生物扰动构造特征Table 2. Characteristics of various types of bioturbation structures生物扰动 最大长度/cm 最大直径/cm 形态 分布粒径/μm 分布深度/cm 生物扩散构造 10.00 1.75 长柱状、短柱状 9.10～18.70 0～13.00 运输构造 10.00 1.00 I型、螺旋型 7.40～25.80 0～43.50 交换构造 5.70 1.52 短柱状、U型 5.70～22.80 0～4.50 廓道扩散构造 17.50 1.25 根系状、Y型、8字型 7.30～39.50 0～18.80 4.2.2 长江口及邻近海域生物扰动构造垂向分布特征
根据岩心生物扰动三维成像，不同岩心之间存在不同的生物扰动分布特征，根据生物扰动随深度增加的变化可将垂向分布进行分组，其中，站位A10-2岩心无生物扰动发育，其他岩心均有生物扰动分布，可分为指数衰减型、波动衰减型、均匀分布型和脉冲分布型等垂向发育和分布形式。
（1）指数衰减型：该类岩心生物扰动构造主要分布于上部10 cm以上的沉积物中，并随着深度的增加，生物扰动呈现似指数型减少至消失。该类岩心的生物扰动主要由发育在顶部的根系状廓道扩散构造组成，随深度增加，生物扰动发育体积迅速减小，典型岩心的三维成像和垂向分布如图8所示。该分布形式整体的生物扰动构造体积介于2 147 ～13 298 mm3之间。
图 8 指数衰减型生物扰动构造三维成像与垂向分布Figure 8. Three-dimensional images and vertical distribution of exponential attenuation bioturbation structures（2）波动衰减型：该类岩心生物扰动在较大深度范围内均有分布，从顶部向下呈波动式缓慢衰减状态。生物扰动构造出现了廓道扩散构造、生物扩散构造、运输构造等类型，相对于指数衰减型岩心，生物扩散构造和运输构造明显增加（图9）。整体的生物扰动构造体积介于1 138～12 509 mm3之间，稍低于指数衰减型。
图 9 波动衰减型生物扰动构造三维成像与垂向分布Figure 9. Three-dimensional images and vertical distribution of wave attenuation bioturbation structures（3）脉冲分布型：该类岩心的生物扰动构造出现层位不固定，廓道扩散构造出现在顶部，运输构造在整个岩心区域随机出现，而且运输构造成为主导，造成生物扰动构造体积曲线呈现脉冲式分布（图10）。生物扰动强度不均匀，整体的生物扰动构造体积介于350～10 765 mm3之间。
图 10 脉冲分布型生物扰动构造三维成像与垂向分布Figure 10. Three-dimensional images and vertical distribution of pulse-distributed bioturbation structures（4）均匀分布型：该类岩心的生物扰动构造在岩心中虽然有波动，但是在整个岩心深度范围内都可见，随深度变化未见明显的差别（图11）。该类岩心的生物扰动构造多为运输构造，整体的生物扰动构造体积介于4 370 ～13 972 mm3之间，稍高于指数衰减型。
图 11 均匀分布型生物扰动构造三维成像与垂向分布Figure 11. Three-dimensional images and vertical distribution of uniformly distributed bioturbated structures4.2.3 沿岸断面生物扰动构造发育特征
沿岸断面的扰动构造发育差别较大，各站位的生物扰动构造体积和扰动深度不尽相同，同时生物扰动类型也各具特征。苏北−长江口−浙闽沿岸断面的生物扰动构造见图12，依据该断面上生物扰动构造发育程度、垂向分布特征等的差异，分成3个区域：苏北沿岸、长江口水下三角洲、浙闽泥质区。
图 12 苏北–长江口–浙闽沿岸断面生物扰动特征Figure 12. Bioturbation characteristics of the section from North Jiangsu to Changjiang River Estuary to Zhejiang and Fujian coasts苏北沿岸流发育的海域，包括H27和S00-1两个站位，生物扰动构造发育弱，垂向上呈现脉冲式分布，生物扰动构造发育深度通常小于 20 cm。生物扰动类型主要为廓道扩散构造、生物运输构造，前者主要见于岩心顶部，而后者则见于岩心中间。
长江口水下三角洲大致从长江口至钱塘江口，包括SF-1、A6-4、A6-5、SF-2、A8-3等站位。生物扰动强度较高，以运输构造为主，其次是廓道扩散构造、扩散构造；扰动构造在岩心呈现均匀分布，发育深度超过40 cm。其中，在紧靠长江入海口的SF-1站位扰动构造最强，扰动构造体积达到13 972 mm3；其他站位生物扰动构造体积在3 782～11 832 mm3之间。
浙闽沿岸泥质区包括S01-1、SF-3、S03-2、SF-4、S04-1和S05-1共6个站位。该处生物扰动发育，扰动构造体积在1 078～13 298 mm3之间，且主要为廓道扩散构造和生物扩散构造，发育深度小于 40 cm。垂向上呈现指数衰减型、波动衰减型，顶部扰动强烈，向下变弱。
4.2.4 大致垂直断面生物扰动构造发育特征
该断面从内陆架开始，向外进入中陆架，包括A10-2、A10-3、S02-1、A10-4、S02-2、S02-3、S02-4和S02-8共8个站位（图13）。该断面上生物扰动构造强度、类型和垂向分布形式呈现有规律的变化，扰动强度内陆架高、中陆架低，最强扰动出现在内陆架−中陆架过渡处的S02-2站位。
图 13 大致垂直岸线断面生物扰动特征Figure 13. Bioturbation characteristics in the section roughly vertical to shoreline内陆架站位包括A10-2、A10-3、S02-1和A10-4站位。除了靠海岸最近的站位A10-2外，其他站位生物扰动构造发育，扰动构造体积为1 980～3 839 mm3；扰动构造类型包含廓道扩散构造、生物扩散构造和运输构造，以廓道扩散构造最发育；岩心中呈现指数衰减型、波动衰减型分布，发育深度多在20 cm以内。
中陆架站位包含S02-3、S02-4和S02-8站位。生物扰动弱，扰动构造体积为351～2 447 mm3；包含运输构造、生物扩散构造和廓道扩散构造，三者发育程度相当；岩心中呈现脉冲式分布，发育深度多在15 cm以内。
S02-2站位为过渡站位，位于内陆架和中陆架过渡位置，生物扰动构造发育，扰动构造体积达到5 621 mm3；主要为廓道扩散构造，见个别交换构造；垂向上呈现波动衰减型分布，主体扰动深度在15 cm以内。
5. 生物扰动构造的影响因素
5.1 沉积物粒度（底质类型）的影响
沉积物的粒径大小影响生物扰动构造的发育和保存[40]，同时生物扰动又影响着沉积物的垂向运输[41]。根据前文各沉积物岩心的生物扰动分布图，长江口及其邻近海域的生物扰动在垂向的分布特征为：上部的沉积物较为松软，为底栖生物提供食物和庇护所，同时也是含氧量较高的环境，因此生物扰动构造主要分布于沉积物岩心的中上部。为分析沉积物粒度对生物扰动的影响，统计了各岩心各类型生物扰动构造体积与所对应岩心沉积物粒度的关系（图14），结果表明：生物扰动构造体积呈随平均粒径增大而减小的趋势，说明研究区底栖生物适合在较细粒级的沉积物中发育，而砂质沉积物不利于底栖生物发育。不同的生物扰动构造类型与粒级的关系也有所差别，廓道扩散群、运输群适应的粒级范围较宽，平均粒径在8～40 μm内都可发育；生物扩散群、交换群适应的粒级范围较窄，出现于平均粒径为8～24 μm的沉积物。运输群与廓道扩散群扰动区域含砂质沉积物的量较高，如站位SF-1，较粗的沉积物可能促进其保持狭长的洞穴形态，利于洞穴内的运输，其洞穴易形成内衬壁，促进了生物扰动构造的保存；生物扩散群的洞穴较大，且在短距离扰动沉积物，一般分布于沉积岩心的顶部，沉积物粒径较小，该类型生物扰动区域的砂质沉积物含量小于10%，致使其分布区域的粒径最低[40]。
图 14 生物扰动构造体积与沉积物平均粒径关系Figure 14. Relationship between bioturbation volume and average particle size of sediment研究区的长江口泥质区、浙闽内陆架泥质区沉积物主要为黏土质粉砂，平均粒径范围为6.5～16.4 μm，砂粒级含量均在10%以下，甚至不含砂质，生物扰动构造较发育；而在苏北沿岸和中陆架海域，沉积物为粉砂、粉砂质砂，粒级较粗，生物扰动构造发育程度低，也表明较细粒级的沉积物更适合底栖生物生存。
5.2 沉积速率的影响
目前的研究者存在两种观点，Tromp等[42]和覃雪波[43]认为快沉积速率能够提供较多的营养物质，可能有利于底栖生物的生存；Rhoads和Boyer[44]认为生物扰动强度与沉积速率呈负相关。从生物扰动构造体积与沉积速率关系（图15）来看，在该区沉积速率范围（0～4 cm/a）内都可能发育生物扰动构造，两者之间没有明显的趋势性关系。具体到不同类型的生物扰动构造，与沉积速率之间也不存在明显的关系。从图15中可知，当沉积速率极低或者最高时，扰动构造体积反而较低，而高扰动构造体积通常见于沉积速率在1 cm/a的环境之中，似乎指示底栖生物的生存有最适宜的沉积速率要求。可能由于过快的沉积速率使得底栖生物被快速掩埋，居住环境不稳定，不利于其生存；太慢的沉积速率特别是几近无沉积的环境，沉积物中的营养物质补充不足，也不利于底栖生物的生存。生物扩散群、运输群、交换群、廓道扩散群的高扰动构造体积岩心所在区域沉积速率分别为1.19～1.34 cm/a、0.62～1.23 cm/a、0.52～0.99 cm/a、0.52～1.00 cm/a ，可见不同类型生物扰动的底栖生物也对沉积速率的快慢有要求。结合本文中数据与前人的研究数据得出，最适宜底栖生物扰动构造发育的沉积速率介于0.52～1.34 cm/a之间。同时也存在个例，站位A6-5岩心沉积速率为3.83 cm/a，其生物扩散群、运输群、廓道扩散群均有较强发育。
5.3 其他因素的影响
除了底质类型、沉积速率对底栖生物有着重要的影响外，上覆水团性质对底栖生物的发育也有一定影响[4]。研究区位于长江水下三角洲前缘、内陆架以及中陆架环境，除了长江口、内陆架盐度略偏低外，其他海域盐度接近正常浅海的盐度，该环境下都适合底栖生物的生存[45]。来自长江的丰富营养物质是维持该海域海洋生态平衡的关键因素，该入海物质随着长江冲淡水主要影响长江口以及浙闽内陆架海域，且受到台湾暖流阻隔，该入海物质基本上被限制在123.5°E以西的内陆架海域[46]。对照该区的生物扰动构造体积，高值区分布于长江口以及浙闽内陆架，这与长江入海物质影响海域相吻合，显示其一定程度上受制于长江入海物质的影响。
此外，在台湾暖流向北流动过程中，水体逐渐变浅，形成上升流而把营养盐带到浅水，构成了该海域生态系统的另外一个重要营养盐来源。前人研究表明，上升流主要出现在长江口外侧凹槽处，影响可以达到32°N附近[47]。上升流可能对长江口以及过渡带、中陆架内侧站位底栖生物带来有益的影响，使得这些海域初级生产力较高，产生的有机物质促进底栖生物发育，生物扰动较为发育。
5.4 长江口区域生物扰动的独特性
长江三角洲属于潮控型三角洲，濒临河口区生物扰动较强，离河口较远区域强度差异较大，从河口向南区域生物扰动减少，而东海陆架区域生物扰动又呈现不同强弱特征，可能与长江及浙闽沿岸复杂的流系相关。 美国密西西比河支流阿查法拉亚河三角洲，属于河控型三角洲，与密西西比三角洲毗邻，沉积速率较高，河流洪水和风暴频发，沉积物−水界面处的浊度较高，致使沉积物中生物扰动构造较少，呈现零星状分布[48]。加拿大库希布瓜克湾属于浪控型河口，潮汐作用较弱，波浪控制的河口交换水量较低，河口沉积物主要为砂质，造成整个生物扰动分布较少[49]。美国哥伦比亚河三角洲维拉帕湾，属于混合型河口，沉积物层序复杂，河口中部区域生物扰动较强，而较强的波浪和潮汐，使河口外出现交错层理，生物扰动减少[49]。加拿大芬迪湾属于小型潮控型三角洲，其生物扰动特征与长江口生物垂向扰动分布存在部分相似，沉积物层序较明显，且生物扰动能够分布于较深的区域[49]，且主要为廓道扩散群和运输群。因此，潮控型三角洲生物扰动分布最为广泛，加之长江口复杂的流系特征，与上述类型河口具有鲜明不同。
6. 结论
本研究使用X射线计算机断层扫描技术，重建了长江口及邻近海域生物扰动构造，分析了生物扰动构造的影响因素，得到主要结论如下：
（1）长江口及邻近海域生物扰动构造较为发育，从功能上划分为生物扩散构造、运输构造、交换构造和廓道扩散构造4种类型，运输构造和廓道扩散构造常见。
（2）生物扰动构造在岩心中分布形式多样，包括指数衰减型、波动衰减型、均匀分布型、脉冲分布型等垂向分布形式；扰动深度深浅不一，多数在20 cm以内，但也有超过40 cm者。
（3）生物扰动构造空间上不均一，长江口及内陆架较发育，扰动构造体积在1 078～13 298 mm3之间；而苏北沿岸、中陆架则较少，扰动构造体积在1 980～3 839 mm3之间。
（4）生物扰动构造发育程度主要受底质类型、沉积速率制约。研究区范围内，黏土质粉砂以及适宜的沉积速率（0.52～1.34 cm/a）有利于生物扰动构造发育和保存。
致谢：本研究的样品采集得到国家自然科学基金委员会共享航次计划项目资助，该航次(航次编号: NORC2019-01，NORC2020-03)由“向阳红18”号、“润江1”号科考船实施，在此一并致谢。
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图 2 平均粒径与CT的相关性（a）、实测粒径与反演粒径的相关性（b）和实测粒径和反演粒径的Q-Q图（c）
Fig. 2 Correlation diagram between average particle size and CT (a), correlation diagram between measured particle size and inverted particle size (b), and Q-Q diagram between measured particle size and inverted particle size (c)
图 3 粉砂–砂质沉积物为主的岩心粒级组成
Fig. 3 Composition of grain size of the cores mainly composed by silty-sandy sediments
图 4 粉砂质沉积物为主的岩心粒级组成
Fig. 4 Composition of grain size of the cores mainly composed by silty sediment
图 5 黏土质粉砂沉积物为主的岩心粒级组成
Fig. 5 Composition of grain size of the cores mainly composed by clayey siltstone
图 6 预测的沉积物岩心粒径特征
站位S00-1、S02-4、S02-8岩心沉积物平均粒径大于20 μm；站位A6-5、A10-3、S01-1、S02-1岩心沉积物平均粒径介于10~20 μm之间；站位S04-1、S05-1、SF-3、SF-4岩心沉积物平均粒径小于10 μm
Fig. 6 The predicted grain sizes of the sediment cores
The cores with mean grain sizes larger than 20 μm include S00-1, S02-4, and S02-8; the cores with mean grain sizes from 10 μm to 20 μm include A6-5, A10-3, S01-1, and S02-1; the cores with mean grain sizes less than 10 μm include S04-1, S05-1, SF-3, and SF-4
图 7 典型生物扰动类型
a. 生物扩散构造；b. 运输构造；c. 交换构造；d. 廓道扩散构造
Fig. 7 Typical bioturbation types
a. Biodiffusor structure; b. conveyor structure; c. regenerator structure; d. gallery-diffusor structure
图 8 指数衰减型生物扰动构造三维成像与垂向分布
Fig. 8 Three-dimensional images and vertical distribution of exponential attenuation bioturbation structures
图 9 波动衰减型生物扰动构造三维成像与垂向分布
Fig. 9 Three-dimensional images and vertical distribution of wave attenuation bioturbation structures
图 10 脉冲分布型生物扰动构造三维成像与垂向分布
Fig. 10 Three-dimensional images and vertical distribution of pulse-distributed bioturbation structures
图 11 均匀分布型生物扰动构造三维成像与垂向分布
Fig. 11 Three-dimensional images and vertical distribution of uniformly distributed bioturbated structures
图 12 苏北–长江口–浙闽沿岸断面生物扰动特征
Fig. 12 Bioturbation characteristics of the section from North Jiangsu to Changjiang River Estuary to Zhejiang and Fujian coasts
图 13 大致垂直岸线断面生物扰动特征
Fig. 13 Bioturbation characteristics in the section roughly vertical to shoreline
图 14 生物扰动构造体积与沉积物平均粒径关系
Fig. 14 Relationship between bioturbation volume and average particle size of sediment
表 1 沉积物岩心站位信息
Tab. 1 Information for the sediment cores
站位 纬度 经度 科考船 岩心长度/cm 水深/m 取样时间 H27 32.40°N 122.30°E “蓝海101”号 30 25 2019年10月 A6-4 30.90°N 122.50°E “润江1”号 38 16.3 2019年7月 A6-5 30.80°N 122.60°E “润江1”号 46 20.8 2019年7月 A8-3 30.20°N 122.80°E “润江1”号 39 35.5 2019年7月 A10-2 29.70°N 122.60°E “润江1”号 26 30.1 2019年7月 A10-3 29.67°N 122.73°E “润江1”号 33.8 44.7 2019年7月 A10-4 29.60°N 122.80°E “润江1”号 42 48 2019年7月 S00-1 31.69°N 122.50°E “向阳红18”号 23.6 24.5 2020年10月 S01-1 29.99°N 122.69°E “向阳红18”号 3.6 37 2020年10月 S02-1 29.62°N 122.81°E “向阳红18”号 36.4 46.6 2020年10月 S02-2 29.47°N 123.09°E “向阳红18”号 43 58.1 2020年10月 S02-3 29.32°N 123.37°E “向阳红18”号 31 73.4 2020年10月 S02-4 29.17°N 123.65°E “向阳红18”号 35.4 75.3 2020年10月 S02-8 28.57°N 124.78°E “向阳红18”号 21.9 98.8 2020年10月 S03-2 28.47°N 122.58°E “向阳红18”号 33 71.3 2020年10月 S04-1 27.80°N 121.63°E “向阳红18”号 39.9 30.3 2020年10月 S05-1 27.00°N 120.93°E “向阳红18”号 44.8 41.9 2020年10月 SF-1 31.17°N 122.56°E “向阳红18”号 49 24.6 2020年10月 SF-2 30.49°N 122.67°E “向阳红18”号 31 35 2020年10月 SF-3 29.17°N 122.57°E “向阳红18”号 40.1 44.4 2020年10月 SF-4 27.41°N 121.32°E “向阳红18”号 40.1 41.4 2020年10月 
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表 2 各类型生物扰动构造特征
Tab. 2 Characteristics of various types of bioturbation structures
生物扰动 最大长度/cm 最大直径/cm 形态 分布粒径/μm 分布深度/cm 生物扩散构造 10.00 1.75 长柱状、短柱状 9.10～18.70 0～13.00 运输构造 10.00 1.00 I型、螺旋型 7.40～25.80 0～43.50 交换构造 5.70 1.52 短柱状、U型 5.70～22.80 0～4.50 廓道扩散构造 17.50 1.25 根系状、Y型、8字型 7.30～39.50 0～18.80
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