沉积物源汇系统是连接大气圈、生物圈、水圈等活跃碳库与岩石圈稳定碳库的关键纽带,在全球碳循环中发挥核心缓冲作用。三角洲-陆架区作为海洋沉积碳汇的核心区域,以不足全球海洋8%的面积贡献了80%以上的海洋沉积有机碳通量,其碳埋藏过程与机制对全球碳平衡至关重要。本文系统综述了三角洲-陆架沉积体系中陆源有机碳的来源组成、沉积通量特征,重点阐述了有机碳源汇示踪技术、再矿化作用过程及主控机制,分析了人类活动对沉积碳汇的影响,并探讨了基于沉积物管理的海洋负排放增汇方案。研究表明,陆源有机碳的异质性、沉积环境的物理化学条件及人类活动干扰共同调控着有机碳的迁移转化与埋藏效率;当前沉积碳汇的潜力尚未被充分挖掘,亟需通过方法学创新、机制深化及技术研发,推动沉积碳汇纳入全球气候治理体系,为实现《巴黎协定》温控目标提供科学支撑与可行路径。

深水沉积过程是塑造深海地形地貌、深度参与海洋物质循环的核心动力机制,对大陆边缘和深海盆地沉积体系的构建和物质循环具有重要意义。地表碳元素及含碳物质的迁移与循环是维持有机生命活动与适宜气候环境的核心因素,而深海沉积物作为循环体系中容纳有机碳的优良储库端元,能够有效封存大气温室气体,对地质历史时期的气候演替具有重要调控作用。本研究旨在探讨典型深水沉积过程与有机碳埋藏之间的耦合机制,为构建“陆架边缘-陆坡-深海盆地有机质连续输运体系”及“深水有机碳埋藏金字塔模型”提供理论依据。基于对全球各海域典型深水有机碳埋藏体系的综合分析,研究认为重力流与底流是有机质深水连续输运体系的核心动力机制,(微)生物碳泵、浊流碳泵、底流碳泵和深地碳泵四者共同构筑起深水沉积碳埋藏基本格局。此外,影响深水有机碳埋藏结果的各类因素亦具有层级特征。然而,目前深水有机碳埋藏研究仍处于起步阶段,相关实例及机理研究非常匮乏,亟需提升对深水环境碳埋藏研究的重视程度。

黑碳(black carbon,BC)主要是由生物质与化石燃料不完全燃烧产生的惰性有机碳。全球每年产生的黑碳中大约3%~10%最终埋藏于海洋沉积物中,作为惰性碳库的重要组成部分,其时空分布和源-汇过程对于理解全球碳循环和气候演化具有重要意义。本文基于已发表的全球近千个海洋沉积物中的黑碳数据进行再分析,发现海洋沉积物中黑碳含量的时空差异显著,总体介于0.02~9.72 mg/g之间,平均为1.06 mg/g,占总沉积有机碳的比例平均约为15.1%。空间上,黑碳分布受沉积物粒度、有机碳含量等反映物源和沉积环境的因素控制;时间上,黑碳演化受气候演变与人类活动共同驱动。当前对海洋沉积黑碳来源的认知主要基于陆源输入主导的前提,认为河流输送、大气沉降及海岸侵蚀是其主要的输入途径。尽管已初步建立了黑碳源-汇过程的总体框架,但最新研究揭示全球中-深层海域的黑碳沉降通量显著超出当前已知的陆源输入总量,暗示着尚存在未知的或被忽略的黑碳来源,目前对海洋沉积黑碳的降解和再循环过程也所知甚少。未来亟需加强对关键区域(如深海环境)黑碳的特征研究,运用地球化学与有机分子碳同位素等学科交叉方法和新技术,深入解析海洋黑碳的源-汇过程与循环机制。

海草床-红树林连续体是重要的滨海蓝碳生态系统。相较于单一生态系统,连续体通过潮汐驱动实现了碳在系统间的横向迁移与再分配,深刻影响着区域乃至全球的蓝碳收支评估。然而,连续体内部碳循环以及多界面、多过程的碳汇耦合机制仍是一个黑箱,也是当前蓝碳研究的热点之一。本文对海草床-红树林连续体碳循环研究进展进行了系统梳理,从“纵向固存-横向迁移”两个维度,全景式地阐释了植物光合固碳、沉积物碳累积、水体碳转化及气体交换等关键过程,重点解析了以潮汐为驱动力的横向碳通量(包括凋落物、DOC、POC、DIC)及其在连续体碳循环中的核心地位。基于潮间带生境的复杂性,海草床-红树林连续体的碳循环耦合机制研究是一个关键且有待探索的领域,尤其是植物的固碳机制、沉积物碳累积、元素交换等关键过程都亟需深入研究与完善。

滨海湿地具有强大的碳捕获和储存能力,对缓解气候变暖具有重要作用,其中植被类型是影响其碳储量的重要因素。本研究测定了黄河口湿地三种典型植被(芦苇、芦苇-柽柳、翅碱蓬)表层土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)、木质素、稳定碳同位素(δ¹³C)、粒度以及铁元素含量,并对有机碳含量、来源及降解特征进行了分析。结果表明,黄河口湿地三种植被生境SOC含量为0.34%~1.85%,芦苇生境最高,平均值为0.94%,SOC含量受植被类型和黏土含量的共同影响。通过三端元蒙特卡罗模型计算发现,三种植被生境土壤有机碳以陆源(47.7%±13.2%)和植物源(36.3%±15.0%)为主,海源(16.0%±14.2%)比例较低(翅碱蓬>芦苇-柽柳>芦苇)。三种植被生境土壤木质素都表现为木本类和草本类组织的混合或单一来源,指示芦苇和翅碱蓬生境中部分土壤有机碳来自于上游黄土高原。土壤中的铁氧化物和水分可能因其对有机碳的保护和对微生物有氧呼吸的抑制作用,降低木质素的降解程度。该研究表明,土壤有机碳在不同类型植被中的分布、来源以及降解特征存在明显的差异。

海草床沉积物是重要的海洋碳库,准确评估海草床沉积物碳储量是评价海草床生态系统碳汇功能的基础。然而,相比于有机碳库,海草床沉积物无机碳库的研究较为缺乏。本研究聚焦于海南黎安港的热带混生型海草床,通过现场采样,分析该地区海菖蒲-圆叶丝粉草-泰来草生长区域及其邻近裸地沉积物的无机碳储量及其来源,以厘清海草生长对沉积物碳埋藏的影响。研究结果显示:有海草分布区域的沉积物无机碳储量显著高于邻近裸地区域(59.84±24.55 Mg·ha^-1);不同海草物种对应的沉积物无机碳储量差异显著,海菖蒲、圆叶丝粉草、泰来草分布区域沉积物无机碳储量分别为105.66±9.45 Mg·ha^-1、96.09±31.36 Mg·ha^-1和75.05±8.17 Mg·ha^-1,且海草植株越大,对应沉积物无机碳储量越高。碳酸盐稳定同位素分析表明,钙化底栖生物是海草分布区域沉积物的主要无机碳来源,而相邻裸地区域的沉积物无机碳主要来源于钙化附生藻类。基于此,本研究认为海草床通过增加钙化底栖生物的丰度来提升碳酸钙的生产量,同时其弱流固沙作用有利于碳酸钙的埋藏,两者协同作用导致了沉积物无机碳埋藏量的显著增加。本研究进一步量化了碳酸钙生成伴随的CO₂释放对海草床有机碳汇的抵消作用,为准确量化热带混生型海草床的碳汇能力提供了科学依据。

为探究潮汐作用对海水溶解性代谢物组成的影响,本研究于2023年3月采集了长江口半日潮锋面附近的海水样品,通过开展高分辨率非靶向代谢组学分析,共鉴定出1 379个代谢分子(鉴定率为6.8%),涵盖14个超级分类,其中以有机杂环化合物、苯环型化合物、脂质和类脂分子为主(占比为59.1%)。研究发现,代谢物组成明显受潮汐作用调控,其空间分布在落潮时的异质性明显高于涨潮时,揭示了潮汐运动与代谢物组成变化的不同步性。统计分析进一步表明,大部分代谢物与盐度呈明显负相关,且非保守性营养盐(硝酸盐、磷酸盐和硅酸盐)对其分布特征贡献较大。这表明陆源溶解有机质输入是控制代谢物组成的重要因素,而咸淡水混合过程会改造其组成特征。此外,浊度与大部分代谢物的相关性较弱,但在悬沙锋内侧,脂质和类脂分子的百分比变化显著,表明再悬浮过程对溶解性有机质的改造作用主要发生在水动力较强的区域。对涨、落潮阶段差异性代谢物的分析发现,这些代谢物以脂质和杂环类化合物等次级代谢产物为主,其变化可能指示其受微生物群落相互作用的调节。本研究强调了短时间尺度的潮汐作用对溶解性有机质组成的影响,为理解多尺度物理过程如何调控河口有机质循环提供了新视角。

河口最大浑浊带(estuarine turbidity maximum, ETM)是河口颗粒有机碳(particulate organic carbon, POC)向海洋输运的关键枢纽。为探讨ETM内的POC物源组成和输运特征及其驱动机制,本研究以福建九龙江口ETM内POC为研究对象,系统地采集了ETM内小时分辨率的水文参数、水平输运POC(过滤法)和垂向沉降POC(沉积捕获器)样品,并测试了POC的有机碳同位素等指标;最后,利用蒙特卡洛端元模型和经验正交函数等方法,分析并探讨了ETM内POC的物源组成、输运模式及其驱动机制。研究结果显示,ETM内的POC来源呈现显著时空差异:表层POC以河流源为主(35.5%),底层POC以沉积源为主(35.1%),沉降POC也以沉积源为主(在涨潮高流速期达65%)。底层POC质量浓度(0.8~8.4 mg·L^-1)与底层潮流平均流速大小(绝对值范围为0~0.5 m·s^-1)呈显著正相关。颗粒物沉降通量的峰值(227.1 mg·cm^-2·h^-1)出现在低流速期(剖面平均流速<0.2 m·s^-1)。基于以上结果,本研究分析发现潮流流速是调控九龙江口ETM内POC来源与输运过程的关键动力因子,潮流流速的大小、方向与持续时间,共同调控着POC的水平输运、再悬浮效应及垂向混合过程,进而决定了POC的物源组成与质量浓度。具体表现为:1)潮流流速与POC质量浓度呈显著正相关,高潮流流速引发的沉积物再悬浮是沉积源POC输入的主导因素;2)涨、落潮的周期性交替是控制河流源与海洋源POC相对贡献率变化的主导因素;3)流速垂向层化结构(尤其在落潮期)则控制着不同来源POC的垂向混合程度。最后,本研究从潮流流速对ETM内POC来源和输运过程调控作用的角度,总结了不同潮汐阶段ETM内POC的输运模型:涨潮期,潮流作用引发海洋源POC输入,但同时因高流速引发沉积物再悬浮,使得沉积源POC整体占主导;低流速的高平潮期,颗粒以沉降过程为主,沉积物再悬浮作用减弱,河流源或海洋源POC占比相对上升,沉积源POC贡献率降低但整体上仍占主导;落潮期,河流源POC因落潮流驱动而输入增加,且表层高流速对沉积源POC再悬浮的促进作用有限,三种来源POC的占比情况与前序涨潮高流速持续时长密切相关,一般持续时间越长,沉积源POC主导现象越显著;低流速的低平潮期,颗粒也以沉降过程为主,三种物源POC占比整体上持平。该研究结果可为进一步理解ETM内POC的源-汇过程提供参考。

在全球变化与人类活动双重压力下,极端风暴事件对河口沉积过程和碳汇能力的影响愈发突出。然而,传统单次取心方法难以对风暴事件导致的侵蚀-堆积过程及其碳埋藏净效应进行准确评估。本研究以中国杭州湾大鱼山岛为典型区域,针对同一站位分别于2021年(台风“灿都”前)和2022年开展了重复取心。通过沉积物粒度、构造以及放射性核素分析与对比,揭示了一次由台风“灿都”触发的剧烈的“侵蚀-堆积”事件;并结合元素组成与有机地球化学指标,定量评估了该事件的碳埋藏净效应。研究表明,尽管风暴层本身表现为高效的有机碳保存,但强烈的侵蚀作用造成了1 950±523 g·m^-2的有机碳净亏损。此发现揭示了沉积记录中事件沉积层的“幸存者偏差”,基于单次取心的研究结果会系统性地高估风暴对河口碳埋藏的贡献。本研究发展的“重复取心-核素示踪”方法,为准确评估非稳态条件下的河口沉积过程与碳埋藏能力提供了新的范式。

大河三角洲是全球关键的有机碳汇区。为揭示其在自然和人类活动影响下的演变规律,本研究基于长江三角洲50个钻孔的年代学、沉积学和有机地球化学数据,系统重建了该区域中晚全新世(8 ka BP)以来的有机碳埋藏历史。研究发现,沉积物堆积速率是调控有机碳埋藏通量的核心驱动力,两者呈现出极强的正相关性(r²=0.87)。然而,有机碳埋藏通量与总有机碳含量之间存在显著解耦,后者在整个研究时段内始终维持在0.41%~0.52%的低值区间,这主要受碎屑稀释效应与粒度分选效应的共同制约。有机碳的来源则经历了清晰的阶段性演变:8~2 ka BP,物源变化主要受自然因素驱动,其中海平面上升(8~5 ka BP)和东亚夏季风减弱(5~4 ka BP)先后导致了陆源有机碳贡献比例的下降;自2 ka BP以来,人类活动成为主导因素,其通过改变流域产沙区和沉积物来源,深刻重塑了三角洲的有机地球化学信号。本研究揭示了长江三角洲碳汇功能从自然背景下的动态平衡到人类世以来被剧烈扰动的演化过程,为理解和预测全球变化背景下三角洲碳库的脆弱性提供了关键科学依据。

河口及近海沉积物是重要的有机碳储存库,其在地质时间尺度上对碳的埋藏过程及对大气CO₂含量变化具有重要影响。有机碳的活性(可降解性)是决定其在海洋沉积环境中保存效率的关键因素之一。然而,目前对于海洋沉积物中活性有机碳的分布特征及其控制机制仍缺乏系统认识。本研究选取采集自长江口及邻近东海陆架区的6根沉积物岩心,通过化学氧化法区分并定量表征活性与惰性有机碳的含量特征,揭示了其随沉积深度的演变规律。结合沉积物中的叶绿素a含量、CT扫描数据以及理化参数(pH值、含水率),系统探讨了影响沉积有机碳化学稳定性的主要环境控制因素。结果表明,岩心沉积物中总有机碳含量为0.16%~0.90%,整体以活性态组分为主,约占51%~88%,主要来源于海洋有机质。沉积物颗粒组分通过对活性有机碳的吸附作用,主导了总有机碳的含量分布。在研究区域范围内,较小的粒径、适中的含水率(70%)、中性略偏碱的环境(pH值为7.6~8.0)以及较弱的生物扰动强度(0~2%)有利于活性有机碳的保存。

本研究基于在珠江口-南海北部采集的样品,结合室内实验分析与数据统计分析的手段,阐述了铁结合有机碳的空间分布格局与关键影响因素,探究了珠江口-南海北部沉积物中活性铁对有机碳的保存作用。结果表明,珠江口-南海北部表层沉积物有机碳含量的平均值为0.53%±0.36%,铁结合有机碳含量的平均值为0.14%±0.12%,铁结合有机碳占比约为25%。铁结合有机碳含量的空间分布与有机碳含量、活性铁含量相似,呈现出在珠江口、西部陆坡与深海平原较高,在陆架与东部陆坡较低的格局。活性铁含量及活性铁与有机碳的结合方式主导了铁结合有机碳的空间分布格局与保存机制。相较于中国东部的海域,活性铁在南海对有机碳有着更强的保存作用,表明活性铁在热带海域碳保存中扮演着重要的角色。