張明宇,常鑫,胡利民,2,畢乃雙,2,王厚杰,2,劉喜停,2

1.中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室，山東青島 266100

2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室，山東青島 266237

0 引言

大陸邊緣海作為陸地與大洋的連接過渡地帶，雖然只占海洋表面積的20%左右，卻儲存了海洋沉積有機碳的80%左右，強烈影響全球碳的生物地球化學(xué)循環(huán)[1-4]。陸架地區(qū)往往受到河流輸入陸源物質(zhì)的影響，表現(xiàn)出陸源物質(zhì)輸入高、沉積速率快的特征[5-7]。此外，河口和陸架區(qū)域還受到洋流、波浪和潮汐等水動力過程的影響(圖1)，導(dǎo)致其沉積環(huán)境復(fù)雜，內(nèi)陸架陸源沉積物和有機質(zhì)的命運也不盡相同，一直是海洋沉積學(xué)研究的熱點科學(xué)問題[9-11]。深入研究內(nèi)陸架區(qū)域內(nèi)沉積有機碳的來源、輸入、埋藏過程及其沉積記錄對理解全球氣候變化、有機碳埋藏與礦化以及海洋生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義[9,12-13]。

另外，有機碳作為沉積地球化學(xué)研究的常用指標(biāo)，尤其是有機碳的同位素和元素特征(例如δ13C、TOC/TN)，常用于恢復(fù)地質(zhì)歷史時期中的海平面變化、古環(huán)境重建、古氣候和古海洋演化等[14-16]，但是這些指標(biāo)在實際應(yīng)用過程中往往受到多種因素影響，需要現(xiàn)代過程的約束。例如，TOC/TN雖然經(jīng)常被用來區(qū)分陸源和海源有機質(zhì)，但是TOC/TN的比值會受到微生物選擇性降解、輸運過程中有機質(zhì)氧化、沉積物早期成巖作用、近海沉積物無機氮吸附以及人類活動(如石油污染、施肥)的影響[17-22]。海洋浮游生物生產(chǎn)的海源有機碳δ13C變化范圍較大，并且δ13C值還會受到早期成巖作用的影響而使準確性降低[23-25]。因此，對現(xiàn)代海洋環(huán)境有機碳來源、輸運和埋藏過程的研究有助于正確解讀地層記錄內(nèi)有機碳信息，起到“將今論古”的作用。

東海是典型的以河流輸入為主導(dǎo)的邊緣海[26]，同時也是有機質(zhì)輸運、沉積和碳循環(huán)最活躍的海域之一[27-30]。以長江為主的河流攜帶巨量沉積物入海，使得東海內(nèi)陸架沉積有機質(zhì)陸源占比明顯[5,31-32]。而受西邊界流和季風(fēng)的影響，東海水動力條件復(fù)雜，在內(nèi)陸架近岸區(qū)域形成了“夏儲冬輸”的宏觀輸運格局[33]，此外在29°N附近還存在“舌形”跨陸架輸運通道[34-36]。東海內(nèi)陸架雖然具有很高沉積速率，但有機碳保存率并不高[6]，主要原因包括沉積過程中強烈的物理擾動以及沉積后早期成巖過程中有機碳的消耗[37-39]。綜上所述，東海尤其是內(nèi)陸架地區(qū)陸源輸入豐富、沉積動力過程不穩(wěn)定、有機質(zhì)礦化過程復(fù)雜，十分適合開展邊緣海有機碳沉積過程和沉積記錄的研究，并且取得了大量的優(yōu)秀研究成果[30,40-45]。本文旨在梳理近年來東海內(nèi)陸架沉積有機碳來源、輸運和埋藏的新成果，以期為解讀該地區(qū)沉積有機碳的沉積過程及沉積記錄提供參考。

圖1 邊緣海沉積有機碳循環(huán)模式圖(據(jù)文獻[8]修改)Fig.1 Schematic of sedimentary organic carbon cycle in marginal sea(modified from reference[8])

1 東海內(nèi)陸架海洋環(huán)境背景

東海是世界上最大的邊緣海之一，連接歐亞大陸板塊和太平洋板塊，屬于典型的被動大陸邊緣，其內(nèi)陸架比較寬闊，平均水深60 m，寬度大約500 km[46]。東海內(nèi)陸架受長江營養(yǎng)豐富淡水輸入以及臺灣暖流入侵的影響[47]，初級生產(chǎn)力水平較高(108～997 mg m-2d-1，平均值為425 mg m-2d-1)[48]，構(gòu)成沉積有機質(zhì)的海洋端元。此外，東海內(nèi)陸架接收大量來自河流的陸源物質(zhì)(包括有機碳)，構(gòu)成沉積有機碳的另一個重要來源，其中長江輸入是主要的物質(zhì)來源之一[41-42,44]。

長江是世界第三大河流，長約6 300 km，流域面積為1.9×106km2，在亞洲季風(fēng)氣候控制下，產(chǎn)生并攜帶巨量的沉積物，每年向東海輸送(2～5)×106t陸源有機碳[5,49]，對流域生態(tài)環(huán)境和邊緣海的海洋環(huán)境產(chǎn)生重大影響。此外，東海沉積物的來源還包括浙閩沿岸山地型河流(如錢塘江、甌江及閩江)和臺灣河流(如濁水溪)輸入的陸源物質(zhì)(表1)。

表1 東海主要輸入河流概況(據(jù)文獻[50]修改)Table 1 Basic parameters of the major rivers entering the East China Sea(modified from reference[50])

前人研究表明東海內(nèi)陸架沉積過程受海洋水動力條件的控制[5,51-52]。東海內(nèi)陸架具有獨特而復(fù)雜的環(huán)流體系，主要有長江沖淡水(CDW)、浙閩沿岸流(ZMCC)、臺灣暖流(TWC)和黑潮(KC)，它們共同影響著東海沉積物的遷移、分布和沉積(圖2)。高溫、高鹽的臺灣暖流終年沿著浙閩海岸線外50～100 m等深線向東北方向流動，并沿著水下峽谷侵入長江口，年平均流速為14 cm s-1[54-55]。黑潮是太平洋西部的強邊界流，具有高溫、高鹽、高流速的特點，起源于菲律賓以東海域，流經(jīng)我國臺灣東岸、東海東部，向東北流至30°N時受到九州島的阻隔，黑潮左側(cè)的部分水流分離成對馬暖流，其余水流東轉(zhuǎn)流出東海[56-57]。在28°N左右，黑潮次表層水可以侵入到浙閩沿岸，最遠可以到達50 m等深線處，進而影響東海內(nèi)陸架水動力系統(tǒng)[55,57]。

圖2 東海及相鄰海域洋流格局(據(jù)文獻[53]修改)YSCC：黃海沿岸流，CDW：長江沖淡水，ZMCC：浙閩沿岸流，TWC：臺灣暖流，KC：黑潮，TSWC：對馬暖流，CHWC：濟州暖流，YSWC：黃海暖流Fig.2 Current pattern in East China Sea and adjacent waters(modified from reference[53])

2 東海內(nèi)陸架沉積有機碳來源

陸源與海源構(gòu)成了內(nèi)陸架沉積有機碳的主要來源，對于不同來源有機碳的物源追蹤有多種手段，其中常用的經(jīng)典指標(biāo)有有機質(zhì)的元素比值(TOC/TN)、穩(wěn)定碳同位素(δ13C)等[19]。除此之外，生物標(biāo)志化合物(如正構(gòu)烷烴、甾醇類、木質(zhì)素等)由于具有更加敏感與直觀的優(yōu)勢，近些年來得到了廣泛應(yīng)用[5,58-61]。而基于微生物四醚膜脂的支鏈和類異戊二烯四醚指標(biāo)(branched and isoprenoid tetraethers,BIT)與雜環(huán)丁烷多元醇(Bacteriohopanepolyols,BHPs)則可以對邊緣海表層沉積物內(nèi)有機質(zhì)來源進行更加精細的區(qū)分[62-63]。

Kaoet al.[64]對比分析了東海內(nèi)陸架和沖繩海槽南部表層沉積物中有機碳含量及其同位素組成，發(fā)現(xiàn)高有機碳含量區(qū)域呈現(xiàn)從長江口向南延伸，并由近海轉(zhuǎn)向沖繩海槽南部的趨勢，并且沖繩海槽南部沉積物的δ13C值與內(nèi)陸架沉積物接近，由此提出沖繩海槽南部的大部分沉積有機質(zhì)可能源自東海內(nèi)陸架。基于δ13C等指標(biāo)，河流、三角洲和海洋是長江口地區(qū)沉積有機碳物質(zhì)來源的三個端元，并且有機碳來源會受到水動力過程的影響[65]。蒙特卡羅模擬表明，東海內(nèi)陸架超過50%的TOC來自于海洋端元，其次是三角洲端元[66]。而利用長鏈烷烴和甾醇類生物標(biāo)志化合物對東海內(nèi)陸架表層沉積物中有機碳進行物源分析，發(fā)現(xiàn)長江口附近以陸源為主并隨著離岸距離的增加占比減小，長江口外的上升流區(qū)及浙閩沿岸區(qū)以海源有機碳為主[31]。Yaoet al.[5]利用多種指示因子來研究有機碳的來源、分布和組成，但是不同指示物呈現(xiàn)出了不同的分布、來源，表明了綜合使用多種指示因子分析的必要性；基于支持大量生物標(biāo)志化合物數(shù)據(jù)的PCA-MC模型，發(fā)現(xiàn)長江口及其鄰近陸架表層沉積物中，海洋、土壤和陸地有機碳的平均占比分別為35.3%，47.0%和17.6%。此外，東海內(nèi)陸架有機碳分布還有明顯的季節(jié)性，對比分析春、秋兩季東海內(nèi)陸架TOC含量、TOC/TN和δ13C值，Zhouet al.[32]發(fā)現(xiàn)春季平均TOC含量高于秋季，而TOC/TN和δ13C值相差不大；以δ13C為標(biāo)志物作兩元(陸源與海源)模型分析，發(fā)現(xiàn)東海內(nèi)陸架表層沉積物中0～34.6%的沉積有機質(zhì)為陸源(圖3)。

圖3 東海內(nèi)陸架TOC含量(a)(b)、TOC/TN(c)(d)和δ13C值(e)(f)春、秋分布圖(據(jù)文獻[32]修改)Fig.3 Distribution maps of TOC content,TOC/TN andδ13C on the inner shelf of the East China Sea in Spring and Autumn(modified from reference[32])

如前所述，利用全樣分析的方法判斷有機碳來源和比例難免存在偏差，而相較而言，生物標(biāo)志化合物方法具有明顯優(yōu)勢，可以更準確地區(qū)分有機碳物源信息。但是生物標(biāo)志化合物方法也存在自身的弊端，如正構(gòu)烷烴會受到浮游生物中豐富的硅藻、顆石藻以及細菌輸入和細菌改造作用的影響，使其具有不明顯的奇偶優(yōu)勢，混淆其物源指示意義[67]；甾醇化合物的差異雖然能夠指示物源，但是沉降過程中甾烯醇的細菌加氫還原作用也可以產(chǎn)生甾醇，由此會影響其準確性[68-69]。因此，利用多重示蹤方法和多端元模型可以更加準確細致地甄別有機質(zhì)來源。

3 陸源有機碳的沉積和輸運過程

陸源有機質(zhì)在邊緣海的散布過程是有選擇性的，受水動力條件的影響，并主要受顆粒物粒徑、密度、比表面積等因素控制，即粒徑細、密度低的顆粒物質(zhì)可能會隨著波浪和沿岸流等遷移輸運到距離較遠的海域，而粗顆粒、高密度的顆粒物則會優(yōu)先沉積在河口附近[70-72]。而在這一過程中，有機質(zhì)還會受到波浪和海流的動力分選作用，不同來源、年齡和活性的物質(zhì)受侵蝕、搬運和再懸浮的影響而發(fā)生分選或分異，這個過程也使得吸附在顆粒上的不同來源和性質(zhì)的有機碳重新分配(圖4)，進而影響沉積有機碳在邊緣海的分布與埋藏[70-71,74-75]。

3.1 沿岸沉積輸運過程

長江口及鄰近的東海內(nèi)陸架是世界上最大的大河三角洲前緣河口之一，其復(fù)雜的水動力環(huán)境直接導(dǎo)致此處復(fù)雜的有機碳輸運過程。長江輸送來的陸源有機碳在長江沖淡水、沿岸流、風(fēng)暴以及上升流等因素的共同作用下，形成了沿浙閩沿岸向南的輸送路徑，只有很少一部分從河口向北或離岸輸運[52,76]。長江三角洲地區(qū)物質(zhì)輸運具有明顯的季節(jié)性特征：夏季，受夏季風(fēng)影響，沿岸流減弱，北向的黑潮水系增強，同時長江達到汛期，長江沖淡水增強，在這些條件的共同作用下長江輸入的有機質(zhì)大部分優(yōu)先堆積在123°E以西的長江口區(qū)[33,77]；冬季，受冬季風(fēng)影響，已經(jīng)沉積的物質(zhì)發(fā)生再懸浮，懸浮物在浙閩沿岸流的驅(qū)動下向東南輸運，此時東北流向的臺灣暖流仍舊起到了隔擋作用，將陸源物質(zhì)輸運限制在了浙閩沿岸[33,52,76-77]。由此，在中國東海形成了“夏儲冬輸”的宏觀輸運格局[33]，例如，冬季，增強的中國沿岸流將源自長江的細顆粒沉積物帶入底層，與海岸線平行地向南輸送物質(zhì)，形成渾濁狀態(tài)[52]。長江口泥質(zhì)區(qū)和浙閩沿岸的沉積有機碳具有明顯δ13C虧損和較高的TOC/TN值，表明這些地區(qū)沉積有機碳中陸源輸入的顯著貢獻[6]。來自內(nèi)陸架和水下三角洲的細顆粒沉積物受到風(fēng)和潮汐作用發(fā)生再懸浮，并受到水動力作用通過底層霧狀層的夾帶發(fā)生擴散，其中年齡較老的有機碳更容易發(fā)生較長距離的沿岸輸運[78]。

圖4 沉積物粒度(a)、TOC(b)和Σ8木質(zhì)素酚(c)不同組分所占比例分布圖(據(jù)文獻[73]修改)Fig.4 Distribution of(a)different components of sediment size;(b)TOC;and(c)Σ8 lignin phenol(modified from reference[73])

3.2 跨陸架沉積輸運過程

跨陸架輸運在海洋生態(tài)和物質(zhì)循環(huán)中起著重要作用，它也被認為是陸源沉積物從源到匯輸運的關(guān)鍵過程之一[79]。在中國東海30°N以南的區(qū)域，鹽分、微量元素和懸浮沉積物的分布表明存在大規(guī)模的跨陸架輸運[56,80-81]。Yuanet al.[34]基于葉綠素a濃度衛(wèi)星圖像的分析，發(fā)現(xiàn)東海大陸架上存在物質(zhì)的跨陸架輸運，跨陸架穿透鋒面呈舌形，它在近岸地區(qū)具有較寬的根系，并向海變窄(圖5)?？珀懠艽┩镐h面是指從諸如溫度、鹽度、葉綠素a濃度等海洋特性的平均鋒面直接和大范圍地入侵，穿透距離通常超過50 km[82]。郭志剛等[33]對東海北部懸浮體分布研究發(fā)現(xiàn)，冬季在東海北部有部分陸架懸浮體輸送入沖繩海槽，其輸送的主要位置在P-N斷面以北、32°N斷面以南區(qū)域，而夏季基本不存在這一跨陸架輸運。Zhanget al.[35]通過分析表層沉積物粒徑和碎屑礦物成分(圖5)，再次驗證了舌形區(qū)域的存在，其軸線位于29°N附近，從海岸延伸到124°40'E或更遠，這個舌形區(qū)域的沉積物富含非常細的粉砂和粘土，有利于結(jié)合顆粒有機碳，因此可能伴隨著有機碳的跨陸架輸運。最近，對外陸架—斜坡—沖繩海槽表層沉積物的物源分析顯示，斜坡和沖繩海槽的陸源有機碳大部分是從東海內(nèi)陸架輸運而來，進一步證實了陸源有機碳跨陸架輸運的存在[83]。因此，陸源有機碳除了在內(nèi)陸架沉積埋藏，還會通過跨陸架輸運的方式進入到更深的海域，其中相關(guān)的輸運機制和沉積動力過程亟待進一步研究。

3.3 人類活動與極端氣候?qū)τ袡C碳沉積輸運過程的影響

東海內(nèi)陸架有機碳沉積輸運過程除了受浪潮流等自然因素的影響外，人類活動(如河流水庫建設(shè)、流域土地利用變化、海域富營養(yǎng)化等)的干擾強度也越來越大，對大陸邊緣海有機碳循環(huán)產(chǎn)生了重要影響。其中，三峽大壩的興建使得河流中下游懸浮泥沙含量和通量顯著下降，顆粒有機碳(POC)含量從1952—1986年的10.9±2.6 Mt yr-1下降到2003—2008年的1.9±1.0 Mt yr-1[84]，并且河流流量的降低使得黑潮與臺灣暖流的入侵加強，局部物理化學(xué)生態(tài)環(huán)境發(fā)生深刻改變，對區(qū)域有機碳循環(huán)產(chǎn)生了深遠影響[47,85-88]。Wanget al.[89]對比三峽大壩蓄水前后有機碳含量和來源，發(fā)現(xiàn)2018年陸源有機碳沉積通量較2006年驟然減少近一半，三峽大壩的建設(shè)顯著影響著東海有機碳的輸運過程與沉積模式。

圖5 沉積物粒徑和礦物特征揭示的東海跨陸架輸運(據(jù)文獻[35]修改)(CST：Cross-Shelf Transport，跨陸架輸運)Fig.5 Cross-shelf sediment transport in the East China Sea indicated by grainsize and mineral characteristics(modified from reference[35])

除此之外，極端氣候事件(如臺風(fēng)、洪水等)也是影響東海內(nèi)陸架碳循環(huán)非常重要的因素。西北太平洋是熱帶氣旋高發(fā)地之一，臺風(fēng)期間邊緣海沉積物的輸運狀態(tài)發(fā)生巨大改變[90-91]，水體懸沙含量和輸運率可數(shù)倍甚至10倍于平靜天氣，海底表層沉積物也因此發(fā)生再懸浮[92-93]，進而影響沉積物的埋藏和沉積過程。例如，2013年“潭美”登陸后閩江口溶解有機碳(DOC)和顆粒有機碳(POC)含量相比登陸前分別增加了169.3%和138.3%，對區(qū)域有機碳循環(huán)產(chǎn)生了深刻影響[94]。

4 有機碳埋藏與再礦化

大陸邊緣海雖然只占全球海洋面積的20%，但占全球海洋初級生產(chǎn)力的30%以上，占全球有機碳埋藏總量的87%，是碳埋藏的主要場所[2,8,95]。沉積有機碳埋藏能力的大小與區(qū)域沉積有機碳的含量和沉積速率有關(guān)，具體可以通過以下方程式獲得[95]：

OCAR=(C×LSR×ρ×(1-Φ))

有機碳堆積速率(Organic carbon accumulation rates，簡稱OCAR)單位為g C cm-2yr-1，C為沉積物中的TOC含量(%)，ρ為沉積物干密度(g cm-3)，Φ為孔隙率，LSR為線性沉積速率(cm yr-1)，通常由210Pb測得。由于不同區(qū)域沉積物TOC含量和沉積速率不同，有機碳的埋藏速率也有很大的差異(圖6)。除此之外還可以利用生物標(biāo)志化合物(如木質(zhì)素、葉綠素a及其降解產(chǎn)物等)定性研究不同區(qū)域的有機質(zhì)埋藏特點[13]。

東海內(nèi)陸架接收了來自長江的大量有機質(zhì)，同時具有適宜的水動力條件，是一個重要的碳埋藏?zé)狳c區(qū)域[7,96]。Denget al.[97]利用表層沉積物TOC含量、沉積速率以及干密度資料，研究分析了東海陸架不同區(qū)域OCAR，估算得到東海陸架年平均OCAR為14.7 g C cm-2yr-1，其中長江三角洲附近OCAR最高，超過200 g C cm-2yr-1，離岸和向南方向逐漸降低；濟州島南面的泥質(zhì)沉積區(qū)和臺灣東北方向的東海陸架坡折處也具有較高的OCAR(>10 g C cm-2yr-1)，而中陸架砂質(zhì)沉積區(qū)的OCAR較低(<6 g C cm-2yr-1)，陸架上有機碳堆積可能主要受控于河流輸入和黑潮入侵。東海陸架沉積物中有機碳的埋藏通量為每年7.4×106t[97]，其中海源有機碳的埋藏量為5.5×106t，占東海浮游生物固碳量的5.4%[96]。Sunet al.[7]對東海內(nèi)陸架泥質(zhì)區(qū)估算的OCAR范圍為33.8～54.7 g C cm-2yr-1(平均41.2 g C cm-2yr-1)，這些值高于其他邊緣海(如阿拉伯海、路易斯安那內(nèi)陸架及波羅的海)的估計值，表明東海內(nèi)陸架泥質(zhì)區(qū)可能是沉積有機碳的匯。

潮汐、風(fēng)暴、波流等物理過程、河流流量變化、底棲生物擾動等多種因素使得邊緣海具有動蕩的沉積動力環(huán)境，沉積物頻繁地發(fā)生再懸浮和再改造，將已經(jīng)沉積下來并被新的沉積物覆蓋的有機碳再次暴露在氧化或次氧化環(huán)境而發(fā)生再礦化分解[12,98]。在微生物作用下，海源有機碳降解的同時會由于“激發(fā)效應(yīng)”的存在而促進難降解的陸源有機碳的降解，最終只有30%左右的陸源有機碳和10%左右的海源有機碳能被埋藏在底層沉積物中[12,98-100]。長江口與亞馬遜河口、巴布亞灣弗萊河口及密西西比河口等具有移動泥(mobile mud)區(qū)的大河河口相似(圖6)，都具有高沉積速率和低有機碳保存效率的特征[6]。

圖6 不同沉積環(huán)境中有機碳的埋藏保存效率(據(jù)文獻[18]修改)Fig.6 Buried and preserved efficiency of organic carbon in different sedimentary environments(modified from reference[18])

在早期成巖過程中，有機碳礦化無疑是一個十分重要的過程，這一過程使得有機質(zhì)經(jīng)由再礦化轉(zhuǎn)化成了無機形式，構(gòu)成碳生物地球化學(xué)循環(huán)中的重要一環(huán)[13,51,101-102]。有機質(zhì)再礦化又包含了若干過程，在穩(wěn)態(tài)環(huán)境中，按照吉布斯自由能大小，有機質(zhì)礦化先后經(jīng)過有氧呼吸、反硝化、錳鐵氧化物還原、硫酸鹽還原和CO2還原等過程，構(gòu)成沉積物剖面上理想的氧化還原序列[102-103(]圖7)。在邊緣海有機質(zhì)礦化過程中，硫酸鹽還原是有機質(zhì)礦化最主要的途徑，可以占陸架邊緣海沉積環(huán)境中有機質(zhì)礦化的一半以上[105-106]。此外，異化鐵還原在東海內(nèi)陸架泥質(zhì)沉積物的成巖過程中也非常重要[37]。但是在現(xiàn)實環(huán)境中，沉積物經(jīng)常受到再懸浮、生物擾動、事件沉積等因素的影響，使得氧化還原帶相互重疊或缺失，形成非穩(wěn)態(tài)的沉積成巖環(huán)境[107-109]。

目前常用的有機碳再礦化速率測定方法有兩種，分別基于O2消耗速率和CO2產(chǎn)生速率[98]。通過測定沉積物—水界面溶解氧含量，計算從上覆水向沉積物的O2擴散通量，將其作為有機碳氧化所消耗的O2速率，然后按照C106∶O138的比例將其轉(zhuǎn)化成CO2的產(chǎn)生速率，并以此來代表有機碳的再礦化速率[110-111]。但是這種方法更適合靜態(tài)沉積的大洋區(qū)域，對于水動力活躍的邊緣海不合適[13]。反之，通過培養(yǎng)的方法，測定沉積物樣品ΣCO(2DIC)的生產(chǎn)速率，可以用于研究邊緣海有機碳的再礦化速率，甚至可以通過測定沉積物間隙水中CO2的δ13C進行物源分析，從而區(qū)分不同物源有機碳的再礦化速率[13]。Yaoet al.[28]研究發(fā)現(xiàn)長江口及浙閩泥質(zhì)區(qū)沉積有機碳保存效率相比熱帶地區(qū)很低，長江口沉積物的全柱樣(0～24 cm)孔隙水ΣCO2的凈反應(yīng)速率為5.1 mmol m-2d-1，上15 cm沉積物的凈反應(yīng)速率為9.3 mmol m-2d-1，下層的消耗速率為4.2 mmol m-2d-1，近似于主要陽離子的消耗速率，這意味著有機碳再礦化產(chǎn)生的CO2推動了碳酸鹽和粘土礦物的自生，促進了反風(fēng)化作用[112]。邊緣海移動泥在有機碳再礦化方面也發(fā)揮了獨特的作用，被稱為有機質(zhì)的“焚燒爐”[113]。

除了原位觀測和培養(yǎng)的方法可以示蹤有機質(zhì)礦化之外，沉積物環(huán)境磁學(xué)的信號也可以指示有機質(zhì)礦化過程和成巖路徑。有機質(zhì)礦化過程伴隨著磁性礦物的演化(圖7)[38-39]，在鐵氧化物還原階段，亞鐵磁性的氧化物(如磁鐵礦)在還原環(huán)境中發(fā)生溶解，在異化鐵還原菌的作用下溶解釋放的Fe3+被還原成Fe2+[37-38]；在硫酸鹽還原階段，F(xiàn)e2+與H2S反應(yīng)形成鐵硫化物，其中在水溶液中最先出現(xiàn)的是四方硫鐵礦，后又形成不穩(wěn)定的磁黃鐵礦和膠黃鐵礦，最終形成還原條件下最穩(wěn)定的黃鐵礦[38,114-115]，以上演化過程反映了異化鐵和硫酸鹽還原過程對有機質(zhì)的消耗。Kaoet al.[114]根據(jù)主要的磁性礦物組合(膠黃鐵礦、磁黃鐵礦和磁鐵礦為主)對臺灣西南部兩個沉積序列劃分了不同的地層帶，發(fā)現(xiàn)膠黃鐵礦和磁黃鐵礦與細粒沉積物密切相關(guān)，而磁鐵礦在粗粒沉積物中更為豐富，說明細粒物質(zhì)有利于有機質(zhì)參與的硫酸鹽還原反應(yīng)的進行。Zhenget al.[39]對東海內(nèi)陸架MD06-3040巖芯中的磁性礦物分析發(fā)現(xiàn)，從巖芯頂部到3.5 m亞鐵磁性(磁鐵礦)逐漸減少，可能受到異化鐵還原的影響；在8.45～9 m處磁性礦物粒徑變粗、磁性礦物含量下降，指示硫酸鹽—甲烷厭氧氧化過程生成的硫化環(huán)境。有機質(zhì)礦化過程會影響沉積物中磁性礦物成巖作用(圖7)，尤其是會受沉積速率的影響[115-117]。例如，東海內(nèi)陸架泥質(zhì)區(qū)內(nèi)MD06-3042巖芯沉積物受到突變沉積速率的影響，形成了兩層SMT[117]，揭示沉積速率是控制有機質(zhì)礦化和成巖過程的重要因素。

圖7 理想狀態(tài)下有機質(zhì)礦化序列及其形成的氧化還原帶和相關(guān)的自生礦物(據(jù)文獻[104]修改)Fig.7 Ideal sequence of organic matter mineralization,redox zone and related authigenic minerals(modified from reference[104])

5 長時間尺度的沉積有機碳記錄

有機碳作為地球化學(xué)研究的常用指標(biāo)，特別是全樣的δ13C、TOC/TN以及單分子組成和同位素特征常用于指示海平面變化、古環(huán)境重建、恢復(fù)海洋生產(chǎn)力和季風(fēng)演化過程等多方面研究[14-16,19]。古海平面的恢復(fù)通常是通過生物學(xué)和物理指標(biāo)(如花粉，硅藻，有孔蟲，顆粒大小等)相結(jié)合來實現(xiàn)的[118-119]。例如，時小軍等[120]利用海南島東部瓊海的珊瑚礁記錄恢復(fù)了中晚全新世高海平面，在距今5 500～5 200年前的海平面可能比如今海平面高出2.0～2.2 m。但是在某些情況下，沉積物中微化石可能很少或不存在，此時有機碳的地化指標(biāo)δ13C、TOC/TN便成為更好的選擇[15]。由于光合作用類型的不同，使得植物分為C3、C4和CAM三種類群并具有不同的碳同位素組成，進而導(dǎo)致生物鏈及其衍生物碳同位素的不同，這就賦予了碳同位素重建某一地區(qū)或某一時期古環(huán)境的能力[121]。Goslinet al.[122]利用地化指標(biāo)δ13C、TOC、TN在法國布列尼塔沼澤恢復(fù)的全新世海平面位置與使用傳統(tǒng)古生物化石獲得的位置高度吻合。對東海內(nèi)陸架EC2005巖芯的研究也發(fā)現(xiàn)利用有機碳δ13C和TOC/TN可以很好地區(qū)分環(huán)境的演化(圖8)[123]：東海內(nèi)陸架在16.4 ka以來從陸地環(huán)境轉(zhuǎn)變到海陸過渡環(huán)境，并最終形成現(xiàn)代內(nèi)陸架泥質(zhì)沉積環(huán)境。但綜合分析δ13C、TOC/TN在沿海環(huán)境(如河口、潟湖、海灣和隔離盆地)古環(huán)境重建中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)部分示例δ13C、TOC/TN值可能會受到浮游生物、有機質(zhì)分解等因素的影響[15]，因此，通過多種方法綜合重構(gòu)古環(huán)境會更加準確。

圖8 東海內(nèi)陸架EC2005巖芯不同時期有機質(zhì)來源(據(jù)文獻[123]修改)Fig.8 Source of organic matter in core EC2005 during different stages(modified from reference[123])

海水中有機碳的通量與初級生產(chǎn)力之間呈正相關(guān)，因此沉積物中有機碳的累積率被認為是表層海水中初級生產(chǎn)力的直接標(biāo)志[124-125]。除此之外，有機碳還可以用來恢復(fù)季風(fēng)演化過程，有機碳含量及堆積速率會受到季風(fēng)的控制，其變化可以指示季風(fēng)的強度[126]。蔡德陵等[124]利用東?，F(xiàn)代沉積物中有機碳穩(wěn)定同位素組成得到了海源有機碳與古生產(chǎn)力指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系。Huet al.[16]分析了東海內(nèi)陸架的柱樣(圖9，THB-2，120.51°E，25.87°N)，發(fā)現(xiàn)3.6～0.8 ka河流輸入有機質(zhì)百分比隨東亞夏季風(fēng)的強度一起變化，而在最近800年季風(fēng)氣候和人類活動的共同作用控制著長江河流有機碳在東海內(nèi)陸架的輸運和埋葬。東海內(nèi)陸架泥質(zhì)區(qū)有機質(zhì)礦化的硫酸鹽還原過程可以導(dǎo)致自生黃鐵礦的形成，并且伴隨著黃鐵礦的再氧化生成了自生石膏，說明有機碳埋藏過程伴隨著C-S-Fe循環(huán)[51]。因此，利用有機碳及相關(guān)生物地球化學(xué)的沉積信號不僅可以恢復(fù)長時間尺度(地質(zhì)歷史時期)東海內(nèi)陸架沉積環(huán)境的演化，還能進一步闡明東海沉積物內(nèi)元素地球化學(xué)循環(huán)過程，可以開展多指標(biāo)、跨學(xué)科的研究，提供邊緣海有機碳研究的新視角。

圖9 東海西北部冬季(a)和夏季(b)水動力與養(yǎng)分示意圖，(c)THB-2中河流有機質(zhì)占比，(d)董哥洞石筍δ18O記錄，上升流強度控制的(e)δ15N和(d)δ15NMOM硝酸鹽利用率(據(jù)文獻[16]修改)Fig.9 Schematic of hydrodynamics and nutrients:(a)in Winter,and(b)in Summer in the northwestern ECS;(c)proportion of organic matter in rivers in THB-2;(d)δ18O record of Dongge cave stalactites;(e)δ15N;and(f)δ15NMOM nitrate utilization rate(modified from reference[16])

6 總結(jié)與展望

東海內(nèi)陸架獨特的沉積體系，特別是泥質(zhì)沉積區(qū)沉積物的源—匯過程受到越來越多的關(guān)注，與細粒沉積物相關(guān)的C-S-Fe生物地球化學(xué)過程也被日益重視。本文嘗試用沉積學(xué)的角度梳理東海內(nèi)陸架有機碳物源、輸運、埋藏等方面的研究進展?？傮w來看，目前對于不同來源、不同類型沉積有機碳沉積過程和沉積記錄已有較好的研究基礎(chǔ)，但在如下方面的工作還有待進一步深入：

(1)目前關(guān)于東海內(nèi)陸架有機碳來源雖然已有大量成果，但其中大多只進行了陸源與海源的劃分，而對于不同端元的進一步識別(比如陸源有機碳又可以分為植物和土壤來源)相對較少，需借助新的技術(shù)手段，開展更精細的研究。

(2)目前對于東海沉積有機碳的跨陸架輸運，更多的是從物源角度證明了跨陸架輸運的存在，而對于跨陸架輸運是否存在季節(jié)性及相關(guān)的沉積動力學(xué)機制仍不甚清楚，需要加強現(xiàn)代沉積動力過程的觀測與模擬工作。

(3)人類活動(例如大壩建設(shè)、土地利用、水體富營養(yǎng)化)明顯影響東海內(nèi)陸架有機碳的沉積過程，進而影響碳循環(huán)及海洋生態(tài)系統(tǒng)，需要進一步的研究。伴隨著極端氣候事件的頻發(fā)，臺風(fēng)和洪水等極端氣候事件對有機碳的沉積過程和沉積記錄影響的研究亟待加強。

(4)非穩(wěn)態(tài)環(huán)境內(nèi)有機碳再礦化過程，以及相關(guān)的自生礦物(例如自生黃鐵礦和碳酸鹽礦物)及反向風(fēng)化作用(例如粘土礦物的生成)等生物地球化學(xué)過程，需要開展跨學(xué)科的綜合研究。

(5)有機碳相關(guān)的指標(biāo)在古環(huán)境重建等方面具有很好的應(yīng)用前景，但目前在東海內(nèi)陸架及相鄰海域的研究還相對偏少。同時，研究長時間尺度上的內(nèi)陸架有機碳對沉積環(huán)境的響應(yīng)，能為預(yù)測未來氣候變化對內(nèi)陸架有機碳歸宿的影響提供地質(zhì)依據(jù)。