近日，海化重点实验室于志刚教授课题组与中国海洋大学王旭晨教授、美国佛罗里达大学Thomas S. Bianchi教授和英国斯特灵大学Christian Schröder教授等团队合作，在地学领域Top期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》（2022 JCR IF=5.92）发表了题为“Preferential preservation of pre-aged terrestrial organic carbon by reactive iron in estuarine particles and coastal sediments of a large river-dominated estuary”的研究成果，揭示了大河流域、河口及边缘海铁结合态有机碳的迁移转化过程和控制机制。
与活性铁（FeR）结合是海洋环境中有机碳（OC）长期保存的关键因素之一，但前期研究多针对陆地土壤和海洋沉积物，对于OC-FeR复合物从土壤到河流颗粒物，再到河口沉积物的迁移转化过程还不清楚，制约了对FeR在OC保存过程中作用的认识。该研究在长江口沿河口盐度梯度采集了悬浮颗粒物和表层沉积物（图1），测定了样品中粒度组成、比表面积、有机碳及其同位素组成（δ13Cbulk和∆14Cbulk）、木质素、FeR结合的有机碳（OC-FeR）及其同位素组成（δ13COC-FeR和∆14COC-FeR），铁的穆斯堡尔谱等参数，并结合前人针对长江流域土壤和浙闽沿岸泥质区表层沉积物的相关结果，研究了OC-FeR复合物由陆地到海洋的迁移转化过程。
图1.采样站位
结果表明，长江口悬浮颗粒物中FeR和OC的含量（FeR = 238.3 ± 59.0 μmol/g，POC = 0.87 ± 0.19%）显著高于河口表层沉积物中的含量（FeR = 93.2 ± 45.0 μmol/g，SOC = 0.34 ± 0.19%），且悬浮颗粒物的表底层差异较小，表明河口铁还原作用主要发生在沉积物中，且有大量有机碳在沉积物中发生降解。颗粒物中OC-FeR占总有机碳的比例（fOC-FeR= 6.6 ± 1.9%），与泥质区沉积相近（fOC-FeR= 8.8 ± 1.8%），显著低于内河口（fOC-FeR= 20.0 ± 5.0%）和东海陆架（fOC-FeR= 14.1 ± 3.3%）沉积物。从河口颗粒物到移动泥沉积物OC-FeR的含量无显著变化，但是不与FeR结合的OC（non-OC-FeR）显著降低，表明陆源OC-FeR具有较高的稳定性（图2）。
图2.长江口颗粒物和沉积物中有机碳-活性铁复合物参数分布
总体上，长江口颗粒物和沉积物中δ13COC-FeR和∆14COC-FeR较总有机碳的δ13Cbulk和∆14Cbulk更加亏损，表明FeR主要与预陈化土壤来源的有机碳结合（图3），与FeR的结合可能是陆源有机碳，特别是陆源老碳在海洋环境中保存的潜在机制。赤铁矿与顺磁性高价铁的比值（反映铁氧化物的结晶度，比值越高代表结晶度越大）与∆14Cbulk和∆14COC-FeR具有显著的负相关关系，表明结晶度高的铁矿物主要与年龄较老的有机碳结合，说明铁氧化物和与其结合的有机碳的老化是同时发生的（图4）。
图3.长江口颗粒物和沉积物中总有机碳和铁结合态有机碳的同位素组成
图4.长江口颗粒物和沉积物中赤铁矿与顺磁性高价铁的比值与∆14Cbulk和∆14COC-FeR的关系
从长江流域土壤到河口颗粒物，OC-FeR比例显著降低，而河口颗粒物与泥质沉积物中的比例并无显著差异，表明OC-FeR比例的变化可能主要发生在从集水盆地到河流或河流输运过程中，而进入陆架之后，与FeR结合的有机碳逐渐被替换成海源有机碳（图5）。从全球角度来说，决定陆地土壤和海洋沉积物中OC-FeR比例的主要因素并不是FeR和OC的含量，而是沉积环境、有机碳来源和活性铁的组成等因素（图6）。
图5.从长江流域到河口、浙闽沿岸和冲绳海槽铁结合态有机碳组成的变化
图6.全球陆地土壤和海洋沉积物中铁结合态有机碳比例（fOC-FeR）分布
该研究系首次对河口颗粒物中铁结合态有机碳的含量和同位素组成进行分析，进一步证实了活性铁对陆源有机碳的选择性保存作用，对于更好地认识陆源有机碳在海洋环境中的归宿有重要意义。博士后赵彬为第一作者，姚鹏教授为通讯作者。研究受到国家自然科学基金青年基金（42006041）、面上项目（42076034）和国际(地区)合作与交流项目（41620104001）等资助。文章信息：Bin Zhao, Peng Yao*, Thomas S. Bianchi, Xuchen Wang, Michael R. Shields, Christian Schröder, Zhigang Yu. Preferential preservation of pre-aged terrestrial organic carbon by reactive iron in estuarine particles and coastal sediments of a large river-dominated estuary. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2023. https://doi.org/10.1016/j.gca.2023.01.023.
