近日，中国海洋大学海洋化学教育部重点实验室于志刚教授课题组与美国佛罗里达大学Thomas S. Bianchi教授、自然资源部第一海洋研究所王保栋研究员等团队合作，在环境领域TOP期刊《Science of the Total Environment》（中科院一区，2022年影响因子9.8）发表了题为“Effects of seasonal deposition-erosion cycle on sedimentary organic carbon remineralization and oxygen consumption in a large-river delta-front estuary”的研究成果，揭示了大河河口的氧债效应。

大河河口通常存在季节性的沉积-侵蚀循环，然而这种季节性的沉积动力过程对河口元素循环的影响目前还了解较少。该研究在长江口-东海内陆架不同区域、不同季节（冬季和夏季）开展了沉积物溶解氧（DO）消耗通量和溶解无机碳（DIC）产生通量的测定，结合沉积物间隙水溶质剖面（DIC、NH₄⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、SO₄^2-）的分析，研究了长江口季节性的沉积-侵蚀循环对有机碳降解和溶解氧消耗的影响。

图1. 采样站位图

结果显示，河口移动泥区夏季DIC的产生通量显著高于DO的消耗通量，呼吸熵（RQ，DIC产生通量与DO消耗通量的比值）较高，而冬季则相反。长江口夏季水体DO含量较低，存在强烈的沉积有机碳的厌氧再矿化作用，即在DO快速耗尽之后，更多进行以铁锰氧化物、硫酸盐等为电子受体的厌氧分解，使大量的降解产物（Fe²⁺和Mn²⁺）在沉积物中积累；在冬季，不仅有机碳的降解消耗DO，同时河口沉积物侵蚀的发生使得本来处于沉积物深层次的降解产物发生氧化，消耗了大量的DO（图2）。

图2. 长江口不同季节（a）沉积物DO消耗通量和DIC产生通量，（b）呼吸熵（RQ）和（c）RDA分析结果。

以上结果证明了长江口-东海内陆架存在氧债效应，即夏季DO的消耗欠债，以有机碳降解产物的形式在沉积物中积累下来；而冬季还债，即夏季积累下来的降解产物发生氧化，消耗DO（图3）。

图3. 长江口-东海内陆架氧债效应示意图

基于测定的沉积物DO消耗通量和DIC的产生通量，结合历史文献数据，该研究在长江口建立了不同季节的沉积有机碳的收支模型。结果显示，夏季长江口水体温度较高，沉积有机碳的降解通量在水体和沉积物中都高于冬季；但是，夏季沉积物耗氧仅占总耗氧（水体+沉积物）的~15%，而冬季沉积物耗氧占总耗氧（水体+沉积物）的~48%，这主要归因于冬季深层次沉积物中降解产物的氧化（图4）。另外，冬季的侵蚀作用也使得深层次的沉积有机碳进入水体，再次发生降解并消耗氧气。

图4. 长江口（a）夏季和（b）冬季沉积有机碳的收支模型

    从全球范围来看，河口和近岸沉积物（水深小于50m）的DIC产生通量和DO消耗通量存在显著的季节变化。在夏季，河口DIC产生通量高于DO消耗通量，RQ值较高，而其他季节正好相反，这表明“氧债效应”可能在河口和近岸是普遍存在的（图5）。

图5. 全球范围海洋沉积物（a）DIC产生通量、（b）DO消耗通量、（c）RQ值的分布；不同海洋环境中沉积物（d）DIC产生通量与DO消耗通量的关系和（e）RQ值的分布

该研究系首次系统研究大河河口的氧债效应，有助于更好地认识大河河口沉积动力过程对碳、氧等元素循环的影响。自然资源部第一海洋研究所赵彬副研究员是第一作者，中国海洋大学姚鹏教授为通讯作者，研究受到国家自然科学基金（42076034; 42006041; 41876085）等资助。

文章信息：

Bin Zhao, Peng Yao*, Qinsheng Wei, Thomas S. Bianchi, Emily Watts, Baodong Wang, Zhigang Yu. Effects of seasonal deposition-erosion cycles on sedimentary organic carbon remineralization and oxygen consumption in a large-river delta-front estuary. Science of the Total Environment, 2024, 916, 170377. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.170377