近日，中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室姚鹏教授课题组在环境领域TOP期刊《Water Research》（中科院一区，2024年影响因子11.4）发表了题为“Sediment porewaters serve as a transient organic carbon pool at the land-ocean interface”的研究成果，揭示了大河河口及邻近边缘海沉积物间隙水作为溶解有机碳碳库的重要作用。
有机碳在陆-海界面的迁移、转化和埋藏是全球海洋碳循环的重要组成部分，了解该区域有机碳的源汇过程及其控制机制对于理解碳的生物地球化学循环至关重要。然而，目前很少有研究关注河口及邻近边缘海沉积物间隙水中溶解有机物（DOM）的迁移转化过程。课题组在长江口及邻近海域采集了20根箱式柱状样，测定了沉积物中的固相有机碳（SOC）及其稳定同位素组成、间隙水中溶解无机碳（DIC）、溶解有机碳（DOC）和有色溶解有机物（CDOM）等参数，研究了河口不同沉积环境下间隙水DOM的来源、分布、迁移转化和积累，揭示了陆海界面沉积物间隙水作为“溶解有机碳的巨大暂存碳库”的重要作用。
图1. 采样站位图。（CMA：长江口泥质区，ZMMA：浙闽沿岸泥质区，SA：砂质区）
研究发现，长江口及邻近海域不同沉积环境下SOC的降解程度不同。铁、锰还原作用是泥质区SOC降解的主要途径，这是由于长江来源大量的活性铁在此沉积，并且河口移动泥频繁的物理扰动加速了铁、锰的氧化还原循环，加强了SOC的降解。而砂质区SOC的降解则主要通过有氧呼吸作用进行，这主要归因于砂质区沉积物的高渗透性和相对稳定的沉积环境（图2）。
图2. 长江口泥质区（CMA）、浙闽沿岸泥质区（ZMMA）和砂质区（SA）间隙水中DIC、DOC、CDOM及其他溶质的相关性分析。
由于强烈的再矿化作用，泥质区SOC降解程度较高，SOC被直接降解为DIC；而砂质区SOC降解程度较低，SOC主要被降解为DOC，并积累在间隙水中（图3）。泥质区间隙水中有机质的腐殖化指数（HIX）高于砂质区，表明间隙水中存在更多经过成岩作用改变的陆源有机质。泥质区间隙水中的陆源组分（C1）占主导地位，进一步表明沉积物间隙水中保存较多难降解的类腐殖质有机物。与泥质区相比，砂质区沉积物间隙水具有较高的a350值和生物指数（BIX）值，表明该区域间隙水中DOC活性较高（图4）。
图3. 长江口及邻近海域沉积物间隙水中有机碳参数关系图
图4. 长江口泥质区（CMA）、浙闽沿岸泥质区（ZMMA）和砂质区（SA）间隙水中DIC、DOC、CDOM及其他溶质的分布
进一步地，该研究评估了长江口-东海陆架沉积物及间隙水中不同形态碳储量的大小。结果显示，长江口-浙闽沿岸泥质区上层30厘米沉积物间隙水中单位面积DIC储量（19.2 t/km2）略高于DOC（15.9 t/km2）。与之相反，长江口外和东海陆架砂质区上层30厘米沉积物间隙水中DOC储量（28.5 t/km2）显著高于DIC（14.8 t/km2）（图5）。简单地估算表明，泥质区上层30厘米沉积物间隙水中DOC总储量为9.7 t（以碳计），仅占整个东海水体DOC储量的2.5%，而砂质区则为239 t，约占60%，表明沉积物间隙水，尤其是砂质区沉积物是一个巨大的DOC储库。然而，由于泥质区沉积物容易发生再悬浮，而砂质区沉积物具有高的可渗透性，沉积物间隙水中的DOC与上层水体之间可能存在可观的交换过程，因此，沉积物间隙水可被认为是陆-海界面重要的DOC暂存碳库（图5）。
图5. 泥质区和砂质区有机碳降解过程和碳储量示意图
从全球范围来看，在具有移动泥的区域（如CMA、ZMMA和亚马逊河口），沉积物间隙水中的DIC储量均显著高于DOC储量，显示其SOC降解程度相对较高。与之相反，在相对稳定的沉积环境（如长江口外砂质区、黄河口、珠江口、南海、南黄海泥质区、楚科奇海和海马冷泉）中，SOC降解程度相对较低，沉积间隙水中的DOC储量均显著高于DIC储量，这进一步证明了在相对稳定的沉积环境中，沉积物间隙水是重要的DOC暂存碳库（图6）。
图6. 不同沉积环境碳储量比较
陆-海界面沉积物间隙水不但储存了大量DOC，而且这些DOC相对来说具有较高的生物活性，尤其是砂质沉积物和其他稳定沉积环境沉积物的间隙水。这些高活性的沉积物间隙水DOC的迁移转化，特别是向上层水体的输送可能会对水体中DOC的含量、活性和循环过程产生重要影响，并进一步影响海洋生态环境，值得开展深入研究。
中国海洋大学海洋化学专业博士生李康为第一作者，自然资源部第一海洋研究所赵彬副研究员和中国海洋大学姚鹏教授为共同通讯作者，研究受到国家自然科学基金（42076034; 42376046）等资助。
文章信息：Kang Li, Bin Zhao*, Lulu Han, Tintian Ge, Nan Wang, Peng Yao*. Sediment porewaters serve as a transient organic carbon pool at the land-ocean interface. Water Research, 2024, 263, 122151.
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122151
