再悬浮沉积物是海洋深层惰性溶解有机质的潜在来源

海洋溶解有机质(DOM)的储量约为662Pg, 是地球上最大的碳储库之一(Hansell, 2013). 海洋中的DOM主要来源于河流输入、海洋气溶胶沉降以及邻近大陆架的输入, 也可通过物理过程(如解吸和转移)以及微生物过程产生和转化. 由于其稳定性和较长的反应时间, 这些DOM难以迅速降解, 因此被归类为惰性溶解有机质(RDOM; Hansell, 2013). 由于RDOM被认为是具有较长周转周期的惰性碳, 理解其来源及形成机制对于阐明海洋长期碳循环具有重要意义. 然而, 由于海洋物理过程的复杂性等原因, RDOM的潜在来源及其循环机制仍未得到充分认识.

我们认为, RDOM在整个水柱中表现出相似的组成, 并且其Δ¹⁴C值随深度增加而降低, 这可能受到沉积物再悬浮等物理过程的影响. 最新研究表明, 沉积物再悬浮通过物理和生物化学过程促使矿物结合的有机质从表层沉积物释放进入上覆水体(Komada等, 2002; Dadi等, 2017; Liu等, 2024). 由于表层沉积物中的有机质经历了充分的降解, 导致转移到水体中的有机质可能包含更多降解程度较高且更难降解的成分. Paradis等(2023)总结指出, 海洋表层沉积物中的Δ¹⁴C值范围为–200‰~–1000‰, 而深海环境中RDOM的Δ¹⁴C值范围为(–385±6)‰~(–537±7)‰, 这意味着源自表层沉积物的RDOM可能是深海RDOM的端元之一. 此外, 沉积物再悬浮的影响时间和空间范围广泛. 例如, 悬浮的沉积物可以在海底上方持续数周至数月, 并延伸数十至数百米(Canuel和Hardison, 2016; Ziervogel等, 2016; Seo等, 2022). Hwang等(2010)估计, 沉积物再悬浮将约35%具有Δ¹⁴C耗竭特征的沉积有机质输送到深水中. 这些现象表明, 沉积物再悬浮可能通过将RDOM转移到深海水柱中, 成为具有Δ¹⁴C耗竭特征的RDOM的关键来源之一(图1, 路径①).

Bao等(2018)研究了从渤海和黄海的内陆架到华盛顿边缘区域, 跨越30km至500km范围内表层沉积物碳的老化情况, 发现其老化程度从数百年至数千年不等. 研究表明, 表层沉积物在海洋环流的影响下, 在横向运输过程中释放出更多具有Δ¹⁴C耗竭特征的DOM(Bao等, 2018, 2019). 这一结果支持了Bercovici等(2018)的研究, 即RDOM在海洋温盐环流过程中逐渐老化. 此外, 洋流作为强大的输送动力, 驱动这些来源于表层沉积物的RDOM在数百公里甚至更远的范围内的分布(图1, 路径②).

White等(2023)发现RDOM在整个水柱中的组成相似, 并提出上层海洋输入的RDOM在整个海洋中具有相似的内在化学组成, 形成了一个“背景”RDOM储库. 事实上, 在边缘海和远洋中, 水动力过程可能通过不同路径促成不同深度RDOM组成的相似性. 在边缘海, 水动力过程的影响可能延伸至表层. 例如, Seo等(2022)基于黄海和东海大陆架区域的三端元混合模型估计, 水动力过程将约18%的沉积有机质输送至表层水. 这表明, 水动力过程不仅能增强整个水柱的混合, 还能提供来自再悬浮沉积有机质的, 具有相似组成的RDOM(图1, 路径③). 在远洋环境中, 表层沉积物中的有机质主要来自上层海洋光合作用形成的颗粒物沉降(Berner, 2003). 因此, 在沉积物再悬浮过程中, 表层沉积有机质转移到水体中的RDOM, 与上层颗粒有机质转化形成的RDOM组成相似. 此外, 由复杂地形(如深海脊和海山)引发的强烈湍流、混合和上升流, 可能从海山和海脊的基部一直延伸至峰顶附近(Mashayek等, 2024). 这意味着, 这些水动力过程在远洋环境中也可以将再悬浮的表层沉积物输送至几乎整个水柱. 这与White等(2023)报道的RDOM在整个水柱中化学组成相似的现象一致.

总之, White等(2023)的研究为理解RDOM在整个水柱中的特性提供了全面的视角, 并提出了RDOM可能的来源. 然而, 我们认为, 沉积物再悬浮, 以及其横向和垂直输运等物理过程也可能是海洋中RDOM的重要来源. 这些过程将RDOM从表层沉积物转移到水柱中, 并促进其在水体中的混合(图1). 这些水动力过程最终导致RDOM的Δ¹⁴C值随深度增加而降低, 并使RDOM在整个水柱中的组成趋于相似. 此外, 我们注意到, 量化沉积物再悬浮对RDOM的贡献对于深入理解其循环至关重要. 因此, 应在具有强烈水动力过程的典型海域(如沿海和复杂地形与洋流相互作用的远洋)中进行更多关于沉积物再悬浮过程中沉积有机质溶解和转化的现场观测.

中文出版信息:

刘晓晴, 包锐. 2024. 再悬浮沉积物是海洋深层惰性溶解有机质的潜在来源. 中国科学: 地球科学, 54(11): 3674–3676

Liu X, Bao R. 2024. Resuspended sediment in marine bottom water as a potential source for refractory dissolved organic matter. Science China Earth Sciences, 67(11): 3638–3640, https://doi.org/10.1007/s11430-024-1430-2

[1] Bao R, Uchida M, Zhao M, Haghipour N, Montlucon D, McNichol A, Wacker L, Hayes J M, Eglinton T I. Organic carbon aging during across‐shelf transport. Geophys Res Lett , 2018 , 45: 8425 -8434

[2] Bao R, Zhao M, McNichol A, Galy V, McIntyre C, Haghipour N, Eglinton T I. Temporal constraints on lateral organic matter transport along a coastal mud belt. Org Geochem , 2019 , 128: 86 -93

[3] Berner R A. The long-term carbon cycle, fossil fuels and atmospheric composition. Nature , 2003 , 426: 323 -326

[4] Bercovici S K, Koch B P, Lechtenfeld O J, McCallister S L, Schmitt‐Kopplin P, Hansell D A. Aging and molecular changes of dissolved organic matter between two deep oceanic end-members. Glob Biogeochem Cycle , 2018 , 32: 1449 -1456

[5] Canuel E A, Hardison A K. Sources, ages, and alteration of organic matter in estuaries. Annu Rev Mar Sci , 2016 , 8: 409 -434

[6] Coppola A I, Wagner S, Lennartz S T, Seidel M, Ward N D, Dittmar T, Santín C, Jones M W. The black carbon cycle and its role in the Earth system. Nat Rev Earth Environ , 2022 , 3: 516 -532

[7] Dadi T, Wendt-Potthoff K, Koschorreck M. Sediment resuspension effects on dissolved organic carbon fluxes and microbial metabolic potentials in reservoirs. Aquat Sci , 2017 , 79: 749 -764

[8] Hansell D A. Recalcitrant dissolved organic carbon fractions. Annu Rev Mar Sci , 2013 , 5: 421 -445

[9] Hwang J, Druffel E R M, Eglinton T I. Widespread influence of resuspended sediments on oceanic particulate organic carbon: Insights from radiocarbon and aluminum contents in sinking particles. Glob Biogeochem Cycle , 2010 , 24: GB4016

[10] Komada T, Schofield O M E, Reimers C E. Fluorescence characteristics of organic matter released from coastal sediments during resuspension. Mar Chem , 2002 , 79: 81 -97

[11] Liu X, Lan C, Zhu L, Yan C, Wang N, Chen H, Zheng G, Che Y, Yang Z, Bao R. Sediment resuspension as a driving force for organic carbon transference and rebalance in marginal seas. Water Res , 2024 , 257: 121672

[12] Mashayek A, Gula J, Baker L E, Naveira Garabato A C, Cimoli L, Riley J J, de Lavergne C. On the role of seamounts in upwelling deep-ocean waters through turbulent mixing. Proc Natl Acad Sci USA , 2024 , 121: e2322163121

[13] Paradis S, Nakajima K, van der Voort T S, Gies H, Wildberger A, Blattmann T M, Bröder L, Eglinton T I. 2023. The Modern Ocean Sediment Archive and Inventory of Carbon (MOSAIC): Version 2.0. Earth Syst Sci Data.Google Scholar

[14] Seo J, Kim G, Hwang J. Sources and behavior of particulate organic carbon in the Yellow Sea and the East China Sea based on ¹³C, ¹⁴C, and ²³⁴Th Front Mar Sci , 2022 , 9: 793556

[15] White M E, Nguyen T B, Koester I, Lardie Gaylord M C, Beman J M, Smith K L, McNichol A P, Beaupré S R, Aluwihare L I. Refractory dissolved organic matter has similar chemical characteristics but different radiocarbon signatures with depth in the marine water column. Glob Biogeochem Cycle , 2023 , 37: e2022GB007603

[16] Ziervogel K, Dike C, Asper V, Montoya J, Battles J, D׳souza N, Passow U, Diercks A, Esch M, Joye S, Dewald C, Arnosti C. Enhanced particle fluxes and heterotrophic bacterial activities in Gulf of Mexico bottom waters following storm-induced sediment resuspension. Deep Sea Res Part II-Topical Stud Oceanogr , 2016 , 129: 77 -88