西北太平洋边缘海溶解黑碳的保守行为及其对全球碳循环的启示

《Nature Communications》：Conservative behavior of dissolved black carbon in the northwestern Pacific marginal seas

本刊推荐：为厘清海洋溶解黑碳（DBC）在长期滞留水体中的行为争议，研究人员针对西北太平洋边缘海（含东海、黄海和日本海）开展多维度观测。研究发现DBC在盐度梯度中呈现保守分布，其苯六羧酸/苯五羧酸（B6CA/B5CA）比值保持稳定，证实该组分在百年尺度水团中未被显著移除。该成果为解释全球深海DBC14C年龄（4800±620年）与理论停留时间（约800年）的矛盾提供了新视角，指出现代人为活动增强的DBC输入可能是主因，对重构海洋惰性有机碳循环模型具有里程碑意义。

　　

在广袤的海洋中，溶解黑碳（Dissolved Black Carbon, DBC）作为最大的分子可识别慢循环有机碳库，其命运始终是碳循环研究的焦点。传统理论认为，黑碳是生物质和化石燃料不完全燃烧产生的缩合芳香化合物，因其抗降解特性可在环境中存留数千年。全球河流每年向海洋输送约18±4太克DBC，约占河流溶解有机碳（DOC）通量的10%。然而矛盾的是，若按稳态模型计算，DBC在海洋中的停留时间应仅为800年左右，但实测显示深海DBC的放射性碳年龄高达4800±620年。这一巨大差异暗示着DBC在输入海洋后可能被大量移除，或存在未知的古老碳源补充。

为破解这一谜题，由首尔大学Guebuem Kim教授领衔的国际团队选择西北太平洋边缘海作为天然实验室。这片涵盖东海、黄海和日本海（East Sea/Japan Sea）的区域具有独特优势：它接收来自长江等大型河流的巨量陆源物质输入，拥有漫长的水团停留时间（约100年），同时具备从陆架到深海的完整水文梯度，堪称全球海洋的"微缩模型"。研究人员通过多航次采样，首次系统揭示了DBC在该海域的分布规律和行为特征。

关键技术方法包括：利用CTD-Niskin采水器获取全水柱样本（2018-2020年多航次）；采用固相萃取-苯多羧酸（SPE-BPCA）法分析DBC浓度与分子缩合度（B6CA/B5CA比值）；结合盐度与镭-228（²²⁸Ra）活度数据追踪水团混合过程；通过质量平衡模型估算DBC通量预算。

DBC分布特征

表层水体中DOC（68-109μM）与DBC（1.18-3.54μM）浓度从东海陆架向日本海递减，B6CA/B5CA比值稳定在0.25-0.30区间。日本海深层水（>200米）DBC浓度（1.19±0.08μM）较表层（1.32±0.11μM）仅降低10%，且垂向分布均匀。该浓度显著高于太平洋（0.6±0.1μM）等开阔大洋，与快速更新的深水形成机制相符。

保守性验证

盐度-DBC关系呈现显著负相关（R²=0.89），零盐度外推值（10.9μM）与长江DBC浓度范围（2.3-14.3μM）吻合，证实河流输入为主导源。尤其在基于²²⁸Ra定年显示水团年龄达5年的黄海中部，DBC仍严格遵循保守混合规律，而DOC却因底栖输入显著偏离混合线。B6CA/B5CA比值在全海域保持均一（0.28±0.02），即便在经历长期紫外线照射的陆架区也未出现光降解导致的比值下降，证明DBC分子结构在百年时间尺度上稳定。

通量预算与人为影响

质量平衡计算显示，长江输入的DBC通量（118±12 Gg C yr^-1）占主导，大气沉降（3-28 Gg C yr^-1）为次要来源。东海陆架向日本海输送的过量DBC通量达96±15 Gg C yr^-1，深层水输入通量为66±4 Gg C yr^-1，预算基本平衡。深层水DBC浓度较表层降低10%的现象，可能与工业革命后全球黑碳排放激增（从1700年2.4 Tg yr^-1升至2025年7.9 Tg yr^-1）有关，现代人为活动使表层DBC输入增强约10%，而深层水仍反映百年以前的低通量背景。

本研究通过多维度证据链证实DBC在西北太平洋边缘海呈现"盐度式"保守行为，其千年级放射性碳年龄更可能源于现代人为输入通量激增，而非在源区被大量移除。这一发现革新了对海洋惰性碳循环的认知，为解释全球尺度上DBC年龄-通量悖论提供了关键实证。未来需进一步量化历史时期DBC输入变化及年龄分馏效应，以精准评估人为活动对海洋碳汇的长期影响。论文发表于《Nature Communications》2025年第16卷，为重构全球碳循环模型提供了新的理论框架。