矿物-有机相互作用的一致性与环境变异性：伊利石在南海北部有机碳保存中的作用

《Global and Planetary Change》：Consistency and environmental variability in mineral–organic interactions: The role of illite in organic carbon preservation in the northern South China Sea

矿物-有机质相互作用对南海北部有机碳保存的影响及机制分析，发现OC含量与平均活化能（μ_E）及键多样性（σ_E）呈负相关，但南海存在σ_E与低-E OC组分正相关例外，揭示伊利石通过独特矿物作用优先稳定热不稳定组分。研究证实OC保存机制受矿物组成、来源及沉积环境影响，需结合热解参数与矿物学背景解析保存机制。

　　海洋与有机质的相互作用被认为是沉积有机碳（OC）长期保存的关键控制因素。本研究结合了中国南海北部（SCS）最新的阶梯热解/氧化（RPO）数据与全球峡湾、河口和海洋系统的数据，确认了OC含量与平均活化能（μ_E）和键多样性（σ_E）之间存在一致的反比关系，进一步强化了矿物相关OC保存的热力学特征。然而，南海的沉积物显示了一个关键的偏差：在SCS中，σ_E与低活化能OC成分呈正相关，这与全球模式相反，表明在这种环境下，矿物相互作用更倾向于稳定热力学不稳定的组分。我们还发现，伊利石是SCS中占主导地位的黏土矿物，与更广泛的σ_E和更低的μ_E相关，这与其在保留热力学多样性广泛的OC中的作用一致。尽管蒙脱石通常被认为是更具保护性的矿物，但在该地区较为稀少，且未显示出与RPO参数的显著相关性。空间趋势也突显了OC来源的重要性：一个独特的陆源影响站点（BC15）表现出较高的热稳定性以及较低的低活化能OC成分，这可能归因于维管植物衍生材料的内在顽固性，而非矿物保护。我们的研究结果表明，虽然矿物与OC的相互作用在全球范围内具有普遍性，但其表现形式受到沉积物矿物学、OC来源以及沉积环境的影响。这一发现强调了将热反应性指标与矿物学背景相结合，以解析OC保存机制的重要性。

海洋沉积物在全球碳循环中扮演着重要角色，是有机碳（OC）封存的重要储库。边缘海虽然仅占全球海洋面积的不到10%，但却贡献了超过80%的海洋OC埋藏，因此成为长期碳储存的关键区域（Bauer等，2013；Bianchi等，2018）。理解这些区域中OC保存的机制对于预测碳埋藏过程如何响应环境变化以及完善全球碳预算模型至关重要（Burdige，2007；Hedges和Keil，1995a, 1995b）。OC在海洋沉积物中的保存受到多种因素的复杂影响，包括有机质来源、沉积速率、氧化还原条件以及最重要的矿物与有机质的相互作用（Arndt等，2013；Hemingway等，2019）。已有两种主要机制被提出以解释OC在沉积物中的稳定化：选择性保存和矿物保护。选择性保存假说认为，生物上稳定的化合物，如木质素和黑碳，由于其内在的顽固性而被优先保存（Hedges等，2000；Schmidt等，2011）。相比之下，矿物保护假说则认为，有机质与矿物表面的相互作用通过保护OC免受微生物降解来促进其保存，无论其自身的稳定性如何（Keil和Mayer，2014；Mayer，1994）。

近年来，分析技术的进步，特别是阶梯热解/氧化（RPO）方法，使得对OC反应性和与矿物相关联的热力学特性有了更精确的表征（Hemingway等，2017；Rosenheim等，2008）。使用RPO的研究表明，矿物与有机质的相互作用在调节不同海洋环境中的OC反应性方面起着关键作用，包括峡湾和河口（Cui等，2022；Huang等，2023）。然而，仍然需要在不同的环境中探索这些机制，特别是在像南海这样的边缘海，其沉积过程受到独特的水动力条件和沉积物来源的影响。

本研究旨在填补这一知识空白，通过调查中国南海北部表层沉积物中OC来源、反应性和矿物学特征之间的关系，进一步了解OC保存的机制。我们采用RPO分析来确定沉积OC的热稳定性及活化能分布，从而获得其反应性的信息。此外，我们还分析了δ^13C_TOC值、C/N比和黏土矿物组成，以评估OC来源以及矿物在OC保存中的潜在作用。通过将我们的发现与其他环境，如长江河口和全球峡湾（Cui等，2022；Huang等，2023）的数据进行比较，我们旨在评估矿物与有机质相互作用在OC保存中的统一性和变异性。具体而言，我们关注了伊利石在促进南海OC保存中的作用，并尝试调和其影响与其他地区的差异。

理解南海OC保存的机制对于全球碳循环和气候预测具有更广泛的意义。通过识别促进OC稳定化的关键因素，我们可以改进碳封存模型，并更好地预测这些关键过程如何响应正在进行的环境变化。本研究还发现，在SCS中，OC保存的机制与全球其他地区有所不同，这可能归因于该地区独特的水动力条件和沉积物来源。例如，SCS中的伊利石在OC保存中扮演了重要角色，其作用可能与全球其他地区的矿物有所不同。此外，我们还发现，在SCS中，OC的热稳定性与低活化能OC成分之间存在正相关，这可能反映了该地区矿物与OC相互作用的特殊性。

OC的热稳定性可以通过其活化能分布来衡量。在SCS中，低活化能OC成分的占比与OC的热稳定性呈正相关，这与全球其他地区的模式不同。这种现象可能表明，在SCS中，矿物相互作用更倾向于稳定热力学不稳定的OC成分，而不是更稳定的成分。此外，我们还发现，在SCS中，OC的热稳定性与黏土矿物的组成密切相关，尤其是伊利石的含量。伊利石在SCS中占主导地位，其与OC的相互作用可能有助于保留热力学多样性广泛的OC成分。相比之下，蒙脱石虽然通常被认为更具保护性，但在该地区较为稀少，且未显示出与OC热稳定性之间的显著相关性。

OC的来源也是影响其保存的重要因素。在SCS中，某些站点表现出较高的热稳定性以及较低的低活化能OC成分，这可能与OC的来源有关。例如，BC15站点的OC可能主要来源于陆源植物，其内在的顽固性使得其在沉积过程中更容易被保存。而其他站点的OC可能更多地受到海洋环境的影响，其热稳定性较低。这种差异可能表明，在不同的沉积环境中，OC的保存机制有所不同，这需要结合OC的来源和矿物学背景来综合分析。

此外，OC的保存还受到沉积环境的影响。例如，在SCS中，由于独特的水动力条件和沉积物来源，OC的保存机制可能与全球其他地区的模式不同。这种差异可能使得在SCS中，OC的保存更依赖于矿物相互作用，而非OC本身的顽固性。因此，理解这些机制需要综合考虑OC的来源、矿物学特征以及沉积环境的影响。

通过本研究，我们不仅确认了矿物与OC相互作用在全球范围内的普遍性，还揭示了其在不同沉积环境中的特殊性。这种发现对于理解OC保存的机制具有重要意义，特别是在边缘海等碳封存关键区域。此外，我们还发现，在SCS中，OC的保存与矿物相互作用密切相关，这可能为其他边缘海地区的研究提供参考。例如，SCS中的伊利石在OC保存中发挥了重要作用，这可能与全球其他地区的矿物有所不同。因此，理解矿物与OC相互作用的机制需要结合具体的沉积环境和矿物学背景。

本研究还强调了热反应性指标与矿物学背景相结合的重要性。通过分析OC的热反应性指标，如μ_E和σ_E，我们可以更好地理解OC在不同沉积环境中的保存机制。例如，在SCS中，OC的热稳定性与低活化能OC成分之间存在正相关，这可能反映了该地区矿物与OC相互作用的特殊性。此外，我们还发现，在SCS中，OC的保存可能更多地依赖于矿物的保护作用，而非OC本身的顽固性。这种发现对于理解OC保存的机制具有重要意义，特别是在边缘海等碳封存关键区域。

综上所述，本研究通过结合RPO分析和矿物学背景，揭示了OC保存的机制在不同沉积环境中的差异性。在SCS中，OC的保存与矿物相互作用密切相关，这可能与全球其他地区的模式不同。因此，理解OC保存的机制需要综合考虑OC的来源、矿物学特征以及沉积环境的影响。此外，本研究还强调了热反应性指标与矿物学背景相结合的重要性，这对于解析OC保存的机制具有重要意义。通过这些研究，我们可以更好地理解OC在不同沉积环境中的保存机制，并为全球碳循环和气候预测提供科学依据。