从全新世到人类世：长江三角洲有机碳埋藏的演变及其对全球碳循环的启示

本研究聚焦长江三角洲（YD）有机碳（OC）埋藏从全新世中期到人类世的演变过程。针对当前对三角洲OC埋藏速率缺乏精确估算、人类活动影响认识不足的问题，研究人员整合了50个钻孔和216个表层沉积物样本数据，揭示了OC来源变化及其控制因素，并量化了不同时期的OC埋藏速率。结果表明，人类活动自2 ka以来已取代气候成为主导因素，三峡大坝（TGD）蓄水后OC埋藏速率骤降59%，三角洲从碳汇转变为碳源。该研究强调了沉积物埋藏速率对OC封存的关键调控作用，为全球三角洲碳循环演变提供了重要见解。

　　

在地球漫长的地质历史中，海洋沉积物中的有机碳（Organic Carbon, OC）埋藏扮演着调节大气CO₂浓度的关键角色。尤其是占海洋表面积仅0.5%的三角洲系统，竟贡献了全球海洋有机碳埋藏量的40%–50%，可谓“小而强大”的碳汇。然而，自工业革命以来，人类活动导致的海岸侵蚀和湿地丧失使得三角洲有机碳埋藏量减少了三分之一。更令人惊讶的是，在亚洲和欧洲等人群密集区，人类对河流沉积物和有机碳输运的影响甚至可以追溯到3000–2000年前（即公元前1000年至公元1950年）。尽管三角洲如此重要，但我们对全新世以来三角洲有机碳埋藏速率的变化及其控制因素仍知之甚少，这严重限制了对全球碳循环演变的理解。

长江三角洲作为典型的潮汐主导型巨型三角洲，自全新世中期开始发育，至今已向东推进超过230公里。这个巨大的沉积体系既是陆地有机碳（OC_terr）的重要汇，也是有机碳循环的关键场所。然而，这个系统的复杂性超乎想象：水动力条件和沉积环境的剧烈变化导致有机碳组成和埋藏速率在时空上存在巨大差异；沉积物的反复悬浮和沉积过程大大增加了有机碳与氧气的接触，加速其再矿化，使得许多巨型三角洲更像是有机碳的“焚化炉”而非埋藏场所；再加上人类活动（特别是三峡大坝建设）对长江输沙量和有机碳通量的巨大影响，使得长江三角洲的有机碳埋藏研究既充满挑战又极具科学价值。

为了揭开长江三角洲有机碳埋藏的历史谜团，同济大学海洋地质国家重点实验室的研究团队在《Geoscience Frontiers》上发表了最新研究成果。他们系统收集整理了来自50个全新世钻孔和216个现代表层沉积物样本的海量数据，通过多学科交叉研究方法，重建了长江三角洲8000年来的有机碳埋藏演变史。

研究人员采用的关键技术方法包括：首先建立高精度年代框架，收集了466个AMS ¹⁴C年龄和97个OSL年龄数据，使用CALIB 8.1程序进行日历年龄校准，并通过Bacon软件建立年龄-深度模型；其次运用有机地球化学分析，测定总有机碳（TOC）、总氮（TN）、TOC/TN比值和δ¹³C稳定同位素组成；然后采用二端元混合模型估算陆源有机碳比例（f_terr），设定海洋有机碳（OC_mar）端元值为?20.0‰，陆源有机碳（OC_terr）端元值为?28.7‰；最后通过克里金插值法计算千年尺度的沉积物体积和有机碳埋藏速率，空间插值分辨率为1×1 km²，并基于水文学数据估算人类世时期的沉积物和有机碳通量。

有机地球化学组成的变化特征

研究发现，全新世期间长江三角洲沉积物的TOC含量保持在相对稳定的范围内（0.41%–0.52%），最低值出现在4–3 ka期间，最高值出现在1–0 ka期间。TN含量变化于0.051%–0.077%之间，TOC/TN比值介于6.48–7.62之间，接近Redfield比率（6.63）。δ¹³C值变化范围较广，介于?25.18‰至?23.34‰之间，最低值出现在8–7 ka期间，最高值出现在5–4 ka期间。通过二端元混合模型计算得出的f_terr（陆源有机碳比例）显示，在8–5 ka期间为0.52–0.59，5–4 ka期间降至最低值0.38，4–0 ka期间保持在0.44–0.47之间，而人类世期间进一步降至0.38±0.14。

沉积速率和埋藏通量的时空演变

千年尺度的平均沉积速率（R_{SS）在8–2 ka期间波动于152.76–201.74 Mt/yr之间（平均174.92 Mt/yr），2–0 ka期间迅速增加，在1–0 ka期间达到峰值330.17 Mt/yr，几乎是8–2 ka期间平均值的两倍。有机碳埋藏通量（FOC）变化于20.42±12.43至91.55±74.25 g/m²/yr之间，最低值出现在4–3 ka期间，最高值出现在2–1 ka期间。}

有机碳埋藏速率的演变规律

有机碳埋藏速率（Q_OC）的变化趋势与沉积物埋藏速率相似。在8–2 ka期间，Q_OC在0.69±0.26至0.85±0.21 Mt/yr之间小幅波动（平均0.79±0.28 Mt/yr）。2 ka以后显著增加，2–1 ka期间达到1.08±0.29 Mt/yr，1–0 ka期间达到峰值1.72±0.79 Mt/yr。人类世期间，Q_OC从TGD前的1.44±0.93 Mt/yr骤降至TGD后的0.59±0.39 Mt/yr，降幅达59%。陆源有机碳埋藏速率的变化趋势与总有机碳类似，但相关性较弱（R²=0.68）。

人类世时期的显著变化

人类世期间，长江三角洲的有机地球化学组成发生了明显变化。基于216个表层样品的统计显示，平均TOC含量为0.52%±0.32%，TN为0.056%±0.031%，TOC/TN比值为8.05±2.76，δ¹³C值为?23.27‰±1.20‰。沉积物埋藏速率（Q_SA）从TGD前（1951–2002年）的276.06±57.22 Mt/yr降至TGD后（2003–2022年）的113.77±29.56 Mt/yr，降幅达58.79%。考虑到水下三角洲的侵蚀作用，研究发现长江三角洲已从净有机碳埋藏系统转变为净有机碳源，每年向浙闽泥质带输送约0.81 Mt的有机碳，其中陆源有机碳约0.31 Mt/yr。

研究结论与讨论部分强调了三个重要发现：首先，长江三角洲有机碳埋藏从全新世到人类世的演变可划分为三个明显阶段。第一阶段（8–2 ka）以三角洲缓慢进积和有机碳稳定埋藏为特征，OC和OC_terr埋藏速率分别为0.69–0.85 Mt/yr和0.31–0.44 Mt/yr，主要受东亚夏季风控制；第二阶段（2 ka至TGD前）表现为三角洲快速进积和有机碳埋藏达到峰值，人类活动取代气候成为主导因素，OC和OC_terr埋藏速率分别增至1.08–1.72 Mt/yr和0.51–0.56 Mt/yr；第三阶段（TGD后）以侵蚀驱动的破坏和有机碳释放为特征，OC和OC_terr埋藏速率较TGD前下降约59%。

其次，研究揭示了沉积速率对有机碳埋藏通量的关键控制作用。尽管TOC含量从全新世中期到人类世保持相对稳定（0.41%–0.52%），但有机碳埋藏速率完全取决于沉积物埋藏速率。这种关系与现代海洋环境中的发现一致，较高的沉积速率减少了有机碳与氧气的接触时间，增强了保存效率。

最后，研究强调了人类活动对三角洲有机碳埋藏的深远影响。自2 ka以来，人类活动（流域侵蚀、农业开发和森林砍伐）已取代气候变化成为长江三角洲有机碳埋藏的主要控制因素，这一转变比北美地区早了约700年。三峡大坝等水利工程建设导致河流有机碳通量急剧下降，从1953–1986年的10.9±2.6 Mt/yr降至2003–2008年的1.9±1.0 Mt/yr，直接减少了输往三角洲的陆源有机碳输入。

这项研究的意义远超出长江三角洲本身。全球范围内，人类活动正在加速三角洲退化并改变有机碳埋藏过程。在过去的30年中，尽管全球三角洲通过填海造地实现了净土地增长（54±12 km²/年），但研究表明全球54个主要三角洲中有29个因人类干预导致的沉积物不足而遭受侵蚀。随着水电作为可靠且增长最快的可再生能源在未来继续发展，大河流域的筑坝活动仍将继续，加剧三角洲沉积物短缺问题。这意味着三角洲可能从碳汇转变为碳源，对全球碳循环产生重要影响。

研究还指出，改善河流沉积物管理策略可能是恢复三角洲有机碳埋藏能力的潜在解决方案。如黄河水利委员会自2002年起实施的年度水沙调节方案，以及路易斯安那州Wax Lake三角洲在沉积物搬迁计划下的有机碳埋藏实践，都显示将河流沉积物引导至水动力稳定区域可能增强三角洲的有机碳埋藏。然而，这些策略的可行性和潜在环境影响仍需进一步研究。

该研究不仅为理解长江三角洲有机碳埋藏演变提供了全面认识，也为全球三角洲在人类世背景下的碳循环研究提供了重要参考。随着人类活动对地球系统影响的不断加深，这类研究对于预测未来碳循环变化和制定相应的应对策略具有至关重要的科学价值。