自末次冰盛期以来冲绳海槽中部颗粒物质和沉积有机质的来源：对东海大陆架侧向运输的影响

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Sources of particulate and sedimentary organic matter in the middle Okinawa Trough since the Last Glacial Maximum: Implications for lateral transport across the East China Sea shelf

　　

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  台湾的河流是向冲绳海槽中部输送颗粒有机物的主要来源。
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  近底部的侧向运输在沉积有机物的供应中起着关键作用。
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  冲绳海槽作为东海大陆架有机物的一个重要汇。
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  沉积氮的同位素记录与氮固定变化一致。

引言

海洋沉积物中的有机碳是全球碳循环的关键组成部分。在地质时间尺度上，有机碳的埋藏有助于去除二氧化碳并增加氧气，从而影响全球气候变化（Berner, 2003）。海洋沉积物中的有机碳主要来源于海洋初级生产力和陆地输入。全球海洋的净初级生产力约为48.5–53 PgC/年（Field et al., 1998; Johnson and Bif, 2021; Silsbe et al., 2016; Zhang et al., 2025）。全球河流每年向海洋输送约380–430 TgC的陆地有机碳（颗粒态和溶解态）（Ludwig et al., 1996; Schlünz and Schneider, 2000）。由于陆地有机碳由年龄和反应性各异的混合物组成（Blair and Aller, 2012; Leithold et al., 2016），其埋藏效率比海洋有机碳高出一个到两个数量级（Burdige, 2005）。据估计，海洋沉积物中有机碳的全球埋藏速率在150到350 TgC/年之间（Bradley et al., 2022; Burdige, 2007; Hedges and Keil, 1995; Keil, 2017; Muller-Karger et al., 2005）。边缘海占据了海洋沉积物中有机碳的约80–90%（Burdige, 2007; Dunne et al., 2007; Hedges and Keil, 1995），尽管它们只占全球海洋面积的8%。鉴于边缘海在连接陆地和海洋碳库方面起着重要作用（Regnier et al., 2022），研究边缘海中有机碳的来源、运输和埋藏对于准确评估全球碳预算至关重要。

东亚边缘海包括渤海、黄海和东海（ECS），形成了东亚大陆与西北太平洋之间的过渡带。这些海域接收大量的有机碳输入，其中包括约309.74 TgC/年的浮游植物碳固定通量和约3.78 TgC/年的河流颗粒有机碳（POC）通量（Jiao et al., 2018）。在全新世期间，河流输送的细粒沉积物在复杂的水动力条件下在大陆架上形成了多个泥质沉积层（Alexander et al., 1991; DeMaster et al., 1985; Li et al., 2014; Lim et al., 2007; Liu et al., 2006; Liu et al., 2004; Liu et al., 2007; Liu et al., 2018; Milliman et al., 1987; Qiao et al., 2017; Yang and Liu, 2007）。海洋和陆地有机碳主要埋藏在这些泥质沉积层中，估计的埋藏通量为7.81–8.2 TgC/年（Shi et al., 2024; Zhao et al., 2021）。此外，在ECS观察到了跨大陆架的运输（Bian et al., 2010; Li et al., 2023; Meng et al., 2025; Yuan et al., 2008），产生了约0.1–1.81 TgC/年的向海方向POC通量（Deng et al., 2006; Hao et al., 2024; Hung et al., 2000; Wu et al., 2003; Yuan et al., 2018; Zhu et al., 2006）。输送到大陆架上的物质主要沉积在冲绳海槽（OT）中，那里的沉积物以泥质粉砂为主，与大陆架泥质沉积物相似（Shi et al., 2021）。OT沉积物中的总有机碳（TOC）含量大约在0.5%到2%之间（Chen et al., 2023; Dou et al., 2011; Hu et al., 2021; Kao et al., 2008a; Lim et al., 2017; Ma et al., 2021; Oguri et al., 2000; Shao et al., 2016; Ujiié et al., 2001; Wang et al., 2018b; Xing et al., 2022; Zheng et al., 2015），这高于大陆架泥质沉积物中的平均数值0.57%（Shi et al., 2024）。在冰川期-间冰期时间尺度上，OT一直处于被淹没状态，因此是有机碳埋藏的稳定汇。因此，OT应被视为评估东亚边缘海有机碳预算的重要组成部分。

对有机碳的来源分析对于准确评估碳预算至关重要。先前的研究已经确定了OT中沉积有机质（SOM）的来源，量化了海洋和陆地有机碳以及现代和化石有机碳的相对贡献，并探讨了控制有机质输入和埋藏的因素（Chen et al., 2023; Chen et al., 2025; Hu et al., 2021; Kao et al., 2008a; Li et al., 2018; Oguri et al., 2000; Shao et al., 2016; Wang et al., 2018b; Xing et al., 2022），为当前研究提供了重要基础。在ECS大陆架和斜坡上的沉积物通量观测表明，沉积物主要通过近底部的侧向运输输送到OT（Iseki et al., 2003; Oguri et al., 2003）。鉴于这一过程在控制沉积物输送到OT方面的重要性，需要进一步评估侧向输送有机物的贡献。水柱中悬浮颗粒物的垂直沉降也有助于海底沉积物的积累（Iseki et al., 2003; Oguri et al., 2003）。然而，OT水柱中颗粒有机质（POM）的来源仍不清楚，POM对SOM的贡献也未得到充分量化。自末次冰盛期（LGM）以来，海平面波动、水动力条件、东亚季风和海洋初级生产被认为是控制陆地和海洋有机碳供应的主要因素（Chen et al., 2025; Hu et al., 2021; Kao et al., 2008a; Li et al., 2018; Shao et al., 2016）。这些因素在控制有机质输入的空间和时间变化方面的相对作用仍不明确。此外，沉积总氮（TN）的氮同位素组成作为表层海洋硝酸盐利用的代理指标具有相当大的潜力（Calvert et al., 1992; Francois et al., 1992; Holmes et al., 1997）。然而，沉积TN的δ¹⁵N值受到多种因素的影响，包括陆地输入的无机和有机氮以及早期成岩作用（Altabet and Francois, 1994; Kienast et al., 2005; Robinson et al., 2012; Schubert and Calvert, 2001; Wang et al., 2018a; Zheng et al., 2025）。在沉积δ¹⁵N记录能够可靠地用来重建过去的海洋氮循环变化之前，必须仔细评估这些影响。

在本文中，从OT中部采集了一个活塞岩芯和悬浮颗粒物，并分析了它们的放射性碳年龄、粒径、TOC和TN含量及其稳定同位素组成、POC和颗粒氮（PN）浓度及其稳定同位素组成。然后，我们研究了有机碳、氮和粒径之间的关系，确定了POM和SOM的来源，估计了陆地和海洋有机物质对POM的相对贡献，以及近底部侧向运输和垂直沉降有机物质对SOM的相对贡献，调查了来源代用指标的时间变化及其影响因素，并评估了沉积TN同位素组成作为海洋氮固定代理的可靠性。目的是确定有机物质向OT的传输路径，阐明控制有机物质来源时间变化的关键因素，并重建自LGM以来的海洋氮固定变化。主要发现为有机物质的源-汇过程提供了新的见解，并提高了我们对东亚边缘海有机碳预算的理解。

章节片段

区域背景

ECS是一个典型的边缘海，被中国大陆、台湾岛、琉球群岛、九州岛和济州岛所环绕（图1），从东北到西南延伸约1300公里，从西到东延伸约740公里。ECS大陆架占据了大约三分之二的海域，平均水深为72米，平均坡度为0.037%（Li, 2008）。OT是一个弯曲的弧后盆地，位于ECS大陆架的外缘，水深

沉积岩芯和悬浮颗粒物的采样

活塞岩芯C1610由青岛海洋地质研究所于2016年从OT中部采集（图1c，表1）。岩芯长度为586厘米，主要由橄榄灰色至深灰色泥质粉砂组成。在284–249厘米深度处有一层火山灰，主要由棕灰色粉砂组成。沉积物样本以90–100厘米间隔（6个样本）用于¹⁴C加速器质谱（AMS）测年，以5厘米间隔（117个样本）用于粒径分析，以及以10厘米间隔

年龄-深度模型

C1610的放射性碳和日历年龄列在表2中。区域地层对比表明，岩芯中的火山灰层（284–249厘米）对应于Kikai-Akahoya火山灰（Machida, 1999），其喷发时间为7.3 ka（Kitagawa et al., 1995）。基于AMS ¹⁴C测年和火山灰层的年龄，使用Bacon软件（Blaauw and Christen, 2011）构建了一个贝叶斯年龄-深度模型。年龄-深度模型显示C1610保留了覆盖

有机碳、氮和粒径之间的相关性

进行了皮尔逊相关性和线性回归分析，以评估水柱中POC和PN浓度之间的关系，以及C1610正常层中TOC和TN含量之间的关系（图5a, b）。观察到POC和PN之间存在非常强的正相关性，回归方程为：POC = 5.897 PN + 0.411（r = 0.985，p < 0.0001）。同样，TOC和TN也表现出非常强的正相关性，回归方程为：TOC = 8.147

结论

本研究分析了过去19.5千年中C1610岩芯中的TOC和TN含量及其稳定同位素组成，以及OT中部水柱中POC和PN的浓度和稳定同位素组成。基于这些数据，研究了POM和SOM的来源，定量估计了不同有机质成分的相对贡献，评估了控制有机质供应的因素，并研究了氮固定的变化

CRediT作者贡献声明

Libo Wang：可视化、调查、资金获取、概念化、写作——审阅与编辑、初稿写作。Xilin Zhang：软件、方法论、调查、正式分析、数据管理。Bin Zhai：可视化、方法论、调查、正式分析、数据管理。Mingyu Zhang：可视化、软件、正式分析、数据管理。Jingtao Zhao：监督、资源获取、概念化、写作——审阅与编辑。Xianrong Zhang：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的利益冲突或个人关系。

致谢

本研究由国家自然科学基金（42476058, 41406074, 42576072）、山东省自然科学基金（ZR2024MD018）和中国地质调查局项目（DD202606301901, DD202603102504, DD202603303302）共同资助。

Libo Wang|Xilin Zhang|Bin Zhai|Mingyu Zhang|Jingtao Zhao|Xianrong Zhang|Zhilei Sun|Bangqi Hu|Yong Zhang