变化中的北极陆架海域沉积有机碳的动力学过程与埋藏

《Earth-Science Reviews》：Dynamics and burial of sedimentary organic carbon in the changing Arctic shelf seas

　　摘要

环北极的七个陆架海覆盖了北冰洋一半以上的面积，构成了世界大洋中最大的陆架系统。快速北极变暖，包括永久冻土融化、河流径流增强、海岸侵蚀加速和海冰消退，正在改变这些陆架上有机碳（OC）的来源、输送路径和埋藏，对北极碳循环和气候反馈具有重要影响。本文综述了环北极陆架沉积有机碳的源-汇动态，追踪了有机碳从陆地和海洋来源经过陆架输运直至保存和长期埋藏的全过程。气候驱动的变化正在改变有机碳输入的数量和组成，通过增强河流和侵蚀海岸输入的陆源有机碳，同时重塑海冰条件变化下的海洋初级生产力。有机碳进入海洋环境后，通过水动力分选、再悬浮和海冰筏运进行再分配，而选择性降解以及与活性铁氧化物和黏土矿物的结合则调控其保存和埋藏。通过将现代观测与百年至千年尺度沉积记录相结合，本文综述强调了有机碳埋藏通量的强时空异质性，并识别了有机碳归宿的关键气候、地貌、海洋学和沉积学控制因素。我们提出了减少不确定性的优先研究方向，包括季节性和事件驱动的有机碳埋藏、原位观测与古档案的整合、矿物和铁介导的有机碳保护、营养盐对海洋生产力的控制，以及泛北极源-汇综合研究。解决这些问题将改善对持续变暖下北极陆架碳循环的预测。

引言

北极陆-海系统是一个关键的有机碳库和反应器（Vonk等，2025），其陆架海流域内的陆地永久冻土占全球土壤有机碳（OC）库的50%（Hugelius等，2014），而接收陆架封存的沉积有机碳埋藏量高达全球的十分之一（Martens等，2022；Stein和Macdonald，2004）。永久冻土中冻结封存的有机碳在冻土融化之前与当代碳循环过程物理隔离，而冻土融化现在会导致其原位矿化产生温室气体（如CO2和CH4）（Miner等，2022；Turetsky等，2020；Vonk和Gustafsson，2013）和/或侧向迁移至接收陆架海（Martens等，2022）。一旦进入海洋，有机碳可以被埋藏在沉积物中、输运至深海，和/或降解为温室气体释放到大气中，从而构成气候-碳反馈（Martens等，2024）。在所有全球主要大陆边缘中，北极边缘展现出最强的陆-海相互作用，因此北极有机碳源-汇连续体从根本上调控着全球气候系统和生物地球化学循环（Miner等，2022）。

近期快速气候变暖和北极放大效应已导致陆地永久冻土有机碳向海洋的加速释放和迁移（Br?der等，2021；Vonk等，2012；Wild等，2019）。广阔的北极陆架展现出独特的有机碳源-汇过程，这些过程受永久冻土条件、河流径流、海岸侵蚀、水动力输运和海冰筏运的相互作用所塑造（Arrigo等，2008）。特别是近几十年来，北极的快速气候变化导致河流径流增加、永久冻土退化、初级生产力增强和海冰覆盖减少（Arrigo等，2012a；Feng等，2021；Kwok，2018；Lewis等，2020；Vasiliev等，2020），这些变化已经改变甚至重塑了永久冻土有机碳向北极陆架的输入来源和通量（Martens等，2022；Mu等，2024）。进入海洋环境后，陆源有机碳可以通过水动力输运在北极陆架上重新分布，在此过程中再悬浮、降解和水动力分选调控其扩散和埋藏潜力。海冰筏运提供了另一条途径，在冰形成过程中捕获沉积物及相关有机碳，并在海冰漂移和融化过程中释放它们。这些输入和输运过程因此塑造了最终埋藏在北极陆架沉积物中有机碳的数量、组成和保存潜力。这些源-汇过程可以在解冻或侵蚀的陆源有机碳在输运过程中或沉积后被矿化为CO2和CH4时产生正的碳-气候反馈（Wild等，2022），而快速埋藏则可以减弱这种反馈（Vonk等，2014）。鉴于流域永久冻土分布和沉积环境的空间异质性（Wild等，2019），沉积有机碳的源-汇过程和埋藏表现出非线性和区域特异性的气候敏感性（Chen等，2015；MacDougall等，2012；Martens等，2022；Vonk和Gustafsson，2013；Wild等，2019）。

沉积有机碳埋藏效率不仅取决于有机碳供给的数量，还取决于输运过程中和沉积后起作用的保存机制。北极永久冻土有机碳的很大一部分通过与黏土矿物和活性铁氧化物结合而得以保存，经历从解冻驱动的活化到海洋沉积的独特源-汇过程。矿物结合有机碳（MAOC）在永久冻土融化期间（Liu等，2022）以及随后沿陆-海连续体的侧向输运中（Repasch等，2021）对微生物和氧化降解均表现出增强的抵抗力。进入海洋后，矿物基质产生压载效应，加速颗粒有机碳沉降并促进其在沉积物中的长期封存（Vonk等，2014），从而减弱正的碳-气候反馈。新出现的证据强调，突发性融化过程（如热喀斯特）正在加剧永久冻土有机碳的再活化和输出通量（Zhang等，2022），特别是来自富含冰的深层沉积物（ICD）中的有机碳，其中MAOC可占有机碳的50%（Br?der等，2021；Martens等，2023）。同时，矿物学特征在环北极陆架间表现出显著的空间异质性，主要由各自流域内不同的地质背景所驱动（Stein，2008；Wahsner等，1999），并且矿物组成已被证明直接调节矿物-有机碳结合亲和力（Blattmann等，2019）。近年来对矿物-有机碳相互作用的理解进展，包括永久冻土中可膨胀蒙脱石对有机碳的保存（Szymański等，2022）以及铁氧化物结合有机碳对永久冻土降解的对比响应（释放与积累）（Patzner等，2020；Thomas等，2023），完善了对北极陆架矿物介导的有机碳源-汇动态的识别和量化（Faust等，2023；Faust等，2021；Martens等，2023；Salvadó等，2015）。

古环境记录为评估这些源-汇过程提供了更长的时间尺度背景。快速气候变化在过去也曾发生，研究它们有助于预测当前变化的一些大尺度动态。例如，自末次冰消期以来，北极地区经历了一系列快速变暖事件（Clark等，2012；Persoiu等，2017），导致陆地永久冻土有机碳向海洋的大规模释放和显著的有机碳保存（Fahl和Stein，1999；Keskitalo等，2017；Martens等，2020；Meyer等，2019；Tesi等，2016a；Winterfeld等，2018）。许多研究集中于北极地区有机碳源汇的区分及其对气候和环境变化的响应，涵盖了现代北冰洋（Fahl和Stein，1997；Feng等，2013；Guo等，2004；Gustafsson等，2011；Martens等，2024；Sun等，2025；van Dongen等，2008；Wu等，2025）以及不同时间尺度（Martens等，2020；Mueller-Lupp等，2000；Stein和Fahl，2000；Stein等，2025；Tesi等，2016a）。这些与过去突发性变暖事件相关的历史北极有机碳源-汇动态可以作为潜在类比，为快速变暖情景下的当代和未来碳循环提供信息（Jones等，2023）。

北极陆架已成为解密沉积有机碳源-汇过程以及不同时间尺度下陆-海连续体中有机碳封存和埋藏机制的关键天然实验室。Stein和Macdonald（2004）及Stein（2008）完成了首个关于北冰洋有机碳循环的综合综述研究，涉及环北极有机碳分布、来源和埋藏。最近一项更全面和定量的环北极陆-海碳封存研究利用环北极沉积物碳数据库（Martens等，2021）来解析陆源碳向七个接收陆架海的来源和再活化效率差异（Martens等，2022）。本综述补充和扩展了这两项工作，综合了从现代过程到古环境记录中环北极陆架沉积有机碳的来源、输运途径、埋藏记录和矿物学约束的保存机制的研究进展。通过整合从永久冻土来源的陆源输入到海洋沉积体系的源-汇连续体，我们强调了在季节性和事件驱动的有机碳埋藏、原位观测与古档案的整合、矿物和铁介导的有机碳保护、营养盐对海洋生产力的控制以及泛北极源-汇综合研究方面的关键知识空白。这些空白构成了阐明快速北极变化对全球碳循环作用和影响的关键前沿。

章节摘要

区域背景

北冰洋被欧亚大陆和北美大陆环绕，分别通过白令海峡和弗拉姆海峡与太平洋和大西洋相连（Jakobsson，2002）。北极陆架约占北冰洋总面积的一半，是全球最大的陆架系统，占全球陆架的四分之一。值得注意的是，北美北极陆架狭窄，以波弗特陆架为例，宽度约为

沉积有机碳的来源和输入途径

环北极陆架沉积有机碳的空间分布在含量、来源和放射性碳年龄方面表现出显著异质性（图2；有关有机碳含量和来源的分布图，另见Martens等（2020）；Martens等（2022）；Stein（2008）；Stein和Macdonald（2004），有关直接有机碳数据下载，见Martens等（2021）（https://bolin.su.se/data/cascade）和Stein（2026）。一个显著特征是整个楚科奇海和巴伦支海的沉积有机碳含量升高

陆架上沉积有机碳的输运和保存

一旦释放到海洋环境中，来自多种来源且具有不同性质的有机碳可以被降解为温室气体，或向海输运并随后埋藏在陆架、陆坡和深海盆地沉积物中。这些不同的归宿对北极和全球气候及环境产生不同的反馈。北极陆架上的季节性海冰形成显著影响沉积物和有机碳的输运模式（Eicken，2004；Ito等，2019；Wegner等，2017）。

现代沉积物中的当代有机碳封存

北极陆架是有机碳封存的关键热点，但由于陆源输入、流域特征、初级生产力和水动力动态的变异性，环北极陆架上陆源和海洋源有机碳的埋藏表现出显著的区域异质性（概述见Stein和Macdonald（2004）及Macdonald等（2009）。为确保术语一致性，我们区分北极陆架有机碳封存的两个互补指标

结束语和未来展望

北极陆架有机碳的生物地球化学循环受到陆-海相互作用的强烈影响。近几十年来取得的重大进展大大增进了我们对不同北极陆架沉积有机碳源-汇过程和保存机制的理解。尽管如此，在约束气候驱动的永久冻土景观、河流径流、海岸侵蚀、海冰动态和陆架水文变化如何影响有机碳方面仍存在重大知识空白

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由国家自然科学基金（NSFC）（项目号：42376068，425B2040，42130412，42306064）、中央高校基本科研业务费（202699002）、海洋负碳排放计划资助，并得到瑞典研究理事会杰出教授计划（项目号：621-2017-01601）和欧洲研究理事会（ERC AdG CC-TOP 695331）的支持。

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