墨西哥湾坎佩切岸外冷水珊瑚丘通过深海大规模碳封存

《Coral Reefs》：Large-scale carbon storage in the deep-sea through cold-water coral mounds off the Campeche Bank, Gulf of Mexico

　　

造礁型冷水珊瑚（cold-water corals, CWC）形成被称为珊瑚丘的大型海底构造。如东北大西洋与地中海的研究所示，珊瑚丘可累积大量碳（酸盐）。然而在单体丘尺度之外，珊瑚丘省（mound province）尺度上有机碳（Corg）与无机碳（Cinorg）的长期累积量仍缺乏定量。研究人员调查了墨西哥湾南部坎佩切丘省（Campeche Mound Province），该省由相互连接的珊瑚丘脊组成，面积＞40 km2。利用沉积岩芯，研究人员重建了过去约250 kyr坎佩切丘的总碳（Corg与Cinorg）累积历史，结果显示平均总碳累积速率为0.5–5.6 g C cm?2 kyr?1，为周边海底的3–9倍。研究人员进而利用高分辨率测深数据与新型形态计量制图工具CoMMa工具箱（CoMMa toolbox），将岩芯碳浓度数据向上扩展至整个丘省，估算坎佩切丘总碳储量为18.5兆吨（megatons, Mt）碳，这些碳转入长期碳循环并被固定数百万年。该研究首次结合岩芯分析与空间制图，通过不同方法与时间尺度的核算，提供了珊瑚丘碳累积速率的可靠值域。坎佩切丘省尚未完全测绘且可能远大于当前范围，凸显了墨西哥湾南部及更广海域深海底栖生态系统被忽视的长期碳埋藏潜力。

研究背景方面，海洋碳通量量化对理解地球系统与快速气候变化的后果至关重要。短期碳循环（大气—水圈—生物圈）中的浮游过程研究较充分，但深海底栖生态系统在短长期碳循环间转移碳的作用仍欠定量。冷水珊瑚（CWC）礁作为深海广泛分布的底栖生态系统，可形成珊瑚丘（coral mounds），由碳酸盐珊瑚骨架与细粒沉积物组成，在地质时间尺度上可隆起数十至数百米并持续超百万年。既有研究多限于单体丘或特定时段，且西部大西洋（如墨西哥湾）缺乏碳酸盐累积实测。坎佩切丘省位于墨西哥湾南部坎佩切岸外，水深500–600 m，脊状丘高20–40 m，面积已测绘＞40 km²，是墨西哥湾已知最大丘省，但从未有丘省尺度的总碳储量估算。因此研究人员开展本研究以填补时空双尺度空白。

主要技术方法上，研究人员使用RV MARIA S. MERIAN航次MSM20-4在坎佩切丘省采集4根丘上重力岩芯（Ixchel、Ah Xoc、Chaac丘）与1根丘下沉积漂移岩芯（GeoB16320-2）作背景对照；对丘上岩芯行计算机断层扫描（computed tomography, CT）获取珊瑚体积分数，对27枚Lophelia pertusa与Enallopsammia profunda碎片行²³⁰Th/U定年以建立丘形成相位（mound formation phases, MFPs）年龄模型；测定基质沉积干容重（dry bulk density, DBD）与总无机碳（total inorganic carbon, TIC）/总有机碳（total organic carbon, TOC）含量；依加积速率（aggradation rate）、体积分数与密度计算珊瑚无机碳、沉积无机碳与沉积有机碳三项累积速率及总碳浓度；最后以CoMMa工具箱（Confined Morphologies Mapping toolbox）对10 m分辨率多波束测深（multibeam echosounder, MBES）做局部地形位置导数阈值分割，提取145条丘脊多边形与体积，将平均总碳浓度（0.11 g C cm^?3）乘总体积得储量。

研究结果部分，各小节结论如下。珊瑚年龄、丘形成相位与加积速率：53个²³⁰Th/U年龄聚为MFP4（全新世，1–10 kyr BP）至MFP1（约215–257 kyr BP）四个相位，全新世加积速率最高（24–49 cm kyr^?1），老相位＜13 cm kyr^?1。丘下岩芯年龄模型更新：涵盖0–131 kyr BP，平均沉积速率3.8 cm kyr^?1。丘上碳含量：平均珊瑚体积分数7 vol.%，基质C_org 0.2–0.6 wt.%、C_inorg 9.7–10.5 wt.%（对应碳酸盐81–87 wt.%），总碳浓度跨相位稳定于0.10–0.14 g C cm^?3。丘上碳累积速率：总碳0.5–5.6 g C cm^?2 kyr^?1，其中沉积无机碳占72–88%、珊瑚无机碳7–24%、有机碳2–5%；全新世速率最高。丘下碳累积速率：全新世0.57 g C cm^?2 kyr^?1，末次冰期0.47，末次间冰期0.23。坎佩切丘碳储量估算：CoMMa提取丘面积16.7 km²、体积0.162 km³，乘均碳浓度得总储量18.5 Mt C（±2.9 SD），其中沉积无机碳15.0 Mt、珊瑚无机碳2.9 Mt、有机碳0.6 Mt。

讨论部分指出，坎佩切丘碳累积受加积速率控制，因陆源硅质沉积供给低、丘体以自生碳酸盐沉积为主（区别于他处硅质主导丘），其速率虽低于西地中海但仍为丘下背景的3–9倍，机制系珊瑚骨架挡板效应（baffling capacity）加速同成分物质埋藏而非改变沉积组分。岩芯法给活跃相位短时 surplus 速率0.3–4.9 g C cm^?2 kyr^?1，空间体积法给自启始（≤570 kyr或≤830 kyr）长时净速率0.13–0.19 g C cm^?2 kyr^?1，二者分属上下限。若丘省向南扩展13 km则储量翻倍至约37 Mt C；推测坎佩切岸400–700 m坡面1%覆丘即113 Mt C。该储存碳转入岩石圈（lithosphere）脱离短期循环数百万年，量级可比全新世泥炭与海草床。

结论与展望译文：结合沉积岩芯分析与空间制图，研究人员给出了迄今最详细的珊瑚丘省碳储量与累积估算，也是墨西哥湾与西大西洋首例。丘上单体相位总碳累积0.5–5.6 g C cm^?2 kyr^?1，为周边海底3–9倍；长时净速率约0.1–0.2 g C cm^?2 kyr^?1；已测绘部分储量18.5 Mt C，实际更高。坎佩切丘在区域长期碳循环中具功能性角色，其活体生态系统服务价值支持保护必要性；未来海洋暖化与酸化将改变碳酸盐生产、骨架溶解与累积动态，叠加拖网与溢油等人为扰动，可能影响底栖系统在碳循环中的地质尺度功能。论文发表于?《Coral Reefs》。