《Quaternary Science Reviews》：Enhanced iron-bound organic carbon preservation on the South China sea slope during the last glacial period and in the basin during the Holocene
编辑推荐：
活性铁（FeR）在海洋沉积物中有机碳（OC）的长期埋藏中发挥关键作用。研究人员基于南海北部陆坡DZ39岩心与深海海盆JW2岩心，分析了FeR含量、铁结合有机碳（FeR-OC）含量及其稳定碳同位素组成，对比研究了末次冰期以来陆坡与海盆FeR介导的OC保存差异及其
活性铁（FeR）在海洋沉积物中有机碳（OC）的长期埋藏中发挥关键作用。研究人员基于南海北部陆坡DZ39岩心与深海海盆JW2岩心，分析了FeR含量、铁结合有机碳（FeR-OC）含量及其稳定碳同位素组成，对比研究了末次冰期以来陆坡与海盆FeR介导的OC保存差异及其控制因素。研究结果表明：陆坡DZ39岩心的fFeR-OC（FeR-OC占TOC的百分比）在末次冰期平均为16.8%，冰消期降至9.0%，全新世为8.6%；海盆JW2岩心的fFeR-OC在冰消期平均为11.5%，全新世升至19.3%。氧化还原条件与物质供给共同控制了不同时期FeR-OC的保存：末次冰期，陆坡DZ39在相对氧化环境及充足的海洋OC与陆源FeR供给下实现了高效FeR-OC保存；冰消期，两个站位均处于相对还原环境，导致FeR-OC保存效率降低；全新世，深海通风增强使JW2转为相对氧化环境，FeR保存良好，fFeR-OC升至最高水平，而DZ39仍处于相对还原环境且陆源输入较低，保存效率进一步降低。基于FeR-OC埋藏通量估算，末次冰期以来南海FeR-OC储量约为21 Pg C，其中末次冰期储量最大（10 Pg C）。研究揭示FeR是长期OC埋藏的重要载体，FeR-OC是全球海洋长期碳汇的重要组成部分。
铁结合有机碳（FeR-OC）是海洋沉积物中长期碳埋藏的关键机制，活性铁（FeR）通过吸附和共沉淀两种途径与有机碳（OC）结合，形成具有显著抗微生物降解能力的稳定碳库。以往研究多聚焦于全球FeR-OC储量的总量估算，而对冰期-间冰期时间尺度上FeR-OC储量的时空变化及其控制因素的认识仍十分有限，尤其缺乏同一海区内陆坡与海盆不同沉积环境中FeR-OC保存效率差异的系统对比。南海海域辽阔，发育陆架、陆坡和深海海盆等多种海底地貌单元，且自末次冰期以来经历了约120米的海平面上升、东亚季风转变以及洋流重组等重大环境变迁，是研究上述问题的理想区域。为此，研究人员选取南海北部陆坡DZ39岩心和深海海盆JW2岩心，系统分析了FeR含量、FeR-OC含量、碳同位素组成以及氧化还原敏感元素（U、Mo）富集因子，结合区域年龄框架和已发表的古生产力、陆源输入及化学风化记录，重建了末次冰期以来FeR-OC保存的时空演化历史，揭示了其主控因素与埋藏通量和储量的变化规律。相关成果发表于《Quaternary Science Reviews》。
研究人员在样品分析中采用了以下关键技术方法：基于柠檬酸盐-碳酸氢盐-连二亚硫酸盐（CBD）还原提取法分离活性铁（FeR）及其结合态有机碳（FeR-OC），采用元素分析仪-同位素比质谱仪（EA-IRMS）测定总有机碳（TOC）含量及稳定碳同位素组成（δ13C）；利用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定FeR含量及Mo、U、Al、Ga等元素含量并计算富集因子（UEF和MoEF），用以重建沉积环境的氧化还原条件。研究样品来自南海北部神狐海域陆坡位DZ39岩心（114.95°E，20.05°N，水深526米，柱长3.5米）和九龙甲烷礁海域海盆JW2岩心（119.22°E，20.74°N，水深2821米，柱长4米），两岩心的年龄框架通过与同站位或邻近岩心的区域地层对比建立。
研究发现，活性铁对南海北部不同沉积环境中FeR-OC保存的调控存在时空差异。
（1）末次冰期期间，陆坡DZ39岩心的FeR-OC保存效率较高。末次冰期，研究区海平面较现代低约120米，陆源物质搬运距离缩短，冬季风增强促进营养盐输入和上升流发育，海洋初级生产力较高，提供了充足的海洋有机碳供给。同时，低海平面和增强的东亚冬季风增加了陆源FeR的输入。此时DZ39站位处于相对氧化环境：该时期的UEF（平均1.5）和MoEF（平均0.8）均低于还原条件的富集阈值（>3），表明FeR以稳定的Fe(III)氧化物形式存在，能有效结合OC。上述因素共同促使DZ39岩心的fFeR-OC在末次冰期达到平均值16.8%，与该时期海洋有机碳和陆源FeR供给增强以及相对氧化的底水环境密切相关。
（2）冰消期期间，两个岩心所在站位的还原环境均增强，导致FeR-OC的保存能力减弱。在Heinrich Stadial 1（HS1）期间，虽然初级生产力和陆源FeR输入仍维持较高水平，但缺氧的南海深水团（SCSDW）上升流减弱了南海中层水（SCSIW）的氧含量，DZ39的平均UEF和MoEF升高至1.8和1.0；JW2受本身低氧的太平洋深层水（PDW）和上层绕极深层水（UCDW）影响，其平均UEF和MoEF也分别达到1.9和2.0，表明两站位都处于相对还原环境。异化铁还原作用将Fe(III)还原为可溶性的Fe(II)，在缺乏硫化物的条件下FeR被还原溶解而非转化为FeS，导致结合态有机碳被释放，FeR-OC含量和fFeR-OC因此下降。至B?lling-Aller?d（B/A）和Younger Dryas（YD）期，海平面快速上升和东亚冬季风减弱使陆源输入和初级生产力整体降低，陆源FeR供给亦相应减少，加之两个站位底水通风仍然较差，FeR还原溶解持续消耗FeR，fFeR-OC进一步降至冰消期的最低水平。此时δ13CFeR-OC偏负，指示还原条件下芳香族有机碳优先释放，结合态OC损失加剧。陆源输入减少、初级生产力下降和还原环境共同削弱了冰消期FeR-OC的保存效率。
（3）全新世期间，两个岩心的FeR-OC保存呈现显著分化，氧化还原差异是主控因素。JW2岩心所在的海盆站位，随着PDW和UCDW通风逐渐增强，SCSDW的垂直混合与上升流加强，水体氧含量明显提高，平均UEF和MoEF由冰消期的1.9和1.7分别降至1.2和1.0，表明底水环境转为相对氧化。在氧化条件下，铁还原和硫酸盐还原受到抑制，FeR得以稳定保存，FeR-OC含量同步回升，fFeR-OC升至19.3%的平均水平，说明该站位的fFeR-OC升高并非TOC含量下降所致，而是FeR在相对氧化环境中有效保存的结果。与此相反，DZ39站位所在陆坡在全新世仍处于相对还原环境，浅水海峡完全开放使富氧表层水的下沉通量降至最低，平均UEF和MoEF达到末次冰期以来的最高值（2.3和1.2）。持续的还原溶解不断消耗FeR，加之低海平面时期结束导致初级生产力和陆源FeR输入整体较低，FeR-OC含量和fFeR-OC保持在低值。
（4）FeR-OC埋藏通量与储量估算显示末次冰期是FeR-OC埋藏量最大的时期。基于TOC含量、FeR-OC含量和沉积速率计算，DZ39岩心在末次冰期的FeR-OC埋藏通量平均为388 g C m?2 ka?1，冰消期为151 g C m?2 ka?1，全新世为120 g C m?2 ka?1；JW2岩心在冰消期为229 g C m?2 ka?1，全新世为195 g C m?2 ka?1。两岩心所在站位的FeR-OC埋藏通量均在末次冰期和冰消期初期达到最高值，随后呈下降趋势；全新世JW2的埋藏通量因氧化条件改善而回升，DZ39则保持低值。将两岩心的平均埋藏通量外推至整个南海（面积3.5×1012 m2），估算得到末次冰期以来南海FeR-OC总储量约为21 Pg C，其中末次冰期储量最大（约10 Pg C），冰消期约4 Pg C，全新世约7 Pg C。末次冰期FeR-OC储量最大与冷气候条件下增强的海洋生产力和陆源FeR输入有关，符合Monterey假说中气候变冷促进上升流和海洋生产力的推论；全新世的FeR-OC储量也不容忽视，反映FeR是长期OC埋藏的重要载体。上述结果表明，FeR介导的OC埋藏在冰期-间冰期时间尺度上发挥了高效碳封存作用，是海洋长期碳汇的重要组成部分。
在讨论部分，研究人员进一步整合了区域古生产力记录、黏土矿物来源分析和化学风化指标，阐述了不同时间尺度下初级生产力、陆源输入和氧化还原条件对FeR-OC保存的联合调控机制：物质供给决定了FeR-OC形成的数量基础，氧化还原条件则决定了FeR-OC的保存效率。研究人员提出，陆坡与海盆在全新世呈现截然不同的FeR-OC保存格局，其本质是深海通风对氧化还原状态的空间差异性调控所致。作者进一步指出，本研究的埋藏通量估算基于恒定的干容重值，未考虑沉积压实效应，可能引入一定不确定性。
研究结论如下：基于南海北部陆坡和深海海盆的两根重力柱状岩心，本研究重建了末次冰盛期以来FeR-OC保存的时间演化，揭示了冰期-间冰期时间尺度上FeR介导的OC保存的主要控制因素及FeR对碳封存的贡献。DZ39岩心的fFeR-OC在末次冰期平均为16.8%，冰消期降至9.0%，全新世为8.6%；JW2岩心的fFeR-OC在冰消期平均为11.5%，全新世升至19.3%。FeR-OC保存受海洋OC供给、陆源FeR输入和氧化还原条件的联合控制。末次冰期，DZ39在相对氧化环境及充足的海洋OC和陆源FeR供给下表现出高效的FeR-OC保存。冰消期，DZ39的氧化还原状态由相对氧化转为相对还原，两个岩心所在站位在整个冰消期均处于相对还原环境，驱动了fFeR-OC的下降。全新世，增强的深海通风使JW2转为相对氧化环境，有利于FeR保存并使fFeR-OC升至最高水平；相比之下，DZ39仍处于相对还原环境且陆源输入较低，其保存效率相对冰消期进一步降低。FeR-OC埋藏通量估算显示两个岩心均在末次冰期和冰消期记录了最高值（分别为388和229 g C m?2 ka?1），随后在冰消期中期同步下降。全新世，JW2的埋藏通量回升而DZ39保持低值。外推至南海尺度，末次冰期以来FeR-OC总储量约为21 Pg C，其中末次冰期储量最大。上述结果共同表明，FeR是长期OC埋藏的重要载体，FeR-OC是全球海洋长期碳汇的重要组成部分。
