南极冰川峡湾中颗粒有机碳在浮游区和底栖区构成的年际与空间变异性

《Marine Environmental Research》：Interannual versus spatial variability in pelagic and benthic set up of particulate organic carbon in a glaciated Antarctic fjord

　　

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  时间变异性控制悬浮颗粒有机碳的生物化学组成、来源和质量
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  融水输入和藻华动态调控远洋有机物的产生和组成变化
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  生物标志物表明海洋碳高效导出和沉积物"食物库"作用
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  冰川影响、深度和粒径塑造海底碳积累
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  沉积颗粒有机碳整合了过去远洋生产过程并支持峡湾生态系统

引言

南极半岛西部（WAP）是地球上变暖最迅速的地区之一，过去几十年来气温和海洋温度显著升高，导致冰川加速退缩和海冰动力学发生深刻变化（Cook等人，2017；Raphael等人，2025；Turner等人，2020）。这种冰冻圈的重组增加了淡水输入量，改变了区域尺度的海洋环流、水文特征、生物地球化学过程和食物网动态（Henley等人，2019）。此外，冰川和冰架退缩暴露出新的无冰区域，增强了陆地有机质向邻近沿海系统的转移（Boy等，2016）。

南极半岛沿岸的峡湾是高生产力的生态系统（Pabis等，2011），由于其半封闭形态、强烈的底栖-远洋耦合和很高的沉积速率，对这些变化尤为敏感，使其成为有机碳沉积和埋藏的有效系统（Smith等，2015）。在峡湾系统中，高沉积速率增强了生物源碳的保存效率，促进了长期碳储存（Isla & DeMaster，2021）。在南极春季至夏季期间，强烈的浮游植物藻华固定大气CO₂，并通过生物碳泵将有机质导出至海底（Fabiano & Pusceddu，1998；Mincks等，2005）。这种导出主要通过颗粒有机碳（POC）的形式实现，包括海洋雪、浮游植物聚集体和浮游动物粪便颗粒，构成了远洋生产力向海底转移的主要途径。因此，通过提供新鲜的、易降解的和高质量的饵料资源，调节沉积物生物地球化学过程并维持底栖群落（Convey & Peck，2019；Ducklow等，2007；Sahade等，2015）。在此背景下，POC是南极海洋生物地球化学的核心组成部分，将表层初级生产与底栖食物网动态联系起来，并贡献于沉积物中的长期碳埋藏（Isla等，2025；Isla & DeMaster，2021；Martínez等，2025）。然而，南极沿海系统中POC的产生和导出具有强烈的季节性。沿南极半岛西部，颗粒通量从冬季到夏季可增加十倍以上（Khim等，2007；Ducklow等，2008）。特别是，连续夏季之间的POC通量差异进一步表明春季至夏季浮游植物藻华强度存在显著的年际变异性（Khim等，2007）。

冰川退缩还驱动了生物地球化学循环中的复杂反馈过程。冰川径流增加向沿海水域引入了淡水、沉积物和营养盐，改变了分层结构、光穿透深度和营养盐可利用性（Parodi等，2024；Rückamp等，2011）。所有这些变量的组合可以促进或限制初级生产，从而影响到达海底的POC数量和降解性，最终影响底栖群落的饵料资源（Martínez等，2025；Parodi等，2024；Venturini等，2023）。冰川强迫作用在季节和年际间变化，异常温暖的条件会产生异常高的融水排放量和悬浮POC浓度（Braeckman等，2024）。因此，POC向海底的输送在季节和年际时间尺度上也可能变化很大。

海洋系统中的POC包含自生和外源物质的混合物，具有不同的生物化学组成（Misic等，2017）。源自浮游植物的海洋POC通常代表高质量、富含蛋白质的饵料资源，可被较高营养级利用（Kim等，2016），而陆地来源的POC通常营养价值较低，因为其富含难降解化合物，如纤维素和木质素，这些物质需要微生物预先处理后才能被海洋消费者同化（Danovaro等，1999；Pusceddu等，2009）。基于这一背景，POC的易降解组分，包括蛋白质（PRT）、碳水化合物（CHO）和脂质（LIP），可被底栖异养生物直接利用，并在沉积后被选择性矿化（Baldi等，2010；Danovaro等，1999；Pusceddu等，2003）。这些生物聚合物的碳当量之和表示为生物聚合物碳（BPC），提供了海洋沉积物中有机碳生物可利用部分的估计值（Fabiano & Pusceddu，1998）。BPC已被用作沉积物有机质质量和食物网状况的指标，允许评估南极沿海系统和峡湾中有机碳（OC）负荷和组成的空间和时间变异性（Baldi等，2010；Isla等，2006；Misic等，2017；Venturini等，2023）。最近，跨越多个南极峡湾的比较研究表明，BPC能有效捕捉与冰川影响相关的不同食物网状况的差异，较高值表明富营养、有机质丰富的沉积物，较低值反映中营养条件（Martínez等，2025）。

此外，总碳氮比（C/N）和稳定碳同位素（δ¹³C和δ¹⁵N）的联合使用是解释有机碳（OC）来源和转化程度的广泛应用方法。不同的OC来源具有特征性的C/N比和δ¹³C特征，反映了它们的生物化学组成和光合作用途径（Hedges & Oades，1997；Lamb等，2006；Meyers，1997）。这些特征已在南极半岛沿岸及邻近岛屿的峡湾和沿海凹湾表层沉积物中得到一致报道（Bisch等，2024；Venturini等，2023）。

尽管冰川退缩和融水强迫作用对塑造南极半岛西部有机碳动态的重要性已得到认可，但这些过程在什么时间和空间尺度上调节有机碳的输送和生物有效性到达峡湾沉积物仍存在不确定性。本研究旨在评估年际和空间变异性对南极半岛西部一个有冰川覆盖的峡湾中远洋和底栖环境POC组成的影响，以及它们对POC在两者之间转移的作用。

章节摘要

研究区域

乔治王岛（KGI），南设得兰群岛中最大的岛屿（62°13.7′ S, 58°50.9′ W），位于南极半岛西部（WAP）。其西侧是柯林斯湾，一个受柯林斯冰川（又称别林斯高晋穹）直接影响的多变峡湾。柯林斯湾（约65°21′ S, 64°4′ W）口部宽约3公里，具有显著的沉积积累速率，约为5.5毫米/年（Boldt等，2013）。该峡湾邻近乌拉圭南极科考站

海洋条件

表层水温范围为1.13°C至3.80°C。在内浅区（ISZ），水温在年际间差异显著，从2022年到2024年呈下降趋势；而外深区（ODZ）在2023年达到最低值，随后在2024–2025年有所回升（统计结果见补充材料表S2）。盐度范围为17.79至30.90，同样在年际间变化，内浅区从2022年到2024年呈下降趋势，外深区和过渡区从2022年到2025年呈下降趋势

表层水物理化学条件

柯林斯湾的海洋条件在受冰川影响的区域和年际间表现出显著的年际变异性，特别是在温度、盐度和pH方面。2022年表层水温较高且盐度较高，随后在内浅区（ISZ）在2024年以及在过渡区（TZ）和外深区（ODZ）在2025年逐步变冷变淡。由于表层水条件由单次瞬时采样代表，这些模式可能反映了

结论

在表层水中观察到的强烈时间结构特征突出了年际变异性在控制柯林斯湾悬浮POC生物化学组成方面的主导作用，涉及质量、来源和降解状态。短期环境强迫作用，包括融水输入和藻华动态，调控了峡湾尺度的远洋有机物产生和转化。相比之下，沉积物总有机碳（TOC）主要由与

CRediT作者贡献声明

Aitor Azcárate：方法论。Sabrina Rodríguez：方法论。Gabriel Lobato：方法论。Noelia Ramos：方法论。Pablo Muniz：撰写——审阅与编辑，监督，资源，方法论，调查研究，概念化。Natalia Venturini：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，方法论，调查研究，资金获取，概念化。Jennifer Pereira：方法论。Sofía Santos：方法论。María Eugenia Pedelacq：撰写——审阅与编辑，撰写

未引用参考文献

álvarez‐Salgado等，2006；Blunden等，2025；Galois等；Henley等，2012。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。

致谢

本工作是María Eugenia Pedelacq博士论文的一部分，由国家研究与创新署（ANII）通过研究生奖学金提供资助。María Eugenia Pedelacq感谢乌拉圭共和国大学（Udelar）和基础科学发展计划（PEDECIBA）分别提供的学术、机构和财务支持。作者还感谢乌拉圭南极研究所（IAU）作为南极国家项目的运营方，

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