稳态与活动性泥浆沉积体制下近海孔隙水中溶解性有机质的积累机制对比

《Marine Geology》：Contrasting accumulation mechanisms of dissolved organic matter in coastal porewaters under steady-state and mobile mud sedimentary regimes

　　

摘要

沿海沉积物孔隙水在全球碳循环中充当高度活跃的瞬态储库，然而不同沉积动力机制如何决定孔隙水溶解性有机质（DOM）的早期成岩归宿仍然缺乏约束。本研究调查了南海北部珠江口及邻近海域（PREC）孔隙水DOM的光谱与分子特征，并结合固相地球化学指标（粒径组成、沉积有机碳（SOC）和稳定碳同位素（δ¹³C））进行了分析。通过将PREC（经典的稳态沉积体系）与长江口高能量活性移动淤泥进行对比，我们建立了一个关于底层DOM积累的统一定性机制框架。研究结果显示，PREC孔隙水中累积了极高浓度的DOC（平均>6000 μmol/L），几乎完全由类蛋白质、高生物活性、低分子量的DOM（生物源LMW-DOM）主导。SOC与孔隙水DOC之间的空间解耦表明，海洋来源的有机碳（δ¹³C偏正、低C/N比）比陆源输入物作为生物源DOM前体的效率要高得多。关键在于，我们证明沉积动力学是控制该DOM最终命运的主控变量。在稳态淤泥中，电子受体的耗竭造成了动力学瓶颈，阻碍了完全再矿化，从而促进了生物源LMW-DOM的大量积累。相反，在物理再塑造的移动淤泥中，强烈的氧化作用驱动有机碳几乎完全再矿化，仅留下少量高度腐殖化的难降解DOM。这些发现表明，物理再塑造从根本上重塑了底层早期成岩路径，决定了沿海沉积物是充当易分解DOM的瞬态储库还是释放无机碳的终端汇。

引言

河口和沿海边缘区域虽然仅占全球海洋面积的一小部分，但在全球碳循环和沉积有机碳（SOC）埋藏中发挥着不成比例的关键作用（Bianchi, 2011; Canuel and Hardison, 2016）。沉积后，来源于陆源和海洋的颗粒有机质（POM）在沉积物柱中经历复杂的早期成岩过程（Burdige, 2005; Zonneveld et al., 2010）。在这些微生物介导的水解和发酵过程中，大量溶解性有机质（DOM）被释放到孔隙水中（Burdige et al., 2024）。因此，孔隙水DOM在底层碳循环中充当高度活跃的瞬态中间库，它既可以通过沉积物-水界面通量输送到驱动浮游DOM储库，也可以在底层发生完全再矿化形成溶解性无机碳（DIC）和甲烷（Komada et al., 2013; Li et al., 2024）。因此，阐明孔隙水DOM的积累机制对于理解底-浮耦合关系以及SOC的早期成岩最终归宿至关重要。

孔隙水DOM的分子和光谱特征记录了早期成岩过程错综复杂的轨迹。传统上，沉积DOM主要被视为高分子量腐殖质的累积（Burdige and Gardner, 1998）。然而，近期研究表明了一种更加动态的范式，即易分解沉积有机质的初始降解往往产生大量富含类蛋白质荧光团的生物源低分子量DOM（LMW-DOM）（Chen and Hur, 2015; Valle et al., 2018; Hu et al., 2021a, Hu et al., 2023）。如果终电子受体（如氧气、硝酸盐、硫酸盐）在沉积物中耗竭，这些易分解中间体的后续降解将在动力学上受到阻碍，导致孔隙水中生物活性DOM的大量积累（Burdige, 2001; Fox et al., 2018）。这些成岩转变可以通过光谱指标有效追踪，如生物指数（BIX）、腐殖化指数（HIX）以及光谱斜率（S_275–295）作为分子量代理指标（Helms et al., 2008; Huguet et al., 2009）。然而，要理解这些生物来源中间库的积累程度，需要一个超越纯生物和化学控制的综合视角。

虽然SOC的降解已被广泛研究，但当前的生物地球化学模型经常忽视沉积动力学对孔隙水DOM积累的总体控制。河口和沿海环境表现出由潮汐、波浪和洋流驱动的高度多样化的沉积机制（Dong et al., 2006; Wang et al., 2022）。在极端的一端是移动淤泥——高度动态的环境，经历频繁的物理再塑造和再悬浮（如长江口和亚马逊河口的案例）（Blair and Aller, 2012）。这种强烈的物理混合将氧气引入深层沉积物，驱动剧烈的氧化还原振荡，使其充当次氧流化床反应器或底层焚烧炉（Aller, 1998, Aller, 2004）。在这种移动淤泥中，高效的再矿化将大多数易分解SOC转化为DIC，仅在孔隙水中留下低浓度的高度腐殖化难降解DOM（Yao et al., 2014; Zhao et al., 2018; Li et al., 2024）。在另一极端是稳态沉积体系（如避风海湾和水动力较弱的内河河口）。在本研究的语境中，稳态指的是一个相对稳定的沉积环境，其特征是低水动力物理再塑造和未受扰动的垂直分层厌氧条件。在这里，有限的物理扰动维持了稳定的厌氧条件和适度的OC分解速率，理论上为生物源LMW-DOM的显著积累提供了安全储库（Zhao et al., 2018）。尽管存在这些理论上的区别，但系统性地跨体系比较以阐明稳态与移动淤泥体系如何决定孔隙水DOM的早期成岩路径的研究仍然严重缺乏。

为弥补这一知识空白，本研究以南海北部珠江口及邻近海域（PREC）作为稳态沉积体系的经典代表，将其与文献中已有充分记载的长江口移动淤泥进行对比。通过有意排除水柱混合的干扰，我们完全专注于底层界面的固-液生物地球化学耦合。我们整合了固相地球化学示踪剂——包括总有机碳（TOC）、用于有机质来源判别的稳定碳同位素（δ¹³C）以及中位粒径（MGS）作为物理动力学指标——与高分辨率孔隙水性质，包括溶解性有机碳（DOC）浓度、紫外-可见光吸收和荧光平行因子分析（PARAFAC）。本研究的总体目标为：(1) 表征稳态条件下孔隙水DOM独特的早期成岩特征；(2) 约束SOC来源（海洋源与陆源）对孔隙水DOM转化的影响；(3) 建立一个统一的概念模型，阐明沉积动力学（稳态与移动淤泥）决定沿海孔隙水DOM积累路径的对比机制。

各章节片段

区域概况

珠江（西江、北江和东江）是中国第三长河，通过一个高度复杂的河口网络注入南海北部（图1a）。该河流流域位于亚热带季风气候区，干湿季分明（Dai et al., 2013）。水系源于西江、北江和东江的汇合。西江占据了总集水面积和水量的绝大部分。

沉积物采样

PREC的野外采样于2021年12月在一次多日航次中进行（图1）。表层沉积物样品（顶部0–3 cm）使用不锈钢盒式采样器小心采集，以保持沉积物-水界面的完整性。采集后，沉积物样品立即存放在密封容器中，置于暗处预冷的冷藏箱中（?20 °C冰袋）。这确保了样品处于冷态但未冻结的状态，以减轻微生物改变。在结束时

固相沉积物的地球化学和沉积学特征

研究区域各表层沉积物的粒径分布表现出显著的空间异质性，反映了多样的局部水动力条件（图2和图S2）。沉积物主要由粉砂组成，导致中位粒径（MGS）变化超过一个数量级。比表面积（SSA）与MGS呈空间反向分布，并与黏土组分呈强正相关（图2a和b）。

表层沉积物中TOC含量平均为1.03%，而

孔隙水DOM的早期成岩特征和解耦光谱代理指标

PREC沉积物孔隙水中DOM的浓度和光谱特征与上覆水柱中的DOM根本不同。孔隙水中DOC的大量累积——平均超过6000 μmol/L，最高可达16,000 μmol/L——比典型的浮游浓度高一到两个数量级（图S10）（Burdige et al., 2024）。如此巨大的积累是海洋沉积物早期成岩过程中普遍存在的标志，由强烈的微生物

结论

沿海沉积物孔隙水中DOM的积累不仅受有机质输入控制，还取决于碳活性与沉积动力学之间的关键交互作用。在稳态体系中，稳定的厌氧条件造成动力学瓶颈，促进了高活性生物源LMW-DOM的非凡积累，这主要由海洋源自生碳的高效微生物水解所驱动。与之形成鲜明对比的是，高能量移动淤泥充当底层

CRediT作者贡献声明

丁洋：撰写——原稿、可视化、方法论、获取经费、形式化分析、数据管理。王进鹏：撰写——审阅与编辑、资源、调查、获取经费、概念化。韩露露：撰写——审阅与编辑、方法论、形式化分析、数据管理。朱鹏鹏：撰写——原稿、方法论、数据管理。朱家亮：资源、调查。任秀文：资源、调查。陈中颖：资源、调查。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的经济利益冲突或个人关系，这些冲突或关系可能对本研究所述工作产生影响。

致谢

本研究受国家自然科学基金委员会（NSFC）（项目批准号：42202216和42376046）、广东省自然科学基金（编号：2019A1515012123）、广州市科技计划项目（编号：2023A04J0255）、中国科学院广州地球化学研究所所长基金，中科院（编号：2019SZJJ-03），以及中央公益性研究事业单位基本科研业务费（编号：PM-zx703-202305-268）资助。

丁洋 | 王进鹏 | 韩露露 | 朱鹏鹏 | 朱家亮 | 任秀文 | 陈中颖 | 荣楠 | 姚鹏

中国海洋大学，海洋化学理论与技术教育部重点实验室，深海多圈层与地球系统前沿科学中心，山东青岛 266100