2024, Vol. 48
文章信息
- 郑天昊, 袁华茂, 宋金明, 贺志鹏, 段丽琴, 李学刚. 2024.
- ZHENG Tianhao, YUAN Huamao, SONG Jinming, HE Zhipeng, DUAN Liqin, LI Xuegang. 2024.
- 氨基糖对中国东部边缘海表层沉积物中有机质来源和降解的指示作用
- Amino sugars as indicators of source and degradation of sedimentary organic matter in the Eastern China Marginal Sea
- 海洋科学, 48(11): 21-31
- Marine Sciences, 48(11): 21-31.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20240425001
-
文章历史
- 收稿日期：2024-04-25
- 修回日期：2024-05-11
2. 青岛海洋科技中心海洋生态与环境科学功能实验室, 山东 青岛 266404;
3. 中国科学院大学, 北京 100049;
4. 中国科学院海洋大科学中心, 山东 青岛 266404;
5. 山东省淡水渔业研究院, 山东 济南 250013
2. Laboratory for Marine Ecology and Environmental Science, Qingdao Marine Science and Technology Center, Qingdao 266404, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
4. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266404, China;
5. Shandong Freshwater Fisheries Research Institute, Jinan 250113, China
虽然边缘海的面积不足全球海洋面积的10%, 但贡献了全球海洋有机碳埋藏的80%, 是海洋有机碳埋藏的重点区域, 在长地质时间尺度上对有机碳的封存起到关键作用[1-2]。我国东部边缘海是世界上最大的边缘海之一, 每年约有18.92 Tg C有机碳埋藏到沉积物中, 是全球碳汇的热点区域[3]。作为链接大陆和开阔大洋的过渡区域, 边缘海具有复杂的生态系统结构与活跃的碳循环过程。不同海域因水动力过程[4]、沉积物粒径[5-6]、沉积物再悬浮程度[7]等因素的差异呈现不同的有机质埋藏特征。同时, 气候变化和人类活动改变了边缘海有机质的迁移模式与矿化速率, 为有机质的埋藏增添了不确定因素[8-9]。因此, 研究有机质的降解和埋藏特征对理解边缘海碳循环过程及其环境效应具有重要意义。生物标志物在有机质改造和再合成过程中传递出大量生物地球化学信号并保存在沉积物中[10], 为了解有机质来源、降解与埋藏特征提供了依据。
氨基糖(amino sugars, AS)是一类羟基被氨基取代的糖类, 在海洋浮游动物、浮游植物与细菌中广泛存在, 其丰度和组成常用于指示海洋颗粒物和沉积物中有机质的来源与活性[11-12]。可定量分析的AS主要包括葡萄糖胺(GlcN)、半乳糖胺(GalN)和胞壁酸(MurA)[13-14]。GlcN与GalN的比值(GlcN/GalN)常作为有机质降解程度的可靠指标, 在富含几丁质的浮游生物体内通常大于8, 在细菌体内则通常小于3[15]。浮游生物来源有机质持续降解的过程中活性持续降低, GlcN/GalN将迅速降低至3以下, 如颗粒物在水柱沉降过程中发生持续降解, 使GlcN/GalN呈表层向深层降低的趋势[16]。而沉积物中有机质通常经过细菌的充分转化而较低, GlcN/GalN通常小于3[14, 17-18]。MurA是细菌特有的氨基糖, N-乙酰胞壁酸和N-乙酰葡糖胺交替链接形成的多糖链与多肽链构建了细菌细胞壁中的肽聚糖[13]。由于MurA是AS中较高活性的组分, 只能存在于活的细菌或保留在新鲜的细菌残体中, 因此常作为量化细菌有机质贡献的工具[19]。
中国边缘海有机质的埋藏程度是“双碳”目标背景下持续关注的问题。在渤海[17]、东海[18]、珠江口[20]等区域均开展了以AS为有机质降解指标的研究, 南黄海与长江口及其邻近海域等有机碳埋藏热点区域也需要以氨基糖的视角完善对有机质降解情况的了解。本研究对南黄海和长江口及其邻近海域进行了调查, 测定了表层沉积物中总有机碳、氮的含量及其同位素特征, 并对氨基糖的丰度和组分进行了测定, 解析了两区域表层沉积物中有机质的来源与降解程度。该研究将有助于更好地理解边缘海固碳潜力和固碳机制, 为边缘海碳汇过程对人类活动与气候变化响应的评估提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 采样站位与样品预处理分别于2022年7月和2023年5月搭乘“中渔科211”和“科学三号”科考船对长江口及其邻近海域和南黄海进行调查, 样品采集站位如图 1所示, 由surfer2023绘制。使用箱式采泥器获取表层(0~2 cm)沉积物样品并立即于‒20 ℃冷冻保存。
 |
| 图 1 南黄海与长江口及其邻近海域采样站位图 Fig. 1 Sampling stations in the South Yellow Sea, Yangtze River Estuary, and its adjacent areas 注: 底图来源于自然资源部标准地图服务网站, 审图号为GS(2024)0650号, 底图无修改 |
将表层沉积物冷冻干燥后进行研磨, 过100目筛去除杂质。称取约1 g沉积物样品于10 mL小烧杯中, 加入1 mL 2 mol·L‒1盐酸溶液并搅拌均匀, 反应1 h以去除无机碳, 经超纯水冲洗后于50 ℃下烘干, 称取30~50 mg于锡舟中等待上机。通过元素分析仪(Flash EA IsoLink CN, Thermo Fisher Scientific)与同位素比值质谱仪(MAT 253 plus, Thermo Fisher Scientific)测定样品TOC、TN、δ13C和δ15N值。
1.2.2 氨基糖分析表层沉积物中的氨基糖采用固相萃取法提取[21], 本实验对氨基糖的平均回收率在70%以上。取约250 mg研磨后的沉积物样品于氮吹管中, 加入5 mL 6 mol·L‒1盐酸溶液, 排出空气后密封, 于105 ℃加热水解8 h。待样品冷却至室温后加入木糖溶液作为内标, 随后将上清液转移至离心管中, 使用氢氧化钾溶液调整pH至6.5~7, 离心去除絮凝物。通过ECO-CarbTM Plus固相萃取(SPE)柱除去所得上清液中的盐分与杂质, 利用10 mL二氯甲烷, 20 mL甲醇和15 mL超纯水对SPE柱进行活化, 通过10 mL超纯水洗净可溶性无机盐, 并持续吸入空气20 min去除SPE柱内的水相残液。使用5 mL甲醇和5 mL甲醇与二氯甲烷混合溶液(1׃1, V/V)将氨基糖洗脱至氮吹管中, 用N2吹扫干燥。
将提取后的氨基糖溶解于500 μL超纯水中, 通过离子色谱[4]进行浓度测定。使用仪器为配备电化学检测器的离子色谱(IC, Dionex ICS-5000+ SP), 使用糖柱PA20分析柱(规格: 3 mm×150 mm)对氨基糖进行分离。GlcN与GalN使用2 mmol·L‒1 NaOH溶液洗脱, 流速为0.2 mL·min‒1, 色谱柱温度与检测器温度均为25 ℃; MurA使用2 mmol·L‒1 NaOH与200 mmol·L‒1 NaNO3溶液(1׃1, V/V)洗脱, 流速为0.2 mL·min‒1, 色谱柱温度检测器温度分别为30 ℃和25 ℃。该方法精密度重复性良好, 各氨基糖单体的相对标准偏差均小于0.02。
2 结果与讨论 2.1 表层沉积物生物地球化学参数分布特征长江口及其邻近海域表层沉积物中TOC、TN的质量分数范围分别为0.88~5.78 mg·g‒1和0.10~1.11 mg·g‒1, 平均值分别为3.25±1.61 mg·g‒1和0.63±0.29 mg·g‒1, 最高值均出现在长江口近岸区域(图 2)。这是由于长江口东南近岸沉积物主要由细颗粒物组成, 对有机质有较强的富集能力[22]。南黄海表层沉积物中TOC与TN的含量相对较高, 其质量分数范围分别为1.67~11.38 mg·g‒1 (平均值为5.80±3.30 mg·g‒1)和0.38~1.95 mg·g‒1(平均值为1.01± 0.53 mg·g‒1), 由东北向西南呈降低趋势。与长江口及其邻近海域相比, 南黄海特别是泥质区表层沉积物中TOC与TN含量相对较高。泥沙粒度是影响沉积物中TOC与TN含量的重要因素[23]。南黄海泥质区沉积物具有更高比例黏土组分, 其较大的比表面积对有机质的吸附和保存效果更为显著[24]。同时, 黄海冷水团形成的低温且稳定的沉积环境减缓了沉积物中有机质降解速率, 有利于有机质的埋藏和保存[25]。虽然TOC与TN在不同海域表层沉积物中的含量存在差异, 但具有显著的相关关系(R2=0.94, P<0.01), 表明沉积物中的氮主要以有机氮的形式存在, 但偏正的截距也表明了样品中存在不可忽视的无机氮组分(图 3)。
 |
| 图 2 南黄海与长江口及其邻近海域TOC、TN、δ13C和δ15N分布图 Fig. 2 Distribution of TOC, TN, δ13C, and δ15N in the South Yellow Sea, Yangtze River Estuary, and its adjacent areas |
 |
| 图 3 南黄海与长江口及其邻近海域表层沉积物中TOC与TN、GlcN与GlcN/GalN和GlcN与GalN相关性 Fig. 3 Correlations between TOC and TN, GlcN and GlcN/GalN, and GlcN and GalN in the South Yellow Sea, Yangtze River Estuary, and its adjacent areas |
δ13C的范围整体呈现由近岸向外海逐渐升高的趋势(图 2)。长江口及其邻近海域的δ13C变化范围较广, 为−25.53‰ ~ −20.40‰(平均值为−22.57‰±1.61‰), 最低值出现在长江口内的C1站, 而最大值出现在外海的A5-6站位。南黄海表层沉积物中δ13C的范围为−23.21‰ ~ −21.96‰(平均值为−21.96‰±0.62‰), 最大值出现在外海的33-4站位。δ13C是判别海源与陆源有机质相对贡献的工具, 使用以下二端元混合模型公式进行计算:
| $\mathrm{δ}^{13} C_{\text {样品 }}=\mathrm{δ}^{13} C_{\text {陆 }} \times f_{\text {陆 }}+\mathrm{δ}^{13} C_{\text {海 }} \times f_{\text {海 }} $ | (1) |
| $ {f}_{陆}+{f}_{海}=1 $ | (2) |
式中, δ13C样品、δ13C陆和δ13C海分别代表沉积物、陆地端元和海洋端元的δ13C值。本研究将海洋有机质的δ13C端元值设置为−20.0‰, 而陆地有机质的δ13C端元值设置为−27.2‰, 接近C3植物的特征[26]。结果显示, 南黄海和长江口及其邻近海域表层沉积物中的有机质均以海洋自生有机质为主, 其贡献分别为55.45% ~ 90.15%和23.21% ~ 94.48%, 平均值分别为72.75%±8.66%和64.33%±22.29%。受大型河流输入影响较小, 南黄海表层沉积物中陆源有机质贡献明显低于长江口及其邻近海域, 仅在南黄海东北部海域和江苏沿岸发现较高的陆源有机质贡献。南黄海东北部区域陆源有机质的来源为黄海沿岸流输送的黄河泥沙, 而江苏沿岸的高有机质贡献则由老黄河三角洲在水流侵蚀作用下迁移并释放[27-28]。长江口及其邻近海域在长江的强烈影响下呈现海源有机质贡献随离岸距离增加而增加的趋势。一方面, 河流携带流域内富含氮、磷等营养物质的工农业废水和生活污水注入海洋, 有效促进了长江口及其周边海域浮游植物大规模生长, 海源有机质在生物泵的作用下输送至沉积物中, 从而提高了沉积物中海源有机质的贡献[29-30]。另一方面, 随着离岸距离增加, 陆源有机质在运输过程中被持续降解, 致使其对表层沉积物的贡献逐渐减少, 进一步扩大了海源与陆源有机质相对贡献的差距, 最终呈现δ13C值随着离岸距离增加呈增加趋势[31]。
沉积物δ15N随陆地和海洋有机质的来源差异发生变化, 可作为判断沉积物氮来源的重要依据[32]。一般情况下, 海洋沉积物的δ15N为5‰至7‰, 通常代表利用海洋中硝酸盐合成自身有机氮的浮游植物的δ15N水平[33]; 陆地有机质的δ15N体现为维管植物从土壤中利用无机氮而表现的特征[34-35], 为−10‰至10‰, 平均值为2‰。中国使用的氮肥δ15N值较低, 一般为−6‰至4‰; 工业废水和生活污水δ15N值在所有来源中最高, 一般在10‰以上[36]。长江口及其邻近海域与南黄海沉积物δ15N大多为正值, 其范围分别为−2.02‰ ~ 5.20‰和1.88‰ ~ 5.34‰, 平均值分别为2.97‰ ± 1.67‰和4.26‰ ± 0.84‰(图 2)。长江口区域沉积物δ15N明显低于南黄海, 由长江口内站位不超过3‰的低值逐渐上升至最外侧5.20‰的海源特征值。此外, 最内侧C1站位的δ15N较低(−2‰), 表明来自长江的淡水中存在农业生产过程中未被利用的氮肥和陆地有机氮, 并且远远超过了工业污水与生活污水的影响。南黄海δ15N也存在一定的海陆变化趋势, 即由西部近岸区域向东北方向逐渐增加, 趋向于浮游植物的δ15N。
2.2 表层沉积物氨基糖分布与组成特征南黄海表层沉积物中氨基糖含量为0.68~2.08 μmol·g‒1, 平均值为1.34±0.38 μmol·g‒1。南黄海西部近岸区域表层沉积物中氨基糖含量丰富, 而中心泥质区中含量偏低(图 4)。氨基糖的总有机碳与总氮归一化含量(%AS-TOC、%AS-TN)平均分别为2.42%± 1.96%(范围为0.75%~8.74%)和2.28%±1.47%(变化范围为0.85%~6.34%), 存在自西向东逐渐减少的趋势。由于长江无机组分的稀释作用, 长江口及其邻近海域表层沉积物中氨基糖含量明显低于南黄海表层沉积物, 为0.40~1.91 μmol·g‒1, 平均值为0.76±0.41 μmol·g‒1, 海陆变化趋势较为和缓, 最高值出现在长江口外的C5站位。其总有机碳和总氮归一化含量分别为2.11%± 1.36%(范围为0.97%~4.85%)和2.25%±1.80%(变化范围为0.67%~6.38%)。无论是在南黄海还是长江口及其邻近海域, 氨基糖的碳、氮归一化含量的高值都出现在近岸海域, 而远岸区域含量偏低。
 |
| 图 4 南黄海与长江口及其邻近海域AS、%AS-TOC、%AS-TN分布图 Fig. 4 Distribution of the molar mass fraction of AS, %AS-TOC, and %AS-TN in the South Yellow Sea, Yangtze River Estuary, and its adjacent areas |
两个海域沉积物中不同氨基糖组分的百分含量较为接近。如图 5所示, GlcN为含量最高的氨基糖组分, 在长江口及其邻近海域与南黄海表层沉积物中的百分比分别为58.99%±7.27%和59.98%±7.22%。GalN的含量次之, 在两区域样品中分别占36.64%±7.95%和35.55%±8.24%。MurA含量最低, 分别占4.09%±1.98%和4.47%±2.18%。
 |
| 图 5 南黄海与长江口及其邻近海表层沉积物中三种氨基糖相对含量三元图 Fig. 5 Relative contents of three amino sugars in surface sediments of the South Yellow Sea, Yangtze River Estuary, and its adjacent areas |
氨基糖的含量与组成特征对了解有机质来源与降解程度有重要意义。首先, 氨基糖在不同生物体中的含量存在一定差异。藻类的%AS-TOC和%AS-TN分别为0.1 %~0.5%和0.2%~0.6%; 桡足类因其几丁质外骨骼的贡献而具有较为丰富的氨基糖, %AS-TOC和%AS-TN分别约为12%和7%; 光合和异养细菌中%AS-TOC和%AS-TN分别为0.3%~3.9%和0.3%~2.5%[37]。所有调查站位的%AS-TOC与%AS-TN平均值分别为2.28%和2.26%, 符合细菌中氨基糖相对含量特征, 表明沉积物中有机质经历了充分的细菌转化过程。在长江口及其邻近海域氨基糖含量随离岸距离的增加而逐渐降低, 但是%AS-TOC和%AS-TN却出现了先降低后增加的趋势(图 4)。%AS-TOC和%AS-TN对有机质降解和转化的指示取决于有机质的降解程度和生物源有机质向细菌有机质转化中影响更为显著的一方。作为半易降解有机质, 氨基糖的活性仅次于氨基酸等活性有机质[38], 在活性有机质的快速降解的过程中表现为%AS-TOC和%AS-TN的降低, 但当有机质由浮游生物来源转化为细菌来源占主导时, %AS-TOC和%AS-TN的数值又会增加[39-40]。长江口表层沉积物中较高%AS-TOC和%AS-TN可能是由于其陆源有机质的贡献较高, 且陆源有机质在输送至长江口的过程中经历了长时间的降解, 细菌源有机质占主导产生了较高的%AS-TOC和%AS-TN值; 随离岸距离增加, 光限制的降低增加了水体的初级生产, 活性有机质的贡献随海洋自生有机质的输入增加, %AS-TOC和%AS-TN相较于长江口区域有所降低, 同时也随活性有机质的降解持续降低; 在外海区域, 沉积物中海源有机质的深度降解又导致细菌氨基糖的贡献有所增加, 表现为%AS-TOC和%AS-TN回升。而仅从南黄海近岸区域较高的%AS-TOC与%AS-TN不能判断该区域有机质降解的相对程度。
除含量之外, 氨基糖的组成在不同生物体内也具有较大差异。GlcN/GalN在藻类体内变化范围较大, 为0.4~20.5, 桡足类动物体内的比值为14.2~20.9, 而细菌体内的比值偏低, 为1.6~3.4[37]。在有机质持续异养改造过程中, GlcN/GalN不断下降直至3以下, 表明有机质来源由浮游生物向细菌过渡[39]。在调查的表层沉积物样品中, 除了C5站位和36-2站位, 其他站位的GlcN/GalN都在3以下(图 6)。长江口及其邻近海域和南黄海表层沉积物中的GlcN/GalN分别为0.96~3.77和0.96~3.42, 平均值分别为1.76±0.72和1.83±0.66。因此, 无论是长江口及其邻近海域还是南黄海表层沉积物中的氨基糖均主要来源于细菌而非浮游生物, 表层沉积物中的有机质均经历了充分的降解而具有较低的生物活性。虽然南黄海表层沉积物中GlcN/GalN略高于长江口及其邻近海域, 但经独立样本t检验判断两者没有显著性差异(P>0.05)。分别将全部样品的GlcN和GalN对GlcN/ GalN进行相关性分析, 发现GlcN同GlcN/GalN呈现显著的正相关关系(R2=0.520, P<0.05), 但并没有发现GalN同GlcN/GalN具有相关性(图 3)。因此, GlcN作为不同生物体内含量最多且差异较大的氨基糖组分, 能够成为GlcN/GalN的决定性因素。而对GlcN与GalN进行相关性分析, 发现两者具有显著的正相关关系(R2=0.320, P<0.05), 表明两者存在相似的降解经历, GlcN/GalN在不同样品间的差异仅源于GlcN与GalN的来源不同。从空间分布上看, GlcN/ GalN在长江口及其邻近海域由近岸向远岸逐渐减少, 印证了%AS-TOC和%AS-TN在A5-8等外海站位的高值代表着较高的有机质降解程度。同时, 南黄海东部泥质区中GlcN/GalN高于西部近岸区域, 说明南黄海泥质区中新鲜浮游生物残体的含量较高, 而南黄海西侧近岸区域表层沉积物中有机质经历了更高程度的降解。其主要原因可能为南黄海沉积物的粒度呈现由近岸向中心变细的规律, 对有机质的吸附与保存效果更好[41]。
 |
| 图 6 南黄海与长江口及其邻近海域表层沉积物GlcN/GalN和GlcN/MurA分布图 Fig. 6 Distribution of GlcN/GalN and GlcN/MurA ratios in surface sediments of the South Yellow Sea, Yangtze River Estuary, and its adjacent areas |
GlcN/MurA同样具有较大变化范围。长江口及其邻近海域表层沉积物中GlcN/MurA为7.67~44.28, 平均值为18.22±9.96, 表现为由长江口向外海逐渐增加的趋势; 而南黄海表层沉积物中GlcN/MurA为7.00~60.49, 其平均值为18.80±13.84, 泥质区明显低于近岸区域。由于MurA相较于GlcN更易在环境中降解, 因此GlcN/MurA的低值指示了较高含量的细菌活体或刚刚死亡的细菌残体[19]。南黄海泥质区和长江口内及其近岸区域表层沉积物中较低的GlcN/MurA的表明沉积物中均存在含量较高的新鲜细菌残体, 有机质降解程度相对较低; 而长江口远岸区域和南黄海西侧近岸区域的高GlcN/MurA表明了更高程度的有机质降解。尽管缺乏相关性, GlcN/MurA对有机质降解程度的指示与%AS-TOC和%AS-TN较为吻合。
2.4 表层沉积物中细菌有机碳的估算细菌在有机碳的转化过程中起着至关重要的作用, 在将不稳定的浮游生物有机质降解为无机组分释放到环境中的同时, 持续产生难降解的细菌有机质并积累在沉积物中, 能够显著增加有机质的埋藏[39, 42]。MurA为细菌细胞壁肽聚糖中特有的氨基糖组分, 可用于估算沉积物总有机碳中细菌有机碳的相对贡献[43]:
| $\text { Bacterial OC }(\%)=\frac{\text { Biomarker }_{\text {OC }}}{\text { Biomarker }_{\text {Bacterial OC }}} \times 100 $ | (3) |
式中, BiomarkerOC和BiomarkerBacterial OC分别代表沉积物中测得的MurA含量和细菌中MurA的含量。在实验室纯培养条件下获得了MurA的端元值: 革兰氏阳性菌体内MurA质量摩尔浓度较高, 为166.7 μmol·g C‒1, 革兰氏阴性菌中MurA质量摩尔浓度为26.5 μmol·g C‒1。南黄海表层沉积物中革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌占比分别为18.7%和81.3%, 东海表层沉积物中革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌占比分别为15%和85%[44-45]。因此通过两种菌种的相对占比估算得到南黄海和东海的BiomarkerBacterial OC分别为52.7 μmol·g C‒1和47.5 μmol·g C‒1。
根据式(3)对调查区域表层沉积物中细菌有机质的相对贡献进行估算。长江口及其邻近海域表层沉积物中细菌有机碳对总有机碳的贡献为9.17%~68.51%, 平均值为21.90%±15.64%。由于其变异性较大, 本研究将4个高细菌贡献区域C1、C3、C4、C5做进一步分析, 发现该4个长江口内侧站位与外侧海域站位的细菌贡献存在显著性差异(P<0.05), 两个区域的平均值分别为39.28%±20.37%和14.95%±5.22%(图 7)。长江口内侧细菌有机质贡献偏高的原因为土壤中高浓度微生物残体随河流搬运到在此处并聚集[46-47], 促成了细菌有机质贡献的空间差异。南黄海表层沉积物中细菌有机碳的贡献低于长江口内侧区域但高于长江口外海域, 变化范围相对较小, 为8.66%~37.13%(平均值为20.24%±7.45%)。南黄海具有相对较高的细菌贡献可能得益于黄海冷水团为表层沉积物细菌种群提供了较为稳定的生存环境, 同时南黄海泥质区的细颗粒组分对MurA有较好的保存效果, 减缓了MurA的去除速率。此外, MurA较其他细菌有机质更易被降解, 而且可被细菌重新吸收利用形成肽聚糖, 因此, 本研究的计算结果可能为研究区域细菌有机碳贡献的下限值[48]。
 |
| 图 7 南黄海、长江口内区域与长江口近海域表层沉积物细菌有机质贡献 Fig. 7 Bacterial organic matter contributions in surface sediments from the South Yellow Sea, inner Yangtze River Estuary, Yangtze River Estuary, and its adjacent areas |
在上述讨论中我们发现, 虽然两区域的有机质均经历了细菌充分降解而活性较低, 但通过GlcN/GalN等指标可以发现南黄海区域相较于长江口及其邻近海域有机质降解程度更低。最近的研究表明, 日益强烈的人类活动对全球范围内尤其是受河流影响较大的边缘海的固碳能力产生了诸多负面影响[49-50]。水利部海河水利委员会发布的2022年《中国河流泥沙公报》显示, 2022年我国主要河流较多年平均年径流量偏小7%, 较多年平均年输沙量偏小73%[51]。以长江口为例, 三峡大坝等水利工程和植树造林等植被恢复工作改变了长江对东海有机碳的输出模式[52]。一方面, 河流径流量的变化改变了有机质在边缘海的迁移路径与沉降区域, 从而改变沉积物的沉积特征。河流的径流量减少, 河水的流速和输运能力会减小, 有机质更易在河道中沉积或在河口附近沉积, 导致边缘海沉积物中陆源有机质贡献降低[53-54]。另一方面, 河口三角洲区域的泥沙沉积分布对河流的泥沙供应十分敏感, 河流泥沙供应的减少导致沿岸海底侵蚀加剧, 细颗粒物含量增加[55-56]。这种趋势使得沉积物更容易在水动力过程的推动下进行横向迁移和再悬浮, 暴露于有氧环境中, 最终导致有机碳的更高程度降解。由此可以推断, 在人类活动的影响下, 河口近端沉积区的固碳能力在有机来源减少、沉积环境扰动增强的双重阻力作用下将率先被削弱。
作为远端泥质区, 南黄海泥质区有机质来自于渤海与北黄海沉积物的再悬浮与运输, 短时间内响应强度低于近端泥质区, 从而能在短时间内保持稳定的碳汇能力。同时南黄海中较细的颗粒和活性氧化铁组分通过吸附、螯合等机制对活性有机碳具有较好的保存效果[57]。然而, 河流径流量和泥沙量持续减少将增加远端泥质区沉积物粒径粗化的可能, 最终发生侵蚀[55]。因此, 边缘海有机碳埋藏能力的变化应当被持续关注, 为海洋碳汇在未来气候变化与人类活动影响的作用下的响应提供参考。
3 结论本文探究了在南黄海与长江口及其邻近海表层沉积物中的有机质的来源与降解程度, 探究了引起区域差异的因素与碳汇效应。结果表明, 所有沉积物中海源有机质占主要组分, 平均约占总有机质的70%。随着离岸距离增加, 陆源有机质的相对贡献减少而海源有机质的贡献逐渐增加。通过GlcN/GalN、%AS-TOC、%AS-TN共同分析发现, 中国边缘海表层沉积物中AS的主要来源为细菌, 且长江口及其邻近海域表层与南黄海近岸区域的沉积物中有机质的活性由近岸向远岸逐渐降低。南黄海泥质区对有机质有较好的保存作用, 在人类活动的干扰下仍然具有长期稳定碳埋藏的潜力, 以其为代表的远端泥质区将成为边缘海碳汇的重点区域。近期已有报道称氨基糖碳同位素对有机质降解过程有更精密的指示作用[48], 未来可利用这一工具得到对边缘海有机碳埋藏过程的新见解。
| [1] |
HEDGES J I, KEIL R G, BENNER R. What happens to terrestrial organic matter in the ocean?[J]. Organic Geochemistry, 1997, 27(5/6): 195-212. |
| [2] |
BAUER J E, CAI W J, RAYMOND P A, et al. The changing carbon cycle of the coastal ocean[J]. Nature, 2013, 504(7478): 61-70. DOI:10.1038/nature12857 |
| [3] |
JIAO N Z, LIANG Y T, ZHANG Y Y, et al. Carbon pools and fluxes in the China Seas and adjacent oceans[J]. Science China-Earth Sciences, 2018, 61(11): 1535-1563. DOI:10.1007/s11430-018-9190-x |
| [4] |
GUO J Q, YUAN H M, SONG J M, et al. Evaluation of sedimentary organic carbon reactivity and burial in the eastern China marginal seas[J]. Journal of Geophysical Research-Oceans, 2021, 126(4): e2021JC017207. DOI:10.1029/2021JC017207 |
| [5] |
CAO Y L, BI R, WANG X C, et al. The sources and burial of marine organic carbon in the eastern China marginal seas[J]. Frontiers in Marine Science, 2022, 9: 824181. DOI:10.3389/fmars.2022.824181 |
| [6] |
ZHAO B, YAO P, BIANCHI T S, et al. The remineralization of sedimentary organic carbon in different sedimentary regimes of the Yellow and East China Seas[J]. Chemical Geology, 2018, 495: 104-117. DOI:10.1016/j.chemgeo.2018.08.012 |
| [7] |
龚松柏, 高爱国, 林建杰, 等. 闽江下游及河口沉积物总碳的地球化学特征[J]. 应用海洋学学报, 2018, 37(3): 321-329. GONG Songbai, GAO Aiguo, LIN Jianjie, et al. Geochemical characteristics of total carbon in sediments of the lower reaches of Minjiang and its estuary[J]. Journal of Applied Oceanography, 2018, 37(3): 321-329. DOI:10.3969/J.ISSN.2095-4972.2018.03.003 |
| [8] |
WANG C L, HAO Z, GAO J H, et al. Reservoir construction has reduced organic carbon deposition in the East China Sea by half since 2006[J]. Geophysical Research Letters, 2020, 47(17): e2020GL087357. DOI:10.1029/2020GL087357 |
| [9] |
ZHANG M Y, LIU X T, XU F J, et al. Organic carbon deposition on the inner shelf of the East China Sea constrained by sea level and climatic changes since the last deglaciation[J]. Journal of Ocean University of China, 2023, 22(5): 1300-1312. DOI:10.1007/s11802-023-5476-x |
| [10] |
王越奇, 宋金明, 袁华茂, 等. 中国边缘海海洋沉积生态环境反演中的生物标志物[J]. 地质论评, 2023, 69(3): 1085-1105. WANG Yueqi, SONG Jinming, YUAN Huamao, et al. Biomarkers for reconstruction of marine sedimentary ecological environment in the China marginal seas[J]. Geological Review, 2023, 69(3): 1085-1105. |
| [11] |
DAUWE B, MIDDELBURG J J. Amino acids and hexosamines as indicators of organic matter degradation state in North Sea sediments[J]. Limnology and Oceanography, 1998, 43(5): 782-798. DOI:10.4319/lo.1998.43.5.0782 |
| [12] |
LOMSTEIN B A, NIGGEMANN J, JORGENSEN B B, et al. Accumulation of prokaryotic remains during organic matter diagenesis in surface sediments off Peru[J]. Limnology and Oceanography, 2009, 54(4): 1139-1151. DOI:10.4319/lo.2009.54.4.1139 |
| [13] |
SCHLEIFER K H, KANDLER O. Peptidoglycan types of bacterial cell walls and their taxonomic implications[J]. Bacteriological Reviews, 1972, 36(4): 407-477. DOI:10.1128/br.36.4.407-477.1972 |
| [14] |
NIGGEMANN J, SCHUBERT C J. Sources and fate of amino sugars in coastal Peruvian sediments[J]. Geochim Cosmochim Acta, 2006, 70(9): 2229-2237. DOI:10.1016/j.gca.2006.02.004 |
| [15] |
任成喆, 袁华茂, 宋金明, 等. 海洋环境中的氨基糖及其在有机质循环过程中的指示作用[J]. 地球科学进展, 2017, 32(9): 959-971. REN Chengzhe, YUAN Huamao, SONG Jinming, et al. Amino sugars and their indicating role in the cycling of organic matter in marine environment[J]. Advances in Earth Science, 2017, 32(9): 959-971. |
| [16] |
GUO J Q, SHEN Y, YUAN H M, et al. Bacterial reworking of particulate organic matter in a dynamic marginal sea: Implications for carbon sequestration[J]. Organic Geochemistry, 2023, 179: 104583. DOI:10.1016/j.orggeochem.2023.104583 |
| [17] |
魏金娥, 张洪海, 陈岩, 等. 渤海表层沉积物中氨基糖的分布特征及对有机质来源和降解的指示探究[J]. 海洋环境科学, 2021, 40(4): 568-575. WEI Jine, ZHANG Honghai, CHEN Yan, et al. Study on the distributions of amino sugars and their indications to organic matter sources and degradations in the surface sediments of the Bohai Sea[J]. Marine Environmental Science, 2021, 40(4): 568-575. |
| [18] |
REN C Z, YUAN H M, SONG J M, et al. Amino sugars as indicator of organic matters source and diagenesis in the surface sediments of the East China Sea[J]. Ecological Indicators, 2019, 97: 111-119. DOI:10.1016/j.ecolind.2018.10.011 |
| [19] |
KAWASAKI N, BENNER R. Bacterial release of dissolved organic matter during cell growth and decline: Molecular origin and composition[J]. Limnology and Oceanography, 2006, 51(5): 2170-2180. DOI:10.4319/lo.2006.51.5.2170 |
| [20] |
WU Q H, ZHANG J Y, ZHANG R D, et al. The source and diagenesis of sediment organic matter in the upper Pearl River Estuary as indicated by amino sugars[J]. Journal of Soils and Sediments, 2013, 13(5): 943-952. DOI:10.1007/s11368-012-0649-z |
| [21] |
ZHU R, LIN Y S, LIPP J S, et al. Optimizing sample pretreatment for compound-specific stable carbon isotopic analysis of amino sugars in marine sediment[J]. Biogeosciences, 2014, 11(17): 4869-4880. DOI:10.5194/bg-11-4869-2014 |
| [22] |
于培松, 薛斌, 潘建明, 等. 长江口和东海海域沉积物粒径对有机质分布的影响[J]. 海洋学研究, 2011, 29(3): 202-208. YU Peisong, XUE Bin, PAN Jianming, et al. Impact of sediment grain size on the distribution of organic matter in Changjiang River Estuary and East China Sea[J]. Journal of Marine Sciences, 2011, 29(3): 202-208. |
| [23] |
HU L M, SHI X F, GUO Z G, et al. Sources, dispersal and preservation of sedimentary organic matter in the Yellow Sea: The importance of depositional hydrodynamic forcing[J]. Marine Geology, 2013, 335: 52-63. DOI:10.1016/j.margeo.2012.10.008 |
| [24] |
CHEN Y, HU C, YANG G P, et al. Source, distribution and degradation of sedimentary organic matter in the South Yellow Sea and East China Sea[J]. Estuarine Coastal and Shelf Science, 2021, 255: 107372. DOI:10.1016/j.ecss.2021.107372 |
| [25] |
SONG G D, LIU S M, ZHU Z Y, et al. Sediment oxygen consumption and benthic organic carbon mineralization on the continental shelves of the East China Sea and the Yellow Sea[J]. Deep-Sea Research Part Ii-Topical Studies in Oceanography, 2016, 124: 53-63. DOI:10.1016/j.dsr2.2015.04.012 |
| [26] |
WEIJERS J W H, SCHOUTEN S, SCHEFUSS E, et al. Disentangling marine, soil and plant organic carbon contributions to continental margin sediments: A multi-proxy approach in a 20, 000 year sediment record from the Congo deep-sea fan[J]. Geochim Cosmochim Acta, 2009, 73(1): 119-132. DOI:10.1016/j.gca.2008.10.016 |
| [27] |
SU M, YAO P, WANG Z B, et al. Exploratory morphodynamic modeling of the evolution of the Jiangsu coast, China, since 1855: Contributions of old Yellow River-derived sediment[J]. Marine Geology, 2017, 390: 306-320. |
| [28] |
ZHOU L Y, LIU J, SAITO Y, et al. Coastal erosion as a major sediment supplier to continental shelves: example from the abandoned Old Huanghe (Yellow River) delta[J]. Continental Shelf Research, 2014, 82: 43-59. |
| [29] |
李立群, 王艳, 王彪, 等. 2009-2021年夏季长江口海域浮游生物群落结构时空分布特征及其影响因素研究[J]. 环境科学研究, 2024, 37(2): 233-245. LI Liqun, WANG Yan, WANG Biao, et al. Spatiotemporal distribution of plankton community structure in the Yangtze River Estuary in the summer of 2009-2021 and its influencing factors[J]. Research of Environmental Sciences, 2024, 37(2): 233-245. |
| [30] |
何柄震, 王艳, 王彪, 等. 2016-2021年长江口海域营养盐时空变化特征及其影响因素研究[J]. 环境科学研究, 2024, 37(2): 221-232. HE Bingzhen, WANG Yan, WANG Biao, et al. Spatiotemporal characteristics of nutrients in the Yangtze River Estuary from 2016 to 2021 and their influencing factors[J]. Research of Environmental Sciences, 2024, 37(2): 221-232. |
| [31] |
BLATTMANN T M, LIU Z, ZHANG Y, et al. Mineralogical control on the fate of continentally derived organic matter in the ocean[J]. Science, 2019, 366(6466): 742-745. |
| [32] |
朱艳宸, 李丽, 王鹏, 等. 海洋氮循环中稳定氮同位素变化与地质记录研究进展[J]. 地球科学进展, 2020, 35(2): 167-179. ZHU Yanchen, LI Li, WANG Peng, et al. Progress in the study of marine stable nitrogen isotopic changes and its geological records[J]. Advances in Earth Science, 2020, 35(2): 167-179. |
| [33] |
LIU X J, TANG D H, GE C D. Distribution and sources of organic carbon, nitrogen and their isotopic composition in surface sediments from the southern Yellow Sea, China[J]. Marine Pollution Bulletin, 2020, 150: 110716. |
| [34] |
MCKINNEY R A, NELSON W G, CHARPENTIER M A, et al. Ribbed mussel nitrogen isotope signatures reflect nitrogen sources in coastal salt marshes[J]. Ecological Applications, 2001, 11(1): 203-214. |
| [35] |
LI T N, ZHANG G C, WANG S, et al. The isotopic composition of organic carbon, nitrogen and provenance of organic matter in surface sediment from the Jiangsu tidal flat, southwestern Yellow Sea[J]. Marine Pollution Bulletin, 2022, 182: 114010. |
| [36] |
RUIZ-FERNANDEZ A C, HILLAIRE-MARCEL C, GHALEB B, et al. Recent sedimentary history of anthropogenic impacts on the Culiacan River Estuary, northwestern Mexico: geochemical evidence from organic matter and nutrients[J]. Environmental Pollution, 2002, 118(3): 365-377. |
| [37] |
BENNER R, KAISER K. Abundance of amino sugars and peptidoglycan in marine particulate and dissolved organic matter[J]. Limnology and Oceanography, 2003, 48(1): 118-128. |
| [38] |
CARSTENS D, SCHUBERT C J. Amino acid and amino sugar transformation during sedimentation in lacustrine systems[J]. Organic Geochemistry, 2012, 50: 26-35. |
| [39] |
LEHMANN M F, CARSTENS D, DEEK A, et al. Amino acid and amino sugar compositional changes during in vitro degradation of algal organic matter indicate rapid bacterial re-synthesis[J]. Geochim Cosmochim Acta, 2020, 283: 67-84. |
| [40] |
REN C Z, YUAN H M, SONG J M, et al. The use of amino sugars for assessing seasonal dynamics of particulate organic matter in the Yangtze River estuary[J]. Marine Chemistry, 2020, 220: 103763. |
| [41] |
韩天伟, 吕晓霞, 宋金明, 等. 南黄海表层沉积物中生源要素的分布规律及其环境意义[J]. 广西科学院学报, 2017, 33(2): 87-92, 101. HAN Tianwei, LÜ Xiaoxia, SONG Jinming, et al. Distribution of biogenic elements and their environmental implications in the surface sediments of the South Yellow Sea[J]. Journal of Guangxi Academy of Sciences, 2017, 33(2): 87-92, 101. |
| [42] |
ALKHATIB M, SCHUBERT C J, DEL GIORGIO P A, et al. Organic matter reactivity indicators in sediments of the St. Lawrence Estuary[J]. Estuarine Coastal and Shelf Science, 2012, 102: 36-47. |
| [43] |
KAISER K, BENNER R. Major bacterial contribution to the ocean reservoir of detrital organic carbon and nitrogen[J]. Limnology and Oceanography, 2008, 53(1): 99-112. |
| [44] |
FENG B W, LI X R, WANG J H, et al. Bacterial diversity of water and sediment in the Changjiang estuary and coastal area of the East China Sea[J]. Fems Microbiology Ecology, 2009, 70(2): 236-248. |
| [45] |
LIU J W, LIU X S, WANG M, et al. Bacterial and archaeal communities in sediments of the north Chinese marginal seas[J]. Microbial Ecology, 2015, 70(1): 105-117. |
| [46] |
周家昊, 褚军杰, 孙万春, 等. 有机碳对土壤团聚体形成的影响研究进展[J]. 河南农业科学, 2023, 52(11): 10-20. ZHOU Jiahao, CHU Junjie, SUN Wanchun, et al. Research progress on the effect of organic carbon on the formation of soil aggregates[J]. Journal of Henan Agricultural Sciences, 2023, 52(11): 10-20. |
| [47] |
马玲玲, 杨世福, 林钊凯, 等. 土壤氨基糖及影响其积累的因素综述[J]. 生态科学, 2022, 41(5): 252-263. MA Lingling, YANG Shifu, LIN Zhaokai, et al. Soil amino sugars and the factors affecting their accumulation[J]. Ecological Science, 2022, 41(5): 252-263. |
| [48] |
GUO J Q, ACHTERBERG E P, SHEN Y, et al. Stable carbon isotopic composition of amino sugars in heterotrophic bacteria and phytoplankton: Implications for assessment of marine organic matter degradation[J]. Limnology and Oceanography, 2023, 68: 2814-2825. |
| [49] |
KUMMU M, LU X X, WANG J J, et al. Basin-wide sediment trapping efficiency of emerging reservoirs along the Mekong[J]. Geomorphology, 2010, 119(3/4): 181-197. |
| [50] |
LUISETTI T, TURNER R K, ANDREWS J E, et al. Quantifying and valuing carbon flows and stores in coastal and shelf ecosystems in the UK[J]. Ecosystem Services, 2019, 35: 67-76. |
| [51] |
中华人民共和国水利部. 中国河流泥沙公报2022[R]. 北京: 中国水利水电出版社, 2023. Ministry of Water Resources of the People's Republic of China. China River Sediments Bulletin 2022[R]. Beijing: China Water & Power Press, 2023. |
| [52] |
WANG H, RAN X B, BOUWMAN A F, et al. Damming alters the particulate organic carbon sources, burial, export and estuarine biogeochemistry of rivers[J]. Journal of Hydrology, 2022, 607: 127525. |
| [53] |
AMANN R, LUDWIG W, SCHLEIFER K H. Identification and insitu detection of individual bacterial-cells[J]. Fems Microbiology Letters, 1992, 100(1/3): 45-50. |
| [54] |
WANG X X, ZHANG W, ZHOU F, et al. Distinct regulation of microbial processes in the immobilization of labile carbon in different soils[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2020, 142: 107723. |
| [55] |
GAO J H, SHI Y, SHENG H, et al. Rapid response of the Changjiang (Yangtze) River and East China Sea source-to-sink conveying system to human induced catchment perturbations[J]. Marine Geology, 2019, 414: 1-17. |
| [56] |
XU G, LIU J, LIU S F, et al. Modern muddy deposit along the Zhejiang coast in the East China Sea: Response to large-scale human projects[J]. Continental Shelf Research, 2016, 130: 68-78. |
| [57] |
李亢, 黄华梅. 活性铁对海洋沉积物中有机碳的保存作用[J]. 应用海洋学学报, 2024, 43(2): 384-394. LI Kang, HUANG Huamei. Role of reactive iron in the preservation of organic carbon in marine sediments[J]. Journal of Applied Oceanography, 2024, 43(2): 384-394. |