Organic carbon mineralization pathways in the muddy sediments of the South Yellow Sea: Insights from steady-state modeling of porewater  

南黃海泥質(zhì)沉積物中有機(jī)碳礦化路徑：基于孔隙水穩(wěn)態(tài)模型的見解  

來源： Applied Geochemistry 138 (2022) 105237

《應(yīng)用地球化學(xué)》第138卷 2022年 文章編號(hào)：105237

 

摘要

探討了南黃海（SYS）泥質(zhì)沉積物中有機(jī)碳（OC）微生物礦化的路徑、速率及其對(duì)元素循環(huán)的影響。通過多組分耦合反應(yīng)-傳輸模型（CANDI）模擬孔隙水化學(xué)，量化了三個(gè)站位（H5、H16、H18）的OC礦化路徑（包括有氧呼吸、反硝化、錳/鐵異化還原、硫酸鹽還原和產(chǎn)甲烷作用）。結(jié)果顯示：OC礦化總速率為5.1–18.3 mmol C m?2 d?1；有氧呼吸為主導(dǎo)路徑（平均貢獻(xiàn)62%），其次為硫酸鹽還原（22.6%）、錳/鐵異化還原（8.4%）和反硝化（6.1%）；產(chǎn)甲烷作用可忽略。OC埋藏效率約為19%，泥質(zhì)區(qū)礦化和埋藏分別占輸入海洋總OC的7.3%和1.7%。  

 

研究目的

定量表征南黃海沉積物中OC礦化路徑的速率和相對(duì)貢獻(xiàn)，填補(bǔ)中國邊緣海沉積物OC礦化路徑數(shù)據(jù)的空白，并為碳、硫、鐵等元素的生物地球化學(xué)循環(huán)及沉積物-水界面（SWI）通量提供定量依據(jù)。  

 

研究思路

包括：1）在南黃海泥質(zhì)區(qū)選取三個(gè)代表性站位（H5高OC區(qū)、H16低沉積速率區(qū)、H18南部過渡區(qū)），采集沉積物柱狀樣；2）使用丹麥Unisense微電極原位測(cè)量O?、H?S剖面（未檢出H?S），實(shí)驗(yàn)室分析孔隙水（DIC、SO?2?、Mn2?、Fe2?、NH??）和固相（TOC、反應(yīng)性Fe(III)/Mn(IV)氧化物）；3）基于穩(wěn)態(tài)假設(shè)，應(yīng)用CANDI模型模擬OC礦化路徑，擬合孔隙水和固相數(shù)據(jù)；4）通過敏感性分析優(yōu)化模型參數(shù)（如OC降解速率常數(shù)k?、k?）；5）整合模型結(jié)果計(jì)算OC收支及埋藏效率。  

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義  

測(cè)量數(shù)據(jù)：使用丹麥Unisense微電極原位測(cè)量O?深度剖面（來自圖3）。研究意義：直接獲取沉積物-水界面氧化還原梯度，確定O?滲透深度（9.5–17.5 mm），為有氧呼吸速率建模提供關(guān)鍵約束，驗(yàn)證模型對(duì)氧化條件的模擬準(zhǔn)確性。  

 

 

測(cè)量數(shù)據(jù)：孔隙水DIC、SO?2?、Mn2?、Fe2?、NH??濃度（來自圖3）。研究意義：DIC和NH??作為OC礦化代謝產(chǎn)物，直接反映礦化強(qiáng)度；SO?2?近乎恒定（26.2–28.9 mmol/L）表明硫酸鹽還原微弱；Mn2?/Fe2?剖面指示金屬還原區(qū)域。這些數(shù)據(jù)用于校準(zhǔn)模型對(duì)礦化路徑和反應(yīng)速率的模擬。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)：固相TOC含量及反應(yīng)性Fe(III)/Mn(IV)氧化物（來自圖3和圖5）。研究意義：TOC垂直分布（H5:1.55 wt% → H16/H18:0.68–0.72 wt%）反映OC礦化程度；Fe(III)/Mn(IV)含量（0.10–0.21 wt%）約束鐵/錳還原路徑的電子受體供應(yīng)，支持模型對(duì)金屬還原速率的量化。  

 

結(jié)論  

OC礦化路徑貢獻(xiàn)排序：有氧呼吸（62%） > 硫酸鹽還原（22.6%） > 鐵/錳異化還原（8.4%） > 反硝化（6.1%） > 產(chǎn)甲烷（可忽略）。有氧呼吸主導(dǎo)歸因于OC低活性（快降解庫G1僅占TOC 12–20%，k?=0.6–1.65 yr?1；慢降解庫G2占29–48%，k?=10??–10?? yr?1）。  

 

泥質(zhì)區(qū)OC礦化速率（面積加權(quán)均值9.8 mmol C m?2 d?1）和埋藏速率（2.33 mmol C m?2 d?1）分別占輸入海洋總OC的7.3%和1.7%，埋藏效率19%反映泥質(zhì)區(qū)是重要碳匯。  

 

模型成功復(fù)現(xiàn)多數(shù)孔隙水?dāng)?shù)據(jù)（圖3），但DIC和Mn2?在淺層（0–8 cm）高估，原因可能未考慮生物灌溉（bioirrigation）和Mn2?沉淀過程。  

 

使用丹麥unisense電極測(cè)量出來數(shù)據(jù)的研究意義  

使用丹麥Unisense微電極原位測(cè)量的O?剖面數(shù)據(jù)（圖3）具有高時(shí)空分辨率意義：  

精準(zhǔn)量化氧化條件：微電極（尖端50μm）以μm級(jí)步進(jìn)掃描沉積物剖面，直接獲取O?滲透深度（OPD=9.5–17.5 mm），揭示SWI附近氧化層厚度，為有氧呼吸建模提供不可替代的邊界條件。  

 

約束有氧呼吸速率：結(jié)合模型，O?消耗梯度（如H5站SWI處速率664 mmol C L?1 yr?1）反演有氧呼吸對(duì)OC礦化的主導(dǎo)貢獻(xiàn)（62%），解釋其高占比源于低活性O(shè)C導(dǎo)致的緩慢O?消耗和較大作用深度。  

 

驗(yàn)證模型可靠性：實(shí)測(cè)OPD與模擬O?剖面高度吻合（圖3），證實(shí)模型對(duì)氧化還原分區(qū)的模擬準(zhǔn)確性，支持多路徑礦化速率計(jì)算的可靠性。  

 

補(bǔ)充H?S檢測(cè)：雖未檢出H?S，但電極的高檢測(cè)限（μM級(jí)）確認(rèn)沉積物中硫酸鹽還原微弱，與孔隙水SO?2?恒定、低TRIS（<0.38 wt%）數(shù)據(jù)一致，為硫酸鹽還原路徑的低貢獻(xiàn)（22.6%）提供實(shí)證。