南京大学地理与海洋学院团队揭示大陆边缘砂质浊流是重要的“铁锈碳汇”

矿物-有机碳相互作用是海洋沉积有机碳实现长期保存的关键调控机制。其中，活性铁作为一种高反应性的矿物，是实现沉积有机碳长期保存的重要载体。已有研究表明，海洋沉积物中活性铁结合有机碳约占总有机碳的21.5%，是重要的“铁锈碳汇”。长期以来，相关研究主要集中于滨海湿地、河口/三角洲、大陆架等浅海稳定沉积环境。然而，早在1995年，Hedges就提出陆坡是大陆边缘碳埋藏的重要场所，该区域广泛发育砂质浊流（一种沿着陆坡奔涌而下的高密度泥沙混合流体，单次事件往往只持续数小时到数天），是沉积有机碳由浅海向深海搬运和保存的重要载体。目前，关于砂质浊流碳汇效应的研究多聚焦于总有机碳，该过程将如何影响活性铁结合有机碳的搬运与保存？砂质浊流是否可以形成高效的“铁锈碳汇”？对于上述科学问题，目前仍知之甚少，相关研究亟待展开。

近日，南京大学地理与海洋科学学院邹欣庆教授团队针对上述关键科学问题进行研究，研究基于南海北部陆坡沉积记录，结合全球多类沉积碳汇数据，揭示了砂质浊流对活性铁结合有机碳的快速埋藏机制，提出砂质浊流是大陆边缘一种此前被低估的“铁锈碳汇”。

图1 南海北部陆坡Q11岩心的区域背景及详细沉积特征：(a)取样地点和主要区域洋流的地图。(b)采样地区的地形地貌特征。(c) Q11岩心的高分辨率扫描图像与连续粒度剖面。

研究团队对南海北部的沉积岩芯开展沉积学与地球化学分析（图1），一共识别出五次砂质浊流事件（T2与T5事件为单期次砂质浊流，T1与T4事件为多期次砂质浊流，T3事件为逆粒序砂质浊流）。除此之外，团队还利用化学提取手段解析活性铁结合有机碳的赋存特征。同时整合全球多海域活性铁结合有机碳数据集，开展不同沉积环境的对比研究。

图2 南海北部陆坡 Q11 岩芯的沉积与地球化学特征记录：(a) 总有机碳含量及 δ13CTOC 值；(b) 活性铁结合有机碳含量及 δ13CFe-OC 值；(c) 活性铁含量；(d)活性铁结合有机碳占比；(e) OC/Fe 摩尔比；(f) 沉积物粒度组分比例；(g) 平均粒径与比表面积。

研究发现，砂质浊流沉积物中，活性铁结合有机碳占总有机碳的比例可达22.1?±?7.6%（图2），显著高于岩芯内普通半远洋背景沉积层，并与全球海洋表层沉积物的平均水平（21.5 ± 8.6%）相当。除此之外，浊流虽然瞬时发生，但其碳埋藏能力极强：砂质浊流层中总有机碳和活性铁结合有机碳的累积速率可高达 889.8 ± 519.9 g m-2 time-1 和 185.4 ± 84.6 g m-2 time-1，单次浊流事件带来的总有机碳和活性铁结合有机碳累积，比半远洋背景年累积高出三到四个数量级（图3）。在发生砂质浊流的陆坡中，活性铁结合有机碳的累积速率较大陆架高出百倍以上，并远超滨海湿地、河口三角洲等传统的碳汇区域（图3）。砂质浊流可能不只是简单搬运活性铁结合有机碳，还可能会改造活性铁结合有机碳的内在稳定性：浊流造就高孔隙砂质环境，驱动活性铁再氧化，并捕获水体、孔隙水中难降解有机碳，生成热稳定性更强的活性铁?有机碳复合体。

图3 Q11岩芯与其他不同沉积碳汇中的有机碳和活性铁结合有机碳的积累速率。(a) Q11 岩芯中有机碳和活性铁结合有机碳的积累速率。每个浊流层的积累速率通过积分有机碳密度分布来定量计算，每个事件仅得出一个积累速率值。不同颜色的深色背景代表不同类型的浊流事件沉积层。(b) Q11岩芯中半远洋沉积层与浊流层的层厚度、有机碳质量以及活性铁结合有机碳质量占比。(c-d) 基于文献数据计算得出的全球不同沉积碳汇中活性铁结合有机碳占比与积累速率的点位分布情况与统计分析。

基于上述结论，研究团队提出了砂质浊流的“铁锈碳泵”机制，可概括为双重效应（图4）：一是 “空间穿梭”效应。砂质浊流能够将活性铁结合的有机碳从陆架快速搬运至陆坡，使其逃离了背景沉积过程中缓慢而持续的降解过程，实现快速埋藏；二是 “捕获陷阱”效应。砂质浊流形成粗粒、高孔隙度、含氧的沉积环境，有利于活性铁氧化物的再氧化和弱结晶活性铁的形成。这些活性铁可能从水体或孔隙水中捕获难降解的溶解有机碳，形成高度稳定的铁结合有机碳。

图4 陆架边缘砂质浊流沉积与背景沉积（半深海沉积）的碳累积模式总结，以及陆架边缘不同类型浊流沉积的碳累积模式对比：(a) 砂质浊流模式；(b)背景沉积模式；(c)陆架边缘的砂质浊流模式；(d)陆架边缘的泥质浊流模式。

该研究将砂质浊流系统纳入全球活性铁结合有机碳的埋藏预算，提出大陆边缘砂质浊流是“铁锈碳泵”的新概念。这一认识不仅拓展了传统“铁锈碳汇”在浅水环境中的研究框架，也提示在评估全球海洋碳汇和气候变化预测时，需要重新审视陆坡和高能浊流沉积过程的贡献。研究团队表示，未来还需进一步研究不同类型浊流对活性铁结合有机碳保存效应的影响，以及浊流事件中活性铁-有机碳相互作用的微观机制。这些问题的解决，将有助于更准确地理解陆架边缘在全球碳循环中的角色。

相关成果以 “Sandy Turbidity Current acts as a Rusty Carbon Pump at the Shelf edge” 为题发表于 Geophysical Research Letters。本论文的第一作者为南京大学地理与海洋科学学院博士研究生张卓越，南京大学地理与海洋科学学院王成龙助理教授、邹欣庆教授为共同通讯作者，南京大学地球科学与工程学院陈天宇教授，中国海洋大学化学化工学院包锐教授，阜阳师范大学张阳副教授，南京大学地理与海洋科学学院博士生黄晓、硕士生陈子诚为论文的共同作者。研究得到国家自然科学基金、江苏省自然资源科技创新项目、中央高校基本科研业务费等项目资助。