極地峽灣有機碳來源和埋藏研究進展

萬霞，張海龍,2，肖曉彤,2

1. 中國海洋大學深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學中心和海洋化學理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室，青島 266100

2. 青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室海洋生態(tài)與環(huán)境科學功能實驗室，青島 266237

峽灣為末次冰盛期以來由冰川侵蝕和海平面波動而形成的中高緯度沿海河口，分布于43°N以北、42°S以南，被海水淹沒，呈槽型山谷[1-2]。峽灣是地球系統(tǒng)的水生關(guān)鍵區(qū)（Aquatic Critical Zones，ACZs），位于陸地、冰凍層、海洋和大氣層相互作用的交匯處，其生物地球化學過程對全球氣候變化和人類活動極為敏感[3]，具有全球單位面積最大的有機碳埋藏量[4]、較高的沉積速率、沉積物累積速率和有機碳累積速率，是研究碳循環(huán)的重要區(qū)域[1-5]。峽灣較高的沉積速率和較少的外部環(huán)境干擾能加速沉積有機碳埋藏到Mn富集厚度（即氧氣穿透深度）[6]以下，缺氧條件使有機碳降解由氧化分解轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬踹^程，而微生物通過厭氧過程分解的有機碳僅占氧化分解有機碳的10%左右[7]，因此，峽灣是有機碳儲存的理想場所，是研究碳循環(huán)以及重建高分辨率陸地和海洋古氣候變化的最佳地點之一[3,8]。

與其他河口、海灣相比，峽灣具有獨特的地形地貌，水道深而狹長，兩岸陡峭而高深，并且在水下有一個或者多個殘余冰磧堆積形成的海底冰坎（圖1），通常有河流流入峽灣前端[2-3,9]。峽灣有機碳來源和埋藏主要受以下5個因素影響：冰川類型、淡水顆粒物負荷量、氣候條件、海洋學特征（例如峽灣的三維環(huán)流）、峽灣兩岸斜坡的穩(wěn)定性[3]。根據(jù)氣候條件，峽灣可分為極地氣候峽灣、亞極地氣候峽灣和溫帶氣候峽灣[3,10-11]。極地氣候峽灣幾乎常年被海冰或冰架覆蓋，并存在永久的冰川，沉積物主要來自冰河床，也來自冰山和冰川下的河流；亞極地氣候峽灣在冬季有海冰覆蓋，但通常在夏季融化，夏季平均氣溫在0 ℃以上，冰川可能存在，沉積物主要來源于冰下物質(zhì)、冰下徑流、冰山和陸地徑流；溫帶氣候峽灣目前幾乎沒有冰川作用，并且全年為開闊水域，海冰只出現(xiàn)在局部區(qū)域，沉積物來源主要為陸地徑流[3,10-11]。

極地峽灣主要分為存在冰川作用的極地氣候峽灣和亞極地氣候峽灣，分布于格陵蘭島、加拿大北極區(qū)域、斯瓦爾巴特群島、南極洲以及南極洲鄰近島嶼[11-13]，由于北大西洋暖流以及伊爾明厄洋流的影響，有部分溫帶氣候峽灣位于亞極地區(qū)域的挪威和冰島[11,14]（圖2）。峽灣–冰川系統(tǒng)具有較高的有機碳累積速率，但與溫帶峽灣系統(tǒng)相比，極地峽灣陸地植被覆蓋較少，陸源有機碳輸入和海洋初級生產(chǎn)力較低，即使有機碳累積速率的最大值出現(xiàn)在格陵蘭島峽灣，但從全球范圍來看，溫帶峽灣系統(tǒng)整體上具有更高的有機碳累積速率（圖3）。南、北極峽灣冰川通過影響沉積有機碳的來源和保存，直接或間接控制沉積有機碳的累積和埋藏[3]。冰川融水輸入和海水輸入可控制沉積有機碳組成在峽灣的空間變化，而峽灣有機碳的組成可直接影響其儲存和埋藏，因此定量估算極地峽灣各來源沉積有機碳，對綜合理解峽灣有機碳累積或埋藏在氣候變化下的響應至關(guān)重要。目前，主要應用生物標志物、穩(wěn)定同位素（13C）、C/N比值、總有機質(zhì)放射性碳同位素（14C）和單體化合物放射性碳同位素[5,8,12,15-18]，結(jié)合端元模型對峽灣沉積有機質(zhì)進行區(qū)分和定量估算，如陸源和海源[19]，沉積巖源和生物源[12,15]，化石源、冰筏來源和海源[17]或者凍土有機碳源和海源等[20]。在全球變暖的背景下，冰川快速消融[3,21-22]，南、北極峽灣–冰川系統(tǒng)有機碳的生物地球化學過程的響應不同[13,23-25]。因此，厘清極地峽灣在冰川作用下的沉積有機碳累積和埋藏機制，對認識南、北極沉積有機碳對氣候變化的響應，以及全球碳循環(huán)和氣候變化具有重要意義。

圖 1 峽灣地形特征示意圖[2]Fig.1 Schematic diagram of fjord topographic features [2]

1 峽灣沉積有機碳空間分布特征

極地峽灣不同的氣候環(huán)境、洋流、冰川條件使得沉積有機碳的含量和組成、有機碳累積速率在不同的峽灣之間均呈現(xiàn)出不同的分布[22,24]。首先，在峽灣區(qū)域內(nèi)，沉積物有機碳的空間分布特征主要表現(xiàn)為從峽灣前端到峽灣口沉積有機碳含量和組成的梯度變化[24]。由于極地峽灣前端冰川融水的釋放、陸源物質(zhì)的輸入和峽灣口海水的輸入，峽灣的水文動力和生物地球化學沿著縱軸具有顯著的梯度變化[26-28]。從最靠外的峽灣口到靠近冰川鋒面的峽灣前端，峽灣的沉積速率和沉積物累積速率按量級遞增；研究者通過將沉積物累積速率與沉積有機碳含量擬合發(fā)現(xiàn)，兩者呈現(xiàn)顯著負相關(guān)，表明基巖礦物對沉積有機碳的稀釋是控制峽灣有機碳含量的主要因素之一[19]。因此通常由于冰川和徑流排出的大量懸浮礦物，沉積有機碳含量從峽灣內(nèi)部向外部峽灣遞增，例如位于斯瓦爾巴特群島的孔斯峽灣，其中部、外部站位的沉積有機碳含量是峽灣內(nèi)部站位的4～6倍[29]，但有研究指出，峽灣內(nèi)部可能存在冰川來源有機碳的輸入，反而導致峽灣內(nèi)部站位的沉積有機碳含量較高[26]。峽灣內(nèi)沉積有機碳組成的梯度變化表現(xiàn)為，由峽灣前端向峽灣口方向，海源有機碳含量逐漸增高[22,29]，并且總有機碳礦化速率向峽灣口方向增加，主要是由于灣口方向易降解的海源有機碳含量較高[22]。幾乎在所有峽灣沉積物分布模式中，粗粒度的沉積物通常更靠近峽灣的前端以及冰川的鋒面，并且沉積物粒徑向灣口方向減小，而初級生產(chǎn)力通常會在遠離冰川前緣的區(qū)域增加，因此在海灣口的沉積物中具有相對高比例的海源有機碳[30]。但在南極半島西部區(qū)域弗蘭德灣峽灣內(nèi)沉積分布模式的研究中發(fā)現(xiàn)，由于鄰近峽灣區(qū)域，強大的海流會使峽灣口沉積物再懸浮，冰川消融、海冰減少、上層南極繞極流（≥1.5 ℃）對初級生產(chǎn)力有促進作用，弗蘭德峽灣的沉積分布模式和沉積有機碳組成的梯度變化與之前相關(guān)研究的結(jié)果相反，表現(xiàn)為沉積物粒徑由峽灣前端向灣口方向增加，并且灣口主要為陸源有機質(zhì)，而峽灣前端為海源有機質(zhì)占主導（圖4）[30]，這樣的特征是否還存在于南極半島西部區(qū)域的其他峽灣，還需要進一步探究。

圖 2 南北極峽灣分布圖藍色線代表極地氣候峽灣，紅色線代表亞極地氣候峽灣，綠色線代表溫帶氣候峽灣。Fig.2 Distribution of fjords in north and south polar regionsPolar fjords are shown in blue, subpolar fjords in red, and temperate fjords in green.

圖 3 全球峽灣沉積物有機碳累積速率分布[5, 13-14, 19, 23-25, 27]灰色區(qū)代表溫帶峽灣分布區(qū)域。Fig.3 Global distribution in accumulation rate of organic carbon in fjords [5, 13-14, 19, 23-25, 27]The shaded areas are temperate fjords.

圖 4 弗蘭德峽灣和艾蒂安峽灣沉積分布示意圖 [30]UCDW為深層繞極流上層水體。Fig.4 Illustration of various sediment distribution processes in the Flandres Bay and Etienne [30]UCDW: upper circumpolar deep water.

圖 5 影響初級生產(chǎn)力驅(qū)動因素的空間示意圖[31]Fig.5 Spatial diagram of driving factors affecting primary productivity [31]

在各個極地峽灣之間，沉積有機碳含量主要受沉積物累積速率強烈波動的影響，區(qū)域性的有機碳含量與沉積物累積速率的顯著負相關(guān)表明，沉積物累積速率越高的峽灣有機碳含量越低。此外，全球峽灣的區(qū)域平均沉積物累積速率與表層沉積物有機碳含量均值的相關(guān)性（R2=0.69）比全球各峽灣沉積物累積速率與表層沉積物的有機碳含量均值的相關(guān)性（R2=0.41）更強，說明沉積物累積速率對沉積有機碳含量的影響，在全球范圍內(nèi)比在單個峽灣區(qū)域研究中具有更重要的指示意義，例如，由于阿拉斯加東南部峽灣和巴芬島峽灣涵蓋了從北部（冰川覆蓋）到南部（植被覆蓋）的各種峽灣類型，兩個區(qū)域的沉積物累積速率與區(qū)域各峽灣的沉積物有機碳含量均值具有極強的相關(guān)性[19]。在全球范圍內(nèi)，沉積物累積速率對有機碳累積速率和沉積有機碳含量的影響截然相反，研究者將有機碳累積速率與沉積物累積速率擬合發(fā)現(xiàn)，兩者呈正相關(guān)（R2=0.79）[19]，即沉積物累積速率較高的峽灣普遍具有較高的有機碳累積速率，例如格陵蘭島峽灣的沉積物累積速率為（26.24±59.26）kg·m-2·a-1，平均有機碳累積速率高達（356.6±849.4）gC·m-2·a-1，而斯瓦爾巴特群島峽灣的沉積物累積速率和平均有機碳累積速率分別為（3.15±3.83）kg·m-2·a-1和（38.80±47.40）gC·m-2·a-1[3]。各峽灣之間沉積物有機碳組成差異性主要受兩個相反的過程控制：淡水的輸入、海水的輸入[14]，這兩個基本過程又受到冰川活性和流域面積比值的控制[14,22]，例如，北大西洋區(qū)域極地峽灣由于受到溫暖和富營養(yǎng)的北大西洋暖流的影響，當?shù)責o冰川覆蓋，而斯瓦爾巴特群島和格陵蘭島東南部區(qū)域的峽灣受到海流影響依次減弱，有冰川作用和季節(jié)性海冰覆蓋，因此挪威峽灣的海源有機質(zhì)貢獻整體高于斯瓦爾巴特群島和格陵蘭島東南部。而對于分布在挪威中部和北部的峽灣，兩個區(qū)域峽灣系統(tǒng)的主要區(qū)別是總排水面積與峽灣表面積的比值，分別為14和1.3，對應的平均海源有機質(zhì)占比分別為46%和68%，比值越大表示淡水輸入越多，海源有機質(zhì)貢獻越小[14]。

2 冰川驅(qū)動下的有機碳埋藏機制

峽灣有機碳可分為原位產(chǎn)生和外源輸入兩類[3,14,19]，原位產(chǎn)生有機碳主要指峽灣生態(tài)系統(tǒng)中，上層水體浮游植物產(chǎn)生的有機碳；外源輸入有機碳則包括鄰近沿海海洋初級生產(chǎn)力的有機碳、陸地生物源碳、沉積巖源碳、風成黑碳以及潛在的石油污染[3]。研究發(fā)現(xiàn)，陸源有機質(zhì)占峽灣沉積有機碳的比例較高，智利、歐洲西北部和格陵蘭島峽灣的沉積有機碳來源研究顯示，陸源有機碳占沉積總有機碳的55%～62%，并占了全球海洋埋藏的陸源有機碳的（17±12）%[3,19]。海洋沉積物中有機碳的累積或埋藏受多種因素控制，如海洋和陸地初級生產(chǎn)力、人類活動、沉積物累積速率、底層水氧化作用和底棲生物群落組成[24]，較高的沉積有機碳通量主要受控于較高的沉積速率、較高的初級生產(chǎn)力、較高的真光層有機碳輸出效率以及較為有利的有機碳保存環(huán)境等因素的共同作用[6]。而高緯度峽灣的冰川作用可能使以上控制因素變得更加復雜。研究表明，在洋流和氣候環(huán)境相似的極地峽灣，有冰川的北極峽灣通常比沒有冰川的北極峽灣表現(xiàn)出更高的有機碳累積速率[24]。冰川可直接或間接影響峽灣有機碳的來源和保存，進而增加有機碳在峽灣的累積或埋藏速率。

首先，冰川可通過改變特定時空范圍內(nèi)浮游植物生長的限制因子（光照、常量營養(yǎng)元素或微量營養(yǎng)元素）[31-32]（圖5），間接影響峽灣–冰川系統(tǒng)的浮游植物初級生產(chǎn)力，冰川對浮游植物初級生產(chǎn)力的影響在很大程度上取決于冰川類型（海洋終端或陸地終端）。冰川峽灣的研究調(diào)查顯示，在北極區(qū)域，海洋終端冰川峽灣通常比陸地終端冰川峽灣具有更高的初級生產(chǎn)力（圖6）[33]。在陸地終端冰川峽灣，由于冰川融水中泥沙含量較高，以及細沉積物的再懸浮[31]，高渾濁度的冰川融水流入會使峽灣下游海洋環(huán)境產(chǎn)生光限制[3,34]，冰川融水從地表釋放，促使水體層化，阻礙了營養(yǎng)鹽的垂直供應[22,35]，并且使冰川融水中溶解的常量營養(yǎng)元素濃度降低，研究認為陸地終端冰川可能會抑制峽灣的初級生產(chǎn)力[31]。而在海洋終端冰川峽灣，冰川融水可從冰川接地線深處釋放，浮力和動量促使上升羽狀流形成，挾帶周圍的海水并混合[36-38]，豐富的營養(yǎng)鹽進入真光層，進而提高初級生產(chǎn)力[39]。但以上冰川對峽灣原位生產(chǎn)力的促進或抑制均在一定范圍內(nèi)，例如在陸地終端冰川峽灣，光限制范圍會受到冰川融水流出距離的控制，浮游植物初級生產(chǎn)力僅在光限制范圍內(nèi)被抑制；在海洋終端冰川峽灣，較高的初級生產(chǎn)力是在冰川鋒面下游小于80 km（冰川潛在影響范圍）的區(qū)域內(nèi)的總體表現(xiàn)[31]，而在峽灣前端（靠近冰川鋒面），渾濁羽狀流內(nèi)部的初級生產(chǎn)力較低[22]。因此，冰川對極地峽灣初級生產(chǎn)力的影響需要結(jié)合采樣位置和相應時空下的限制因子來進行具體分析，也需要考慮季節(jié)和年際變化。其次，峽灣–冰川系統(tǒng)中微量營養(yǎng)元素對浮游植物初級生產(chǎn)力的影響表現(xiàn)為冰川融水顆粒鐵含量極高[31]，但大量冰川來源的顆粒鐵能在多大程度上遷移到開闊大洋，并對存在鐵限制海域的初級生產(chǎn)力的影響如何，以及顆粒鐵如何轉(zhuǎn)化為生物可利用溶解態(tài)鐵，還尚不明確[31,40]。此外，在峽灣–冰川系統(tǒng)中，冰川輸入的大量巖性物質(zhì)對有機碳具有壓實作用[31,41]，加速有機碳被運移到深層，提高了生物碳泵效率[31]，因此，與其他大陸架系統(tǒng)相比，峽灣–冰川系統(tǒng)可能具有較高的真光層有機碳輸出效率。

圖 6 水文洋流及其對海洋終端冰川和陸地終端冰川峽灣生物地球化學的影響[38]Fig.6 The hydrodynamic circulations and their impact on biogeochemistry of fjords affected by marine-terminating glaciers and by land-terminating glaciers [38]

與浮游植物初級生產(chǎn)力相比，冰川對陸源有機碳的影響更為直接，陸源有機碳可分為沉積巖源有機碳（OCpetr-terr）和生物源有機碳（OCbio-terr）[3]。冰川通過對極地峽灣基巖的物理侵蝕，將基巖顆粒輸送到峽灣。OCpetr-terr是指在基巖中被保存了上千年的生物成因有機碳[3]，極地峽灣中OCpetr-terr輸入除了受到冰川侵蝕的驅(qū)動，還與峽灣基巖的類型有關(guān)，因為OCpetr-terr主要存在于沉積巖中，而在火成巖、火山巖和變質(zhì)巖中含量極少可忽略不計[3]。例如，阿拉斯加東南部峽灣基巖主要由沉積巖組成，貢獻了北美東南沿海最多的OCpetr-terr輸入[15]，而新西蘭峽灣基巖為火成巖，沉積物中的OCpetr-terr含量較小[42]。此外，OCpetr-terr在進入海洋環(huán)境后仍與云母和綠泥石等礦物緊密結(jié)合，可減少有機碳在水環(huán)境中的釋放，并降低潛在反應活性[3]，因此，與存在土壤有機質(zhì)輸入的中緯度峽灣相比，極地峽灣有機碳埋藏程度可能更高。除了冰川侵蝕搬運的OCpetr-terr，陸地有機碳也可通過冰川融水形成的徑流進入峽灣[22]。OCbio-terr指新鮮的陸地植被與維管植物的降解殘留物質(zhì)和腐殖質(zhì)退化物質(zhì)組成的土壤有機碳[3]。通過對峽灣沉積物中單體化合物的放射性碳同位素分析，發(fā)現(xiàn)極地峽灣沉積物中土壤有機碳的停留時間比溫帶峽灣長[3]，例如，挪威斯和瓦爾巴群島峽灣沉積物的放射性碳測定表明，土壤有機碳可能有數(shù)千年的停留時間[17]，而新西蘭峽灣沉積物土壤有機碳的年齡僅有幾百年[42]。因此，冰川侵蝕和冰川融水對OCpetr-terr和OCbio-terr的搬運，以及峽灣內(nèi)較高的沉積速率[43]，使南、北極峽灣具有巨大的有機碳埋藏潛能。

在沉積有機碳的保存方面，有機碳沉積到海底后有三種結(jié)果，一是經(jīng)歷再礦化過程，成為溶解有機碳、營養(yǎng)鹽和二氧化碳，重新進入生物地球化學循環(huán)；二是通過攝食被儲存在底棲生物中；三是被埋到更深的沉積層進而與大氣隔離上百年[24]。由于冰川侵蝕搬運和峽灣地形地貌的幾何特征，極地峽灣的沉積速率普遍較高[43-44]，目前在發(fā)生冰川消融的峽灣中，已測得最大沉積速率為1 m·a-1[45]。另外，較高的沉積物累積速率，可迅速將累積的有機碳埋藏在Mn富集層厚度以下，減少了有機碳在有氧環(huán)境中的暴露時間，有利于沉積有機碳的保存。研究表明，有機質(zhì)的埋藏速率和保存程度與總沉積速率呈正相關(guān)[46]。此外，冰川輸入的無機相（鐵、錳）可能有效地吸附溶解有機碳，或與溶解的有機化合物共沉淀，促進有機碳長期埋藏[3,47]。在冰川融水和陸地徑流的影響下，極地峽灣水體可能出現(xiàn)季節(jié)性層化，以及可能會出現(xiàn)底層水低氧、缺氧的情況，微生物的厭氧氧化作用所消耗的有機碳較少，有利于保存更多的有機碳[48]。但目前有相關(guān)峽灣底層水缺氧或低氧的研究較少[5]，水體層化的現(xiàn)象是否普遍存在于南、北極峽灣尚不清楚[3]。

3 放射碳同位素技術(shù)在峽灣有機碳埋藏研究中的應用

近年來，峽灣在全球碳循環(huán)和有機碳埋藏中發(fā)揮著重要作用，因此了解峽灣沉積有機碳的來源特征，對準確估算有機碳埋藏速率，以及認識峽灣有機碳埋藏和沉積有機碳組成對氣候變化、冰川加速消融的響應至關(guān)重要。目前主要通過測定多參數(shù)生物標志物，包括烷烴、烯酮、甾醇、脂肪酸、木質(zhì)素、甘油二烷基甘油四醚（GDGTs），結(jié)合有機碳穩(wěn)定同位素13C和端元模型估算不同來源有機碳的貢獻。多參數(shù)生物標志物法相對減小了單一生物標志物或指數(shù)估算方法的不確定性，例如，在冰島峽灣全新世陸源有機碳沉積記錄的研究中，不同生物標志物的陸源指標具有相似的變化趨勢，基于GDGTs的BIT指數(shù)、烷烴烯酮指數(shù)（n-alkane/alkenone）和C/N比值，結(jié)合3種指標的端元模型可得到近似準確的陸源有機碳變化[8]，全新世以來沉積物中陸源有機碳存量的貢獻持續(xù)增加，這可能是由氣候變化而非沉積速率變化所驅(qū)動，并且在全新世晚期，人類活動可能逐漸成為重要影響因素之一[8]。前人研究顯示，峽灣沉積有機碳近1 000年來的變化不僅由氣候變化驅(qū)動，而且還受到人類活動的影響，在人類活動導致陸源擾動的時期，有機碳埋藏速率遠遠超過了更早的全新世[49]，這表明，在有機碳大量輸入的時期，峽灣具有較高的有機碳儲存能力，以此起到氣候調(diào)節(jié)的作用[50]。雙碳同位素（13C和14C）技術(shù)被廣泛用于估算極地環(huán)境沉積有機質(zhì)中不同來源和不同年齡有機質(zhì)的貢獻，如多年凍土土壤有機質(zhì)[51]以及含有來自多年凍土土壤有機質(zhì)的極地海洋沉積物[52]。研究者利用沉積短柱中的脂質(zhì)生物標志物和總有機質(zhì)14C同位素，量化了亞南極區(qū)域兩個峽灣的有機碳埋藏記錄，結(jié)果顯示，在1985—2017年，入海冰川消融，使峽灣東部和西部區(qū)域的沉積巖源有機碳累積有所增加，因此，連續(xù)消融的冰川不僅釋放了沉積巖源有機碳，而且還增加了峽灣有機碳的埋藏量[3,12]。盡管應用雙碳同位素技術(shù)能夠區(qū)分多年凍土和海源有機質(zhì)來源以及可以區(qū)分不同凍土沉積類型的有機質(zhì)，但總有機質(zhì)14C的應用在化石源有機質(zhì)廣泛輸入的環(huán)境下受到很大的干擾，這限制了利用總有機質(zhì)14C評估多年凍土有機質(zhì)及峽灣沉積有機質(zhì)的逗留時間[17]。另外，Hage等利用RPO-14C（ramped pyrolysis/oxidation radiocarbon analysis）技術(shù)對加拿大峽灣濁流中的POC進行分析，發(fā)現(xiàn)粗顆粒濁流沉積物中有機質(zhì)含量遠高于泥質(zhì)層，年輕的生源有機質(zhì)被很好地保存（＞70%），提高了有機碳的埋藏效率。由于砂質(zhì)濁流普遍存在于峽灣區(qū)域，因此，對峽灣有機碳埋藏的進一步研究，有助于更加清楚地估算全球有機碳的埋藏和循環(huán)[53]。

生物標志物單體14C技術(shù)被用于從分子水平進一步來評估沉積有機質(zhì)中不同來源和不同年齡有機質(zhì)的貢獻[20,54]。比如，該技術(shù)已經(jīng)成功應用于定量估算中國陸架邊緣海沉積有機質(zhì)中不同來源和不同年齡有機質(zhì)的組成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)非現(xiàn)代有機質(zhì)（陳化有機質(zhì)和化石源有機質(zhì)）相對貢獻比例為（51±10）%，與沉積物中陸源有機質(zhì)的相對比例（平均（51±14）%）大致相等[55]。研究顯示，隨著氣候變暖，北極多年凍土有機質(zhì)的釋放量增加和搬運過程增強。Feng等對北極地表和深層（永久凍土）隨氣候變化的搬運機制進行了研究[56-57]。木質(zhì)素單體14C結(jié)果顯示河流徑流輸入是表層沉積物中年輕有機碳的主要來源，而14C年齡相對老的植物蠟質(zhì)生物標志物則主要來自不連續(xù)凍土層的古老有機質(zhì)。近些年來隨著河流徑流輸入增加，流動中古老碳的比例相對增加了3%～6%。有研究表明氣候變化是導致老的多年凍土有機質(zhì)被搬運的重要因素[56]。還有研究發(fā)現(xiàn)，Bayelva河和孔斯峽灣沉積物中有機質(zhì)14C受到化石源有機碳輸入的限制；而來自長鏈脂肪酸14C年齡（大約8 000～11 000 aBP）數(shù)據(jù)揭示了深層活動層/多年凍土有機碳的大量輸入，尤其是在Bayelva河及其河口位置；在孔斯峽灣中部長鏈烷酸年齡（2 500 aBP）相對年輕，可能來自其他凍土有機質(zhì)輸入影響，也可能是由于不同沉積速率或沉積物分選等物理因素所影響[20]。

4 峽灣沉積有機碳對全球氣候變暖的響應

在未來幾十年里，許多海洋終端冰川將在全球變暖的條件下撤退到陸地上，極地峽灣冰川類型的轉(zhuǎn)變將直接影響極地峽灣生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學過程[22]。例如，冰川向陸地的撤退改變了冰川鋒面上升流，并減少了營養(yǎng)物質(zhì)向峽灣真光層的通量，進而減少海洋初級生產(chǎn)力[38-39]。另外，礦物質(zhì)運輸減少和沉積物累積速率降低，可能導致冰川峽灣中有機碳埋藏速率下降[24]；但氣候變暖也使得極地峽灣海冰更薄、覆蓋范圍更小或者覆蓋時間更短，促使浮游植物生長周期變長；大氣CO2的增加，將會促進初級生產(chǎn)力并向海底輸送更多海源有機碳[24,58]（圖7），冰川撤退可能促進浮游植物初級生產(chǎn)力，也可能抑制初級生產(chǎn)力。因此，評估氣候變化對峽灣生態(tài)系統(tǒng)的影響是一個極大的挑戰(zhàn)[22]。另外，冰川撤退并非是一個簡單、漸進的過程，研究表明，在斯瓦爾巴特群島的163個冰川中，14個海洋終端冰川在過去的30～40年轉(zhuǎn)變?yōu)殛懙亟K端冰川，而有11個陸地終端冰川已經(jīng)進入海洋[22]。在長時間尺度上（約10 700 cal.aBP），峽灣浮游植物初級生產(chǎn)力可能受到流域面積和營養(yǎng)鹽供應的調(diào)控。全新世以來，北半球太陽輻射和經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流強度的改變，形成了不同的洋流系統(tǒng)，影響了營養(yǎng)鹽供應，進而影響了峽灣浮游植物的初級生產(chǎn)力[8]。研究表明，全新世溫暖的表層海洋環(huán)境可能會導致初級生產(chǎn)力的增加和陸源物質(zhì)貢獻的降低[59]。但極地峽灣的沉積主要受冰川融水動力作用和海冰、冰川侵蝕作用的控制，因此有大量的陸源有機碳來源[60]。在未來氣候變暖條件下，陸源有機碳輸入將顯著增加[3]。根據(jù)冰島峽灣巖芯全新世以來的沉積記錄，陸源有機碳的輸入受氣候變化的控制，全新世早期，由于太陽輻射增強，冰川不斷消融，土壤面積和陸地植被覆蓋增加，峽灣陸源有機碳貢獻由2%增至18%；約8 200年前，冷事件又阻止了冰島北部區(qū)域陸地土壤和植被的發(fā)展，峽灣陸源有機碳貢獻減少；上述冷事件持續(xù)的時間較短，在早全新世暖期（8 600～5 400 cal.aBP），冰島峽灣陸源有機碳輸入整體呈現(xiàn)增加趨勢[8]。然而，冰川消融也可能使陸源輸入峽灣的粗顆粒物質(zhì)減少，這是由于大量粗顆粒物質(zhì)會首先在陸地河床沉積，在上游形成的湖泊將形成臨時的匯，顯著改變沉積物進入峽灣的路線，同時缺乏冰山的搬運，所以從長時間尺度來看，冰川的減少將導致懸浮物質(zhì)輸出減少甚至使?jié)崃魍Ｖ筟61-63]。因此，冰川未來的撤退模式將決定峽灣沿岸的水動力條件，以及其對碳埋藏和生態(tài)系統(tǒng)的影響[62]。另外，冰川的撤退模式可能與峽灣的地形條件有關(guān)，在1992—2010年，新地群島90%的冰川都在撤退，其中海洋終端冰川的退縮率（52.1 m·a-1）比陸地終端冰川的退縮率（4.8 m·a-1）高一個數(shù)量級，并且峽灣寬度變化是調(diào)節(jié)冰川對氣候變化響應的一個關(guān)鍵因素，表現(xiàn)為峽灣寬度與冰川總退縮率之間顯著相關(guān)[21]。

圖 7 極地峽灣陸源物質(zhì)運輸和生物地球化學過程示意圖[22]a. 目前的海洋終端冰川，b. 未來的陸地終端冰川。Fig.7 Schematic of material transport and biogeochemical processes by (a) the present marine terminating glaciers and(b) the future land terminating glaciers in polar fjords [22]

高緯度峽灣被認為是不成熟的生態(tài)系統(tǒng)[9]，地質(zhì)構(gòu)造年輕。對于北極區(qū)域的峽灣生態(tài)系統(tǒng)，研究認為變暖會改變其有機碳來源的相對貢獻，并誘導峽灣海底系統(tǒng)的成熟，形成穩(wěn)定的、生物適應的底棲生物群落，減少有機碳在沉積物中的埋藏[22-23]。此外，研究認為北大西洋暖流的流入維持了歐洲西北部以及挪威北部峽灣的高有機碳埋藏速率，而持續(xù)的氣候變化將改變北大西洋暖流的強度，進而可能對北大西洋峽灣的碳埋藏產(chǎn)生顯著影響，例如，溫暖、富營養(yǎng)的北大西洋海水往歐洲北極海域流入持續(xù)增強，即北歐海域的大西洋化[64]，會增加對歐洲西北部峽灣的營養(yǎng)鹽供應，提供利于生物生長繁殖的溫鹽條件，使峽灣生物量增加[14]，并且北極海冰覆蓋面積的減小也會提高浮游植物生產(chǎn)力，并改變峽灣的沉積速率[65]，從而影響峽灣有機質(zhì)通量和有機碳累積或埋藏量。目前南極半島西部90%的冰川正在加速撤退，峽灣成為南極洲增長最快和最新的棲息地之一。據(jù)估算，在南極半島新出現(xiàn)的峽灣系統(tǒng)中每年有超過7.8×108gC被埋藏，表明即使冰川退縮，極地峽灣仍然具有很強的碳埋藏能力[13]。因此，不同地域條件的極地峽灣，其海洋環(huán)境、冰川狀態(tài)對全球變暖的響應不同，沉積物有機碳的累積或埋藏受到的影響不同，為了能夠嚴格評估和進一步預測冰川撤退對峽灣沉積物生物地球化學的影響，還需要對冰前帶（proglacial zone）與峽灣沉積物的生物地球化學過程、陸海相互作用、生態(tài)系統(tǒng)功能之間的聯(lián)系和反饋展開進一步研究[3]。

5 總結(jié)和展望

（1）在全球氣候變化的背景下，峽灣的生物地球化學過程發(fā)生了劇烈的變化。峽灣的特殊地形及生物地球化學特性使其成為有機碳埋藏和儲存的重要區(qū)域。全球峽灣的有機碳埋藏量約占全球海洋有機碳埋藏量的11%，由于存在冰川作用，極地峽灣沉積有機碳的輸入、遷移轉(zhuǎn)化和埋藏呈現(xiàn)出與溫帶峽灣不同的特征，并且極地峽灣灣內(nèi)以及各峽灣之間的沉積有機碳來源、組成和累積、埋藏速率均存在空間差異。因此，厘清峽灣沉積有機碳的來源對認識峽灣有機碳埋藏至關(guān)重要

（2）目前有關(guān)峽灣傳輸、儲存以及向沿海延遲輸送的有機碳定量研究還較少，也難以明確冰川輸入有機碳的確切歸宿。此外，富載鐵和懸浮顆粒物的冰川融水可能有利于有機碳礦物組合的形成，從而降低了從冰凍圈輸出有機碳的生物利用度。但冰川輸出物質(zhì)中有多少被代謝，或被埋藏在峽灣沉積物中，還需要進一步探討。

（3）近年來，預測全球氣候變化是否會對峽灣的陸源有機碳輸入、海洋生產(chǎn)力和生物地球化學過程起協(xié)同或?qū)棺饔?，以及在不同的緯度梯度上如何發(fā)生變化仍然是一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，因此，為了厘清氣候變化下峽灣沉積有機碳對冰川撤退的響應機制，還需進一步對峽灣區(qū)域長時間尺度沉積物巖芯中不同來源和不同年齡有機碳來源和組成開展研究。