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

南黃海泥質沉積物中有機碳礦化路徑：基于孔隙水穩態模型的見解  

來源： Applied Geochemistry 138 (2022) 105237

《應用地球化學》第138卷 2022年 文章編號：105237

 

摘要

探討了南黃海（SYS）泥質沉積物中有機碳（OC）微生物礦化的路徑、速率及其對元素循環的影響。通過多組分耦合反應-傳輸模型（CANDI）模擬孔隙水化學，量化了三個站位（H5、H16、H18）的OC礦化路徑（包括有氧呼吸、反硝化、錳/鐵異化還原、硫酸鹽還原和產甲烷作用）。結果顯示：OC礦化總速率為5.1–18.3 mmol C m?2 d?1；有氧呼吸為主導路徑（平均貢獻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%）；產甲烷作用可忽略。OC埋藏效率約為19%，泥質區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貢獻，填補中國邊緣海沉積物OC礦化路徑數據的空白，并為碳、硫、鐵等元素的生物地球化學循環及沉積物-水界面（SWI）通量提供定量依據。  

 

研究思路

包括：1）在南黃海泥質區選取三個代表性站位（H5高OC區、H16低沉積速率區、H18南部過渡區），采集沉積物柱狀樣；2）使用丹麥Unisense微電極原位測量O?、H?S剖面（未檢出H?S），實驗室分析孔隙水（DIC、SO?2?、Mn2?、Fe2?、NH??）和固相（TOC、反應性Fe(III)/Mn(IV)氧化物）；3）基于穩態假設，應用CANDI模型模擬OC礦化路徑，擬合孔隙水和固相數據；4）通過敏感性分析優化模型參數（如OC降解速率常數k?、k?）；5）整合模型結果計算OC收支及埋藏效率。  

 

測量的數據及研究意義  

測量數據：使用丹麥Unisense微電極原位測量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鍵約束，驗證模型對氧化條件的模擬準確性。  

 

 

測量數據：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礦化代謝產物，直接反映礦化強度；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域。這些數據用于校準模型對礦化路徑和反應速率的模擬。  

 

測量數據：固相TOC含量及反應性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，支持模型對金屬還原速率的量化。  

 

結論  

OC礦化路徑貢獻排序：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%） > 產甲烷（可忽略）。有氧呼吸主導歸因于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）。  

 

泥質區OC礦化速率（面積加權均值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%反映泥質區是重要碳匯。  

 

模型成功復現多數孔隙水數據（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電極測量出來數據的研究意義  

使用丹麥Unisense微電極原位測量的O?剖面數據（圖3）具有高時空分辨率意義：  

精準量化氧化條件：微電極（尖端50μm）以μm級步進掃描沉積物剖面，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OC礦化的主導貢獻（62%），解釋其高占比源于低活性OC導致的緩慢O?消耗和較大作用深度。  

 

驗證模型可靠性：實測OPD與模擬O?剖面高度吻合（圖3），證實模型對氧化還原分區的模擬準確性，支持多路徑礦化速率計算的可靠性。  

 

補充H?S檢測：雖未檢出H?S，但電極的高檢測限（μM級）確認沉積物中硫酸鹽還原微弱，與孔隙水SO?2?恒定、低TRIS（<0.38 wt%）數據一致，為硫酸鹽還原路徑的低貢獻（22.6%）提供實證。