通过荧光和同位素示踪技术揭示了东西伯利亚海斜坡上底栖-浮游生物之间的相互作用以及藻类产生的有机物质的动态变化

《Marine Pollution Bulletin》：Benthic–pelagic interactions and algal-derived organic matter dynamics along the East Siberian Sea slope revealed by fluorescence and isotope tracers

本研究综合荧光光谱与稳定同位素分析，揭示东Siberian Sea（ESS）大陆坡溶解有机物（DOM）的动态。发现沉积过程显著调控DOM再分配，藻类生产力增加导致蛋白质类似荧光DOM（C3）在坡地水体富集，大西洋水影响下中斜坡站点δ15N同位素升高，表明微生物再矿化增强。研究指出大陆坡作为陆海交互界面，在气候变暖及大西洋化背景下对北极DOM循环发挥关键调控作用。

　　

作者名单：Silpa Mathew、Jong Kuk Hong、Tae Siek Rhee、Kyung-Hoon Shin、Seeryang Seong、Ji-Hoon Kim、Meilian Chen、Jin Hur

韩国世宗大学地球与环境研究中心（CEER）环境与能源系，地址：首尔广津区宁东路209号，邮编05006

摘要

由于气候变化，北冰洋正在经历快速转变，表现为海冰覆盖面积减少和淡水输入量增加，这对碳和营养物质的循环产生了深远影响。作为最大的北极大陆架系统之一，东西伯利亚海（ESS）在连接陆地输入、初级生产以及深海碳输出方面发挥着核心作用。在本研究中，我们结合了荧光光谱技术、稳定同位素分析和批量化学分析方法，来研究ESS大陆架-斜坡剖面上的溶解有机物（DOM）动态。研究结果表明，与斜坡相关的沉积过程对DOM的再分布和转化具有显著控制作用。俄罗斯北极地区藻类生产的增加促进了有机物质向斜坡区域的输送。水体中叶绿素-a浓度的升高，以及蛋白质类荧光DOM（C3）的富集现象，表明有大量的藻类物质输入到大陆坡。在中间坡度站点（200–900米深度），溶解有机碳和颗粒有机碳同时富集且具有较重的δ¹⁵N特征，这表明微生物再矿化作用和氮循环活动增强，可能是受到大西洋水流影响的沉积物再悬浮作用所驱动的。这些发现凸显了ESS斜坡作为一个动态的底层-浮游界面的重要性，该界面通过沉积过程重塑DOM组成，并成为向北冰洋内部输送生物可利用碳和氮的重要途径。

引言

由于气候变化，北极地区正在经历地球上最快速的环境变化（Timmermans和Marshall，2020年）。这些变化包括海冰范围和动态的显著改变（Crow和Prange，2025年），以及河流排放和降水带来的淡水输入量增加（Le Bras和Timmermans，2025年；Mathew等人，2025年；Nakigudde等人，2024年）。这些变化预计将改变北冰洋的热盐结构，对区域生物地球化学过程产生深远影响（Rudels和Carmack，2022年）。 在北极大陆架海域中，东西伯利亚海（ESS）因其广阔的面积（约9.9×10⁵平方公里）和较浅的平均深度（-58米）而尤为显著（Kim等人，2020年）。ESS接收来自莱纳河、因迪吉尔卡河和科雷马河等主要河流的大量陆地输入，这些输入以溶解态和颗粒态的形式带来了大量的淡水、营养物质和有机物质（Torres-Valdés等人，2016年）。这些输入与来自大西洋和太平洋的海洋影响相结合，使得ESS成为一个受河流流入、海冰动态和多种水团相互作用共同塑造的生物地球化学热点（Anderson等人，2011年；Nguyen等人，2022年；Rudels和Carmack，2022年）。在所有西伯利亚大陆架海域中，ESS的淡水含量较高，这促进了强烈的水柱分层，并显著影响了垂直方向的营养物质分布（Kim等人，2023年）。重要的是，ESS正经历着由于大西洋化作用而引发的环境快速变化，即温暖咸水的大西洋水（AW）通过挪威大西洋流和西斯匹次卑尔根流进入北极，并在大约200–900米的深度处潜入北极表层水（ASW）之下，形成了一个深层AW层（Chen等人，2021年；Hordoir等人，2022年）。气候变化加剧了这一过程，削弱了上层海洋的分层，并增强了AW的垂直热通量，加速了海冰融化，破坏了ESS的水柱稳定性（Polyakov等人，2025年）。这种水文不稳定性的增强加剧了湍流和内波活动，尤其是在大陆坡区域，从而促进了沉积物的再悬浮，改变了底层-浮游界面的耦合（Bauch等人，2016年）。这些过程也可能增加了来自深层的水体中再生营养物质的向上输送，补充了河流带来的输入，并影响了区域内的初级生产（Ardyna等人，2020年；Fripiat等人，2018年）。 溶解有机物（DOM）在北极生物地球化学循环中起着核心作用，既作为碳的储存库，也作为微生物过程和光化学过程的介质。ESS中的大部分DOM是荧光DOM（FDOM），通常分为腐殖质类和蛋白质类组分（Chen等人，2018年、2021年、2017年；Drozdova等人，2022年）。ESS中的DOM组成反映了外部输入（如河流排放和海岸侵蚀）和内部过程（如生物生产和沉积物再矿化）的影响。最近的卫星评估表明，欧亚北极地区的净初级生产力（NPP）正在增加，尤其是在ESS中，超过了美洲北极和巴伦支海的趋势（Mathew等人，2025年）。这种由陆地营养物质输入驱动的生产力增强，可能增加了有机物质向沉积物的输送，并在不断变化的分层条件下加剧了再矿化作用（Anderson等人，2011年；Timmermans和Marshall，2020年）。ESS的大陆坡是一个动态界面，浅层大陆架过程与更深的北极海洋环流在此交汇。该区域对由底层水流、冰层刮擦或斜坡不稳定引发的沉积物再悬浮事件特别敏感（Dmitrenko等人，2010年；Kim等人，2021年）。这些扰动可以重新动员埋藏的有机物质，富集上层水体中的DOM，刺激微生物活动并增强营养物质再生（Anderson等人，2010年）。尽管它们非常重要，但在北极地区，尤其是研究不足的ESS中，底层-浮游界面相互作用和沉积物再悬浮对DOM动态的影响仍知之甚少。ESS接收的河流来源DOM比例最高，其初级生产力估计为每年83±11 Tg碳，且呈每年1.6 Tg碳的上升趋势（Gibson等人，2022年；Holmes等人，2012年；Terhaar等人，2019年）。这种陆地富集作用，结合区域分层和冰层动态的变化，预计将进一步改变ESS中DOM的数量、组成和反应性。 鉴于此背景，本研究旨在探讨气候变化导致的NPP增加和沉积物动态变化如何共同影响ESS中的DOM动态，重点关注沉积物再悬浮对DOM富集的贡献。具体目标包括：（1）沿ESS剖面表征荧光DOM组分的垂直分布；（2）利用光学和同位素示踪剂评估陆地输入和沉积物再悬浮对观测到的DOM池的相对贡献；（3）识别并量化底部水体中的DOM富集程度，特别是在斜坡区域，从微生物转化和沉积物-水体交换的角度进行分析。本研究将沉积物再悬浮引入作为北极海洋中DOM转化和富集的一个关键但未被充分认识的驱动因素。通过将水文不稳定性与底层-浮游碳动态联系起来，这项研究填补了我们对北极DOM动态理解的一个重要空白。此外，光学、同位素和元素示踪剂的综合使用推动了源归因的方法论框架的发展，并突出了ESS大陆坡作为陆海界面碳迁移的关键地点。

研究区域和采样

采样工作于2023年9月的ARA14C考察期间，在ESS东部区域进行，覆盖经度178.4°E至170.5°E的范围（图1）。沿着从浅层大陆架延伸至较深大陆坡的水深剖面，设置了七个采样站点（ST13、ST14、ST15、ST16、ST17、ST19和ST22）。在每个站点，使用配备二十四个10升Niskin采样瓶的CTD/rosette系统从水面到海底采集海水样本（Sea-Bird Electronics SBE）

ESS中的水团分布

在ESS的温度-盐度（T–S）图中识别出五种不同的水团，每种水团都具有特定的盐度-温度特征，反映了其形成机制和垂直分层（图3）。混合层水（MLW）占据水柱的上层0–25米，主要受河流排放、海冰融化和大气作用的影响（Wang等人，2021年）。因此，MLW是一个重要的

陆地有机物的侧向输送和再分布

ESS大陆架接收来自大型河流和海岸侵蚀的大量陆地有机物质输入（Anderson等人，2017年），其中C2是陆地来源DOM的可靠示踪剂。我们的研究结果表明，陆地FDOM明显向盐跃层水体侧向输送，在斜坡站点C2的贡献率高达39.2%，这与西部北极地区的模式一致（Chen等人，2018年；Hioki等人，2014年；Jung等人，2021年）。30–40米深度处的高HIX值进一步支持了这一现象

结论

本研究全面评估了ESS大陆架-斜坡剖面上的DOM组成和动态，揭示了各种水动力和生物地球化学过程如何控制DOM的来源、分布和转化，跨越了空间和垂直梯度。通过整合光学、分子和同位素指标，我们区分了来自陆地径流、原位生产和沉积物再悬浮的不同DOM池。我们证明了陆地

CRediT作者贡献声明

Silpa Mathew：撰写——初稿撰写、可视化、调查、概念构思。 Jong Kuk Hong：项目管理。 Tae Siek Rhee：撰写——审稿与编辑、验证。 Kyung-Hoon Shin：验证、正式分析。 Seeryang Seong：调查、正式分析。 Ji-Hoon Kim：撰写——审稿与编辑、调查。 Meilian Chen：撰写——审稿与编辑。 Jin Hur：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国海洋科学技术促进机构（KIMST）的资助，该机构获得了海洋渔业部的支持（KIMST RS-2021-KS211512）。此外，韩国海洋科学技术促进机构还提供了“海洋环境中有毒物质来源识别与分配方法开发”项目的额外支持，该项目由海洋渔业部资助（KIMST RS-2022-KS221655）。