自MIS 5时期以来，南极威德尔海中沉积有机碳汇的主要贡献者是陆地生态系统

南极陆源有机碳输入驱动碳封存机制研究. 通过元素地球化学、有机地球化学指标及同位素混合模型分析，揭示北冰洋Weddell海区MIS5以来陆源OC持续主导（>85%），冰盖动力学通过融水-冰山输送显著调控OC通量，并受南极低效海洋OC传输及陆源有机物抗降解特性影响. 研究为极地碳汇响应气候变化提供新依据.

　　

胡一浩|托马斯·J·阿尔杰奥|郭景腾|南青云|唐正|熊志芳|李铁刚

中国海洋大学海洋地球科学学院，青岛266100，中国

摘要

陆地有机碳（OC）的输入是驱动大陆边缘环境沉积碳库形成的关键过程。然而，在南大洋（SO）这一全球碳封存的关键区域，其作用长期以来被低估了。沿着南极大陆边缘，冰川融水和冰山活动不断向深海输送大量陆地OC，显著影响了OC的埋藏效率以及全球碳平衡。在这项研究中，我们利用来自威德尔海北部的ANT34/D5–12沉积岩芯，重建了自海洋同位素阶段5（MIS 5）以来陆地输入和沉积有机质来源的变化。通过结合元素地球化学、有机地球化学指标、粒径分析以及稳定同位素混合模型的综合方法，我们探讨了控制沉积OC埋藏的机制。研究结果表明，在冰期-间冰期循环中，与冰盖动态相关的陆地输入增加显著提高了碳埋藏通量。多种地球化学指标，包括富含奇数碳链烷烃、低分子量与高分子量n-烷烃的比例较低（L/H）、平均链长（ACL）值较高，以及明显的陆地δ¹³C_org特征，一致表明陆地OC在沉积碳池中占主导地位（>85%）。这种主导地位归因于南大洋中海洋有机物的传输效率较低以及陆地有机化合物的难降解性质。本研究强调了南极陆地生态系统和冰盖动态在调节南大洋碳循环中的关键作用，并为未来气候变化情景下极地碳汇的潜在响应提供了新的见解。

引言

埋藏在海洋沉积物中的有机碳（OC）代表了通过光合作用由初级生产者固定的碳，随后通过生物泵输送到深海（Keil, 2017; Cartapanis et al., 2018）。这一机制决定了碳从活跃的表层碳循环向较慢的地质碳循环的转移，对地球的长期碳预算有着深远影响，并在气候变化过程中起着关键作用（Burdige, 2007; Middelburg, 2018）。作为连接海洋表面和深海的主要区域之一，南大洋（SO）在全球碳循环中扮演着极其重要的角色，约占海洋吸收大气CO?总量的20%，并且是海洋沉积物中OC埋藏的主要场所（Doney et al., 2009; Talley, 2013; Gruber et al., 2019）。然而，调节SO中OC沉积和埋藏的过程非常复杂，包括广泛的季节性海冰覆盖、强烈的垂直混合和深层水的形成，以及冰盖动态和冰山活动的普遍影响（Stukel and Ducklow, 2017; Wadham et al., 2019; Stein et al., 2020）。目前对这些机制的理解仍然不足，关于OC的埋藏效率、陆地与海洋来源的相对贡献，以及这些碳通量对持续环境变化的敏感性仍存在重大不确定性（DeMaster et al., 1996）。鉴于SO在冰期-间冰期循环和未来变暖情景下调节大气CO?浓度方面的关键作用，推进对其沉积OC动态的理解既是必要的，也是紧迫的。

先前的研究表明，SO沉积物中的OC浓度通常较低（Seiter et al., 2004），而包括分子生物标志物、C/N比和稳定同位素组成在内的地球化学指标表明有机质（OM）具有多种来源（Chen et al., 2021; Bisch et al., 2024; Yu et al., 2024）。在远洋区域，OM的主要来源是浮游植物和粪便颗粒；而在大陆边缘区域，陆地OM的输入可以局部增强OC的埋藏（Cavan et al., 2015; Berg et al., 2021; Stirnimann et al., 2024）。SO中的陆地OM由岩石成因和生物圈来源混合而成；而在冰川末端区域，同时期的OM占主导地位（Duncan et al., 2019）。现代南极陆地生态系统的生物量较低，分类多样性也较低，主要由非维管植物和微生物群落组成。陆地初级生产主要由苔藓、地衣和土壤藻类维持，而维管植物几乎不存在，仅限于南极半岛北部和少数亚南极岛屿（Holdgate, 1977; Friedmann et al., 1993; Hill et al., 2011; Casanovas et al., 2013; Convey, 2013）。因此，南极陆地OM预计主要由隐花植物和微生物来源贡献，为SO中的沉积OM提供了独特的陆地成分。

南极缺乏常年河流系统，使得冰川融水和冰山崩解成为将陆地OM输送到海洋的主要机制（Hood et al., 2009; Wadham et al., 2019）。这种缺乏持续河流输入的情况排除了典型的三角洲或河口系统的形成，从而导致大多数SO沉积物中以海洋来源为主（例如，Wisnieski et al., 2014; Guo et al., 2024; Zhou et al., 2025）。这种独特的陆地OC传输方式与南极冰盖（AIS）的动态密切相关。来自罗斯海的最新证据表明，西部AIS的退缩会显著降低碳封存能力（Zhou et al., 2025）。威德尔海位于主要的冰山漂流路径上，是研究冰盖变化如何影响SO沉积物中OC的埋藏和保存的关键地点。此外，一系列关键过程影响SO中的OM沉积，包括表层海洋生产力的变化、沉积物的再悬浮和再矿化，以及该地区特有的OC输出效率（Pudsey and King, 1997; Maiti et al., 2013; Dauner et al., 2021）。由于海表温度持续较低和独特的生物群落结构，SO表现出初级生产力与OC输出效率之间的负相关关系，这与大多数其他海洋盆地的观察结果形成鲜明对比（Maiti et al., 2013; Cavan et al., 2015; Le Moigne et al., 2016）。尽管SO中沉积OC库的重要性日益得到认可，但仍有一些关键问题尚未解决。首先，陆地生态系统在SO中沉积OC储存中的作用经常被低估（Burdige, 2005），特别是在远离大陆的区域。其次，冰盖动态影响OC输送和保存的机制尚未得到系统性的理解。第三，沉积OC的降解和保存受复杂相互作用过程的控制，其区域变异性尚未得到充分描述。

解决这些问题的一个有前景的方法是评估自上一个冰期以来陆地输入通量对SO沉积物中OM埋藏的影响。在这项研究中，我们重点关注从威德尔海北部采集的D5–12岩芯，以研究自海洋同位素阶段（MIS）5以来OM埋藏的长期动态及其来源。通过综合分析元素和有机地球化学指标以及同位素混合模型，我们重建了陆地输入的变化，并评估了使陆地OM在该地区主导沉积碳埋藏的机制。我们的发现为南极陆地生态系统和冰盖动态在调节大陆边缘OC储存中的作用提供了新的见解，以及它们对当前和未来环境变化的潜在响应。

部分摘录

海洋学背景

威德尔海位于南大洋的大西洋海域，西侧毗邻南极半岛（图1a和b），是南极底层水（AABW）形成的关键地点，在全球翻转环流中起着重要作用（Orsi et al., 2002）。该区域的洋流系统受到威德尔环流（WG）的影响——北部由南半球盛行西风驱动，南部由东风驱动——同时与南极绕极流相互作用

沉积岩芯

ANT34/D5–12岩芯位于南纬62.496985°、西经39.740795°，水深2556米，由“向阳红01号”调查船在2018年的第34次中国南极考察期间从威德尔海西北部采集。该岩芯长456厘米，包含两个岩性地层单元，没有明显的沉积间断。0–265厘米的区间由橄榄灰色的粉质粘土组成，其中有孔虫组合以浮游生物Neogloboquadrina pachyderma为主。

元素数据和陆地输入指标

图2展示了指示陆地输入的元素通量（完整的地球化学数据集见补充图S1）。总体而言，所有五个通量记录显示出相似的模式，没有观察到明显的冰期-间冰期周期性（图2a-e）。这些通量记录之间的差异可以归因于每种元素富集的不同沉积成分。因此，其他与陆地输入无关的信号，如粒径分布等

陆地沉积输入对总有机碳（TOC）通量的主要控制作用

来自D5–12岩芯的陆地输入指标（即stack_{terr = +0.54, p < 0.0001）（图3a-c）。这种一致性表明，陆地输入的变化可能调节了D5–12地点的OC通量，较高的陆地输入与较高的TOC通量相关。}

结论

通过对D5–12岩芯中陆地输入和有机地球化学指标的长期变化进行综合研究，并结合混合模型，我们重建了自MIS 5以来威德尔海北部地区OC埋藏及其来源的演变，以探讨导致陆地OM占主导地位的机制。我们的结果表明，主要由冰山运输带来的陆地物质在D5–12岩芯中主要贡献于OC的埋藏。

CRediT作者贡献声明

胡一浩：撰写——初稿、方法论、调查、正式分析。托马斯·J·阿尔杰奥：撰写——审阅与编辑、监督。郭景腾：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。南青云：撰写——审阅与编辑、方法论。唐正：方法论、数据管理。熊志芳：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。李铁刚：撰写——审阅与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢第34次中国南极考察队的船员和船上科学家们的支持。我们还要感谢中国北极和南极管理局的支持。同时，我们也感谢编辑Christian France-Lanord和一位匿名审稿人的建设性意见。本研究得到了中国国家公共研究机构基本科学基金（资助编号：2025Q08）和国家自然科学基金（NSFC，资助编号：42076232）的支持。