《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Organic and isotopic indicators for sorting of sedimentary organic matter along a marginal submarine canyon
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海底峡谷的沉积动态与有机质生物有效性研究——以巴尔的摩峡谷为例，通过酸提取结合有机质及同位素分析，揭示了峡谷内可生物利用有机质与难降解组分的空间分异规律，及其与底栖群落多样性的关联。研究证实沉积物中不同形态有机质的来源与沉积历史差异显著，并建立了地形与沉积动力过程对有机质分选的控制机制。
作者：Hilary G. Close、Matthew D. McCarthy、Nancy G. Prouty
美国地质调查局，太平洋海岸与海洋科学中心，2885 Mission Street，Santa Cruz，CA 95060，美国
摘要
海底峡谷是许多大陆边缘的显著地貌特征，对从大陆侵蚀和沉积的沉积物和有机物的水动力分布有着重要影响。位于美国大西洋中部的巴尔的摩峡谷（Baltimore Canyon）包含了一套复杂的沉积过程，这些过程既创造了独特的底栖栖息地，又控制了有机物的沉积。沿着峡谷轴线，净侵蚀区、净沉积区和强烈的分选区各自孕育了多样的动物群落，以及来自上覆水柱生产和移动沉积物的不同混合沉积有机物。这些沉积有机物中的可生物利用成分维持着底栖生物群落，而难以降解的成分则有助于长期碳埋藏在深海中。然而，常用的批量地球化学分析方法对沉积有机物的相对生物利用性或沉积历史提供的信息有限。本文通过多种有机和同位素分析方法，更详细地探讨了峡谷特定环境下的沉积动力学如何决定有机物从大陆架向开阔海域的迁移过程。结合批量地球化学特征，我们对巴尔的摩峡谷约200–1200米深度的表层沉积物进行了连续提取处理，分离出了非极性和极性脂质类、酸溶性组分及酸不溶性组分，并对每种组分进行了碳氮含量和稳定同位素比值分析；在可能的情况下，还对酸水解后的氨基酸进行了特定化合物的碳氮同位素分析。研究发现，较年轻的、可生物利用的有机物成分（如极性脂质和氨基酸）与较老的、难以降解的成分（如非极性脂质和酸不溶性组分）在来源和生物利用性上存在差异。这些差异沿峡谷分布，并与颗粒大小及侵蚀/沉积动态相关，可能影响底栖动物群落的组成。此外，我们的结果表明，确定酸溶性和酸不溶性有机物的相对浓度可能是一种比常规批量碳氮浓度分析更有效的手段，有助于了解沉积物对底栖生物的营养价值。
引言
海底峡谷在将沉积物、有机物和污染物从大陆边缘输送到深海平原的过程中起着关键作用，从而调节了颗粒有机物的通量，将高生产力的大陆架水域与深海连接起来（Canals等，2006；Costa等，2011；Levin和Sibuet，2012；Palanques等，2006；Puig等，2012）。峡谷中的有机物通道化增强了峡谷内生物的食物供应，使其成为生物多样性的热点区域——那里有机物通量和沉积作用更强，从而维持了相对于相似深度开阔斜坡栖息地的更高底栖生物量（De Leo等，2010；Garcia等，2007；Levin等，2001），同时也可能是有机碳埋藏的集中地。然而，复杂的地形和多变的水文条件会改变沉积物的有机组成，影响其保存潜力以及依赖这些资源的底栖生物群落结构。例如，在葡萄牙的纳扎雷（Nazaré）和新西兰的凯库拉（Kaikoura）峡谷中观察到，峡谷特定的沉积和有机物中心是底栖生物的碎屑食物热点（De Leo等，2010）。周期性事件，如富含有机物的沉积物瀑布（Canals等，2006），或由于峡谷边缘上升流导致表层水体季节性生产力增加（Garcia等，2007；Howatt和Allen，2013；Soltwedel，2000），也可能引发沉积作用和/或食物供应的增加。因此，海底峡谷中沉积物质地和组成的物理变化会影响有机质含量和资源分配，进而影响生物多样性模式（Levin等，2001）。此外，陆地来源有机物的相对贡献差异也可能是决定峡谷中碳埋藏潜力和底栖生物群落结构的重要因素（Leduc等，2020），尤其是考虑到陆地和海洋来源在稳定性和生物利用性方面的差异。因此，为了海洋管理和保护的目标（Fernandez-Arcaya等，2017），明确海底峡谷的生态和地球化学作用需要进一步了解控制峡谷内沉积有机物分布的因素。
在美国大西洋湾（MAB）沿线，有13条大小、形状和形态复杂程度各异的主要峡谷，它们作为大陆架来源沉积物的通道和储存库，将物质从大陆架输送到斜坡（Obelcz等，2014）。这些峡谷还孕育了丰富的栖息地，对MAB区域的生物多样性至关重要（Hecker，1980；Hecker等，1983）。由于MAB区域表层水生产力较高，这些峡谷接收了大量有机物输入（DeMaster等，1994；Rex和Etter，2010；Schaff等，1992）。然而，最终输送到巴尔的摩峡谷（该地区研究最深入的峡谷之一）的有机物来源多种多样，包括海洋初级生产的自生有机物和陆地来源的有机物（Prouty等，2017）。虽然巴尔的摩峡谷目前没有与主要河流相连，但南向洋流有可能将老化陆地有机物带入该峡谷（Raymond和Bauer，2001），表明它可能与邻近流域存在连通性（Mienis等，2017）。区分自生和外来来源对于估算碳预算至关重要，因为来自陆地环境的外来碳可能同时计入陆地和海洋碳预算中，从而人为高估了海洋碳的量（Geraldi等，2019）。
除了来自海洋和陆地的不同输入外，峡谷上层和深层区域的离散再悬浮和沉积区也与巴尔的摩峡谷底栖生物群落的差异直接相关（Robertson等，2020），这与先前研究结果一致，即底栖群落模式随深度和有机物含量的变化而变化（例如，Carney等，2005；Wei等，2010）。例如，在巴尔的摩峡谷中，900米深度处底栖生物多样性降低而密度增加，这与沉积物富含有机物且粒度更细的区域相对应（Robertson等，2020）。然而，底栖群落与有机物质量或来源之间的具体联系仍不明确，特别是在MAB区域，那里有多个来源的同时输入以及水动力条件的变化，所有这些因素都可能影响沉积物中的有机物组成。
然而，使用传统的地球化学方法难以区分沉积有机物的具体来源及其与动态峡谷环境中底栖生物群落的联系。批量地球化学性质（如有机碳浓度（%OC）和C:N比值）往往无法提供足够的信息来区分碳来源和稳定性（Geraldi等，2019）。已采用多种有机地球化学分析方法研究海洋大陆架、斜坡及相邻峡谷沉积物中有机物的生物利用性、降解状态、来源及时空沉积历史，包括详细的脂质生物标志物研究（Schmidt等，2010）、广泛的生物聚合物类别量化（Garcia和Thomsen，2008；Pusceddu等，2010）、功能基团的光谱特征分析（例如，Knicker和Hatcher，2001），以及沉积物化学或物理组分的稳定同位素和放射性碳研究（Bao等，2018a；Gibbs等，2020；Wang和Druffel，2001；Wang等，1998）或个别化合物（如脂质和氨基酸）的研究（Larsen等，2015；Wakeham和McNichol，2014）。结合批量地球化学性质和有机物类别分离有助于表征沉积物混合物中的潜在来源，并有助于解答有关沉积物中有机物来源及其组成机制的问题。然而，据我们所知，这些综合方法在理解海底峡谷中有机物沉积方面的潜力尚未得到广泛探索，且这些方法很少关注氮或富含氮的组分的测量，而这些组分作为营养来源可能尤为重要。
我们利用一系列地球化学工具来更好地了解沉积在海底峡谷中的有机物的来源及其作用过程。我们采用了一种新的方法组合，将酸水解敏感性与多种有机和同位素分析相结合，以区分可生物利用和难以降解的有机物成分。可生物利用的成分对于维持多样化的底栖生物群落至关重要，而难以降解的成分则有助于长期碳埋藏在深海中。通过识别有机物功能类别与沉积模式之间的联系（包括颗粒大小关联），以及研究发生啃食和/或水动力分选的具体环境，我们可以开始解答有关有机物产生命运及海洋生态系统之间联系的问题（Smale等，2018）。
巴尔的摩峡谷
巴尔的摩峡谷位于特拉华湾入口东南方向约125公里处，是一条源自大陆架的峡谷，延伸25公里，在1500米深度处与深海平原相连（图1）。峡谷在头部宽度为3公里，在大陆架边缘（100米深度）宽度为8公里，其轴线在上部呈向南弯曲，在较深区域呈向东弯曲，在3000米深度处大致呈东西走向（Obelcz等，2014）。
沉积物基本性质
有机碳浓度占沉积物干重的比例在不同地点差异很大，从567米处的0.14%（1.4 μg C mg沉积物^-1）到1179米处的2.5%（24.7 μg C mg沉积物^-1）不等（图3a；表1）。沉积物氮浓度与有机碳相似，所有地点的有机C:N比值也相近（9.1–9.3；表1）。有机碳的δ^13C值略有变化，从567米处的-22.4‰到1179米处的-21.5‰（图3e；表1）。
讨论
我们粗略（批量和有机组分）和详细（特定化合物同位素）方法的互补结果表明，巴尔的摩峡谷表层沉积物中易降解有机物的来源和沉积历史与难以降解有机物的来源和沉积历史是分离的。主要结果表明，水动力是重新分配难以降解有机物成分的重要因素，从而影响了有机物的年龄和质量。
结论
海底峡谷孕育了多样的动物群落，这些群落又是多种海洋生物的重要育婴区和避难所；了解改变有机物的来源和过程是评估海底峡谷作为生物多样性热点作用的关键因素。这里呈现的结果可能为更好地理解复杂有机物的组成提供线索，这些信息可以针对特定问题或系统进行定制，从而获得不易获得的信息。
未引用的参考文献
Hwang和Druffel，2003；Wang等，1996。
CRediT作者贡献声明
Hilary G. Close：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论、调查、数据分析、概念化。Matthew D. McCarthy：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调、方法论、资金获取、概念化。Nancy G. Prouty：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、资源管理、项目协调、方法论、调查、资金获取
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢海洋能源管理局（BOEM）、美国地质调查局（USGS）和国家海洋和大气管理局（NOAA）海洋探索与研究办公室提供的资金支持和船只协助。同时感谢加州大学圣克鲁兹分校（UCSC）的Stephanie Christensen和Colin Carney提供的宝贵分析支持，以及美国地质调查局加速器质谱中心（CAMS）的Pamela Campbell-Swarzenski和Angela Tan提供的实验室建议和培训。
