大型陆架海泥质沉积物中活性铁对有机碳的吸附性保存及组成和同位素分异

Long-term burial of organic carbon (OC) in coastal marine sediments is a key process in buffering atmospheric CO2 concentration, and therefore plays an important role in regulating global climate. OC sorption on sediment particle surfaces is a key mechanism for long-term OC stabilization in marine sediments, and reactive iron (Fe) play a crucial part in the sorptive protection. In addition, release of Fe-associated OC (Fe-OC) at reducing conditions is an important factor compromising Fe-OC stabilization and ultimately OC burial. Therefore, the study on Fe-OC compositions, mechanisms of Fe-OC sorptive protection, and their influencing factors in the continental shelf sediments is of importance to elucidate OC burial, but many of those still remain unclear. In this project, a combination of biogeochemistry, isotope geochemistry, and microbiology techniques is applied to study Fe-OC in muddy sediments of two typical large-sized continental shelf seas, the East China Sea and South Yellow Sea. Through quantitative characterization of Fe-OC contents and chemical and isotopic compositions, we aim to elucidate the relative importance of OC sorptive protection by reactive Fe, Fe-OC stability and compositional and isotopic fractionations under various depositional settings and redox conditions, and finally to reveal the key factors influencing the Fe-OC properties above. This study is helpful to elucidate the key mechanisms and influencing factors for long-term stabilization of OC in marine sediments, and helpful to further assess the response of sorptive protection of OC to the impacts of global climate change and anthropogenic perturbation.

有机碳（OC）在近海沉积物中的长期埋藏是缓冲大气CO2浓度的关键过程，对调节全球气候起重要作用。沉积物颗粒表面对OC的吸附性保存是其长期稳定的重要机制，其中活性铁的吸附性保存具有重要贡献。此外，还原条件下铁结合态有机碳（Fe-OC）的释放又是影响OC长期保存的关键因素。因此，研究近海沉积物中Fe-OC组成、吸附性保存机制及影响因素具有重要意义，但目前有关研究还很有限。本项目以东海和南黄海两大型陆架海泥质沉积物为研究对象，综合运用生物地球化学、同位素和微生物学等手段定量研究Fe-OC含量、化学组成及同位素组成，定量揭示不同沉积环境和氧化还原条件下活性铁对OC吸附性保存的相对贡献及影响因素；揭示不同沉积环境和氧化还原条件下Fe-OC稳定性及组成和同位素分异。本研究有助于揭示全球陆架海沉积物中OC长期稳定机制及影响因素，有利于进一步评价该吸附性保护作用对全球气候变化及人类活动影响的响应。

海洋沉积物中的活性铁对稳定OC起重要作用。然而，活性铁含量及氧化还原循环对铁结合态OC（Fe-OC）的稳定性、含量及组成分异等的影响还不十分清楚。本项目以东海近海、黄海、渤海为研究对象，以生物地球化学、同位素地球化学和高能谱学相结合的方法，开展了铁硫循环以及Fe-OC含量及结合机制的研究，旨在揭示大型陆架海沉积物中活性铁氧化物对OC吸附性保存的贡献以及沉积环境和铁氧化还原循环对Fe-OC稳定性和组成分异的影响。该研究对深入揭示全球气候变化及人类活动对OC矿化/埋藏的影响具有重要意义。研究主要集中于以下5个方面：（1）物源相似但沉积环境迥异的渤海和南黄海表层沉积物中铁形态和Fe-OC的对比研究，揭示了两海域活性铁对OC有限的保存作用（Fe-OC占总OC的份数为8.81‒11.5%）以及由沉积环境决定的铁循环对Fe-OC组成分异的不同影响。（2）三个沉积环境明显差异海域（长江口、南黄海、冲绳海槽）沉积物中铁硫成岩作用以及Fe-OC的对比研究，揭示了整个中国东部边缘海沉积物中活性铁对OC有限的保存作用以及铁氧化还原循环对沉积物不同深度Fe-OC含量和组成分异的复杂影响。（3）研究了溶解硫化物对Fe-OC稳定性的影响，揭示了Fe(II)硫化与OC的共沉淀是缺氧海洋沉积物中OC的重要汇，OC从铁氧化物结合态到FeS结合态的转变可导致溶解OC组成分异。（4）研究了多重自然和人为扰动对渤海和北黄海沉积物中铁和硫成岩作用的影响，揭示了黄河贫铁悬浮颗粒物、动态沉积环境以及有机质的低活性等因素对该沉积物中活性铁和硫化物积累的限制作用。（5）研究了自末次盛冰期以来冲绳海槽中部底水氧化还原环境和成岩过程的演化。该研究揭示了自末次盛冰期到全新世，底水从缺氧到有氧的演化；揭示了持续的低沉积速率导致冰期-间冰期尺度上“硫同位素沉积环境效应”的缺失；揭示了末次盛冰期底水缺氧条件下富铁沉积物的黄铁矿化对有机质硫化的抑制作用。