萬(wàn)霞，張海龍,2，肖曉彤,2

1. 中國(guó)海洋大學(xué)深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學(xué)中心和海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266100

2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266237

峽灣為末次冰盛期以來(lái)由冰川侵蝕和海平面波動(dòng)而形成的中高緯度沿海河口，分布于43°N以北、42°S以南，被海水淹沒，呈槽型山谷[1-2]。峽灣是地球系統(tǒng)的水生關(guān)鍵區(qū)（Aquatic Critical Zones，ACZs），位于陸地、冰凍層、海洋和大氣層相互作用的交匯處，其生物地球化學(xué)過(guò)程對(duì)全球氣候變化和人類活動(dòng)極為敏感[3]，具有全球單位面積最大的有機(jī)碳埋藏量[4]、較高的沉積速率、沉積物累積速率和有機(jī)碳累積速率，是研究碳循環(huán)的重要區(qū)域[1-5]。峽灣較高的沉積速率和較少的外部環(huán)境干擾能加速沉積有機(jī)碳埋藏到Mn富集厚度（即氧氣穿透深度）[6]以下，缺氧條件使有機(jī)碳降解由氧化分解轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬踹^(guò)程，而微生物通過(guò)厭氧過(guò)程分解的有機(jī)碳僅占氧化分解有機(jī)碳的10%左右[7]，因此，峽灣是有機(jī)碳儲(chǔ)存的理想場(chǎng)所，是研究碳循環(huán)以及重建高分辨率陸地和海洋古氣候變化的最佳地點(diǎn)之一[3,8]。

與其他河口、海灣相比，峽灣具有獨(dú)特的地形地貌，水道深而狹長(zhǎng)，兩岸陡峭而高深，并且在水下有一個(gè)或者多個(gè)殘余冰磧堆積形成的海底冰坎（圖1），通常有河流流入峽灣前端[2-3,9]。峽灣有機(jī)碳來(lái)源和埋藏主要受以下5個(gè)因素影響：冰川類型、淡水顆粒物負(fù)荷量、氣候條件、海洋學(xué)特征（例如峽灣的三維環(huán)流）、峽灣兩岸斜坡的穩(wěn)定性[3]。根據(jù)氣候條件，峽灣可分為極地氣候峽灣、亞極地氣候峽灣和溫帶氣候峽灣[3,10-11]。極地氣候峽灣幾乎常年被海冰或冰架覆蓋，并存在永久的冰川，沉積物主要來(lái)自冰河床，也來(lái)自冰山和冰川下的河流；亞極地氣候峽灣在冬季有海冰覆蓋，但通常在夏季融化，夏季平均氣溫在0 ℃以上，冰川可能存在，沉積物主要來(lái)源于冰下物質(zhì)、冰下徑流、冰山和陸地徑流；溫帶氣候峽灣目前幾乎沒有冰川作用，并且全年為開闊水域，海冰只出現(xiàn)在局部區(qū)域，沉積物來(lái)源主要為陸地徑流[3,10-11]。

極地峽灣主要分為存在冰川作用的極地氣候峽灣和亞極地氣候峽灣，分布于格陵蘭島、加拿大北極區(qū)域、斯瓦爾巴特群島、南極洲以及南極洲鄰近島嶼[11-13]，由于北大西洋暖流以及伊爾明厄洋流的影響，有部分溫帶氣候峽灣位于亞極地區(qū)域的挪威和冰島[11,14]（圖2）。峽灣–冰川系統(tǒng)具有較高的有機(jī)碳累積速率，但與溫帶峽灣系統(tǒng)相比，極地峽灣陸地植被覆蓋較少，陸源有機(jī)碳輸入和海洋初級(jí)生產(chǎn)力較低，即使有機(jī)碳累積速率的最大值出現(xiàn)在格陵蘭島峽灣，但從全球范圍來(lái)看，溫帶峽灣系統(tǒng)整體上具有更高的有機(jī)碳累積速率（圖3）。南、北極峽灣冰川通過(guò)影響沉積有機(jī)碳的來(lái)源和保存，直接或間接控制沉積有機(jī)碳的累積和埋藏[3]。冰川融水輸入和海水輸入可控制沉積有機(jī)碳組成在峽灣的空間變化，而峽灣有機(jī)碳的組成可直接影響其儲(chǔ)存和埋藏，因此定量估算極地峽灣各來(lái)源沉積有機(jī)碳，對(duì)綜合理解峽灣有機(jī)碳累積或埋藏在氣候變化下的響應(yīng)至關(guān)重要。目前，主要應(yīng)用生物標(biāo)志物、穩(wěn)定同位素（13C）、C/N比值、總有機(jī)質(zhì)放射性碳同位素（14C）和單體化合物放射性碳同位素[5,8,12,15-18]，結(jié)合端元模型對(duì)峽灣沉積有機(jī)質(zhì)進(jìn)行區(qū)分和定量估算，如陸源和海源[19]，沉積巖源和生物源[12,15]，化石源、冰筏來(lái)源和海源[17]或者凍土有機(jī)碳源和海源等[20]。在全球變暖的背景下，冰川快速消融[3,21-22]，南、北極峽灣–冰川系統(tǒng)有機(jī)碳的生物地球化學(xué)過(guò)程的響應(yīng)不同[13,23-25]。因此，厘清極地峽灣在冰川作用下的沉積有機(jī)碳累積和埋藏機(jī)制，對(duì)認(rèn)識(shí)南、北極沉積有機(jī)碳對(duì)氣候變化的響應(yīng)，以及全球碳循環(huán)和氣候變化具有重要意義。

圖 1 峽灣地形特征示意圖[2]Fig.1 Schematic diagram of fjord topographic features [2]

1 峽灣沉積有機(jī)碳空間分布特征

極地峽灣不同的氣候環(huán)境、洋流、冰川條件使得沉積有機(jī)碳的含量和組成、有機(jī)碳累積速率在不同的峽灣之間均呈現(xiàn)出不同的分布[22,24]。首先，在峽灣區(qū)域內(nèi)，沉積物有機(jī)碳的空間分布特征主要表現(xiàn)為從峽灣前端到峽灣口沉積有機(jī)碳含量和組成的梯度變化[24]。由于極地峽灣前端冰川融水的釋放、陸源物質(zhì)的輸入和峽灣口海水的輸入，峽灣的水文動(dòng)力和生物地球化學(xué)沿著縱軸具有顯著的梯度變化[26-28]。從最靠外的峽灣口到靠近冰川鋒面的峽灣前端，峽灣的沉積速率和沉積物累積速率按量級(jí)遞增；研究者通過(guò)將沉積物累積速率與沉積有機(jī)碳含量擬合發(fā)現(xiàn)，兩者呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，表明基巖礦物對(duì)沉積有機(jī)碳的稀釋是控制峽灣有機(jī)碳含量的主要因素之一[19]。因此通常由于冰川和徑流排出的大量懸浮礦物，沉積有機(jī)碳含量從峽灣內(nèi)部向外部峽灣遞增，例如位于斯瓦爾巴特群島的孔斯峽灣，其中部、外部站位的沉積有機(jī)碳含量是峽灣內(nèi)部站位的4～6倍[29]，但有研究指出，峽灣內(nèi)部可能存在冰川來(lái)源有機(jī)碳的輸入，反而導(dǎo)致峽灣內(nèi)部站位的沉積有機(jī)碳含量較高[26]。峽灣內(nèi)沉積有機(jī)碳組成的梯度變化表現(xiàn)為，由峽灣前端向峽灣口方向，海源有機(jī)碳含量逐漸增高[22,29]，并且總有機(jī)碳礦化速率向峽灣口方向增加，主要是由于灣口方向易降解的海源有機(jī)碳含量較高[22]。幾乎在所有峽灣沉積物分布模式中，粗粒度的沉積物通常更靠近峽灣的前端以及冰川的鋒面，并且沉積物粒徑向?yàn)晨诜较驕p小，而初級(jí)生產(chǎn)力通常會(huì)在遠(yuǎn)離冰川前緣的區(qū)域增加，因此在海灣口的沉積物中具有相對(duì)高比例的海源有機(jī)碳[30]。但在南極半島西部區(qū)域弗蘭德灣峽灣內(nèi)沉積分布模式的研究中發(fā)現(xiàn)，由于鄰近峽灣區(qū)域，強(qiáng)大的海流會(huì)使峽灣口沉積物再懸浮，冰川消融、海冰減少、上層南極繞極流（≥1.5 ℃）對(duì)初級(jí)生產(chǎn)力有促進(jìn)作用，弗蘭德峽灣的沉積分布模式和沉積有機(jī)碳組成的梯度變化與之前相關(guān)研究的結(jié)果相反，表現(xiàn)為沉積物粒徑由峽灣前端向?yàn)晨诜较蛟黾?，并且灣口主要為陸源有機(jī)質(zhì)，而峽灣前端為海源有機(jī)質(zhì)占主導(dǎo)（圖4）[30]，這樣的特征是否還存在于南極半島西部區(qū)域的其他峽灣，還需要進(jìn)一步探究。

圖 2 南北極峽灣分布圖藍(lán)色線代表極地氣候峽灣，紅色線代表亞極地氣候峽灣，綠色線代表溫帶氣候峽灣。Fig.2 Distribution of fjords in north and south polar regionsPolar fjords are shown in blue, subpolar fjords in red, and temperate fjords in green.

圖 3 全球峽灣沉積物有機(jī)碳累積速率分布[5, 13-14, 19, 23-25, 27]灰色區(qū)代表溫帶峽灣分布區(qū)域。Fig.3 Global distribution in accumulation rate of organic carbon in fjords [5, 13-14, 19, 23-25, 27]The shaded areas are temperate fjords.

圖 4 弗蘭德峽灣和艾蒂安峽灣沉積分布示意圖 [30]UCDW為深層繞極流上層水體。Fig.4 Illustration of various sediment distribution processes in the Flandres Bay and Etienne [30]UCDW: upper circumpolar deep water.

圖 5 影響初級(jí)生產(chǎn)力驅(qū)動(dòng)因素的空間示意圖[31]Fig.5 Spatial diagram of driving factors affecting primary productivity [31]

在各個(gè)極地峽灣之間，沉積有機(jī)碳含量主要受沉積物累積速率強(qiáng)烈波動(dòng)的影響，區(qū)域性的有機(jī)碳含量與沉積物累積速率的顯著負(fù)相關(guān)表明，沉積物累積速率越高的峽灣有機(jī)碳含量越低。此外，全球峽灣的區(qū)域平均沉積物累積速率與表層沉積物有機(jī)碳含量均值的相關(guān)性（R2=0.69）比全球各峽灣沉積物累積速率與表層沉積物的有機(jī)碳含量均值的相關(guān)性（R2=0.41）更強(qiáng)，說(shuō)明沉積物累積速率對(duì)沉積有機(jī)碳含量的影響，在全球范圍內(nèi)比在單個(gè)峽灣區(qū)域研究中具有更重要的指示意義，例如，由于阿拉斯加?xùn)|南部峽灣和巴芬島峽灣涵蓋了從北部（冰川覆蓋）到南部（植被覆蓋）的各種峽灣類型，兩個(gè)區(qū)域的沉積物累積速率與區(qū)域各峽灣的沉積物有機(jī)碳含量均值具有極強(qiáng)的相關(guān)性[19]。在全球范圍內(nèi)，沉積物累積速率對(duì)有機(jī)碳累積速率和沉積有機(jī)碳含量的影響截然相反，研究者將有機(jī)碳累積速率與沉積物累積速率擬合發(fā)現(xiàn)，兩者呈正相關(guān)（R2=0.79）[19]，即沉積物累積速率較高的峽灣普遍具有較高的有機(jī)碳累積速率，例如格陵蘭島峽灣的沉積物累積速率為（26.24±59.26）kg·m-2·a-1，平均有機(jī)碳累積速率高達(dá)（356.6±849.4）gC·m-2·a-1，而斯瓦爾巴特群島峽灣的沉積物累積速率和平均有機(jī)碳累積速率分別為（3.15±3.83）kg·m-2·a-1和（38.80±47.40）gC·m-2·a-1[3]。各峽灣之間沉積物有機(jī)碳組成差異性主要受兩個(gè)相反的過(guò)程控制：淡水的輸入、海水的輸入[14]，這兩個(gè)基本過(guò)程又受到冰川活性和流域面積比值的控制[14,22]，例如，北大西洋區(qū)域極地峽灣由于受到溫暖和富營(yíng)養(yǎng)的北大西洋暖流的影響，當(dāng)?shù)責(zé)o冰川覆蓋，而斯瓦爾巴特群島和格陵蘭島東南部區(qū)域的峽灣受到海流影響依次減弱，有冰川作用和季節(jié)性海冰覆蓋，因此挪威峽灣的海源有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)整體高于斯瓦爾巴特群島和格陵蘭島東南部。而對(duì)于分布在挪威中部和北部的峽灣，兩個(gè)區(qū)域峽灣系統(tǒng)的主要區(qū)別是總排水面積與峽灣表面積的比值，分別為14和1.3，對(duì)應(yīng)的平均海源有機(jī)質(zhì)占比分別為46%和68%，比值越大表示淡水輸入越多，海源有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)越小[14]。

2 冰川驅(qū)動(dòng)下的有機(jī)碳埋藏機(jī)制

峽灣有機(jī)碳可分為原位產(chǎn)生和外源輸入兩類[3,14,19]，原位產(chǎn)生有機(jī)碳主要指峽灣生態(tài)系統(tǒng)中，上層水體浮游植物產(chǎn)生的有機(jī)碳；外源輸入有機(jī)碳則包括鄰近沿海海洋初級(jí)生產(chǎn)力的有機(jī)碳、陸地生物源碳、沉積巖源碳、風(fēng)成黑碳以及潛在的石油污染[3]。研究發(fā)現(xiàn)，陸源有機(jī)質(zhì)占峽灣沉積有機(jī)碳的比例較高，智利、歐洲西北部和格陵蘭島峽灣的沉積有機(jī)碳來(lái)源研究顯示，陸源有機(jī)碳占沉積總有機(jī)碳的55%～62%，并占了全球海洋埋藏的陸源有機(jī)碳的（17±12）%[3,19]。海洋沉積物中有機(jī)碳的累積或埋藏受多種因素控制，如海洋和陸地初級(jí)生產(chǎn)力、人類活動(dòng)、沉積物累積速率、底層水氧化作用和底棲生物群落組成[24]，較高的沉積有機(jī)碳通量主要受控于較高的沉積速率、較高的初級(jí)生產(chǎn)力、較高的真光層有機(jī)碳輸出效率以及較為有利的有機(jī)碳保存環(huán)境等因素的共同作用[6]。而高緯度峽灣的冰川作用可能使以上控制因素變得更加復(fù)雜。研究表明，在洋流和氣候環(huán)境相似的極地峽灣，有冰川的北極峽灣通常比沒有冰川的北極峽灣表現(xiàn)出更高的有機(jī)碳累積速率[24]。冰川可直接或間接影響峽灣有機(jī)碳的來(lái)源和保存，進(jìn)而增加有機(jī)碳在峽灣的累積或埋藏速率。

首先，冰川可通過(guò)改變特定時(shí)空范圍內(nèi)浮游植物生長(zhǎng)的限制因子（光照、常量營(yíng)養(yǎng)元素或微量營(yíng)養(yǎng)元素）[31-32]（圖5），間接影響峽灣–冰川系統(tǒng)的浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力，冰川對(duì)浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力的影響在很大程度上取決于冰川類型（海洋終端或陸地終端）。冰川峽灣的研究調(diào)查顯示，在北極區(qū)域，海洋終端冰川峽灣通常比陸地終端冰川峽灣具有更高的初級(jí)生產(chǎn)力（圖6）[33]。在陸地終端冰川峽灣，由于冰川融水中泥沙含量較高，以及細(xì)沉積物的再懸浮[31]，高渾濁度的冰川融水流入會(huì)使峽灣下游海洋環(huán)境產(chǎn)生光限制[3,34]，冰川融水從地表釋放，促使水體層化，阻礙了營(yíng)養(yǎng)鹽的垂直供應(yīng)[22,35]，并且使冰川融水中溶解的常量營(yíng)養(yǎng)元素濃度降低，研究認(rèn)為陸地終端冰川可能會(huì)抑制峽灣的初級(jí)生產(chǎn)力[31]。而在海洋終端冰川峽灣，冰川融水可從冰川接地線深處釋放，浮力和動(dòng)量促使上升羽狀流形成，挾帶周圍的海水并混合[36-38]，豐富的營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)入真光層，進(jìn)而提高初級(jí)生產(chǎn)力[39]。但以上冰川對(duì)峽灣原位生產(chǎn)力的促進(jìn)或抑制均在一定范圍內(nèi)，例如在陸地終端冰川峽灣，光限制范圍會(huì)受到冰川融水流出距離的控制，浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力僅在光限制范圍內(nèi)被抑制；在海洋終端冰川峽灣，較高的初級(jí)生產(chǎn)力是在冰川鋒面下游小于80 km（冰川潛在影響范圍）的區(qū)域內(nèi)的總體表現(xiàn)[31]，而在峽灣前端（靠近冰川鋒面），渾濁羽狀流內(nèi)部的初級(jí)生產(chǎn)力較低[22]。因此，冰川對(duì)極地峽灣初級(jí)生產(chǎn)力的影響需要結(jié)合采樣位置和相應(yīng)時(shí)空下的限制因子來(lái)進(jìn)行具體分析，也需要考慮季節(jié)和年際變化。其次，峽灣–冰川系統(tǒng)中微量營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力的影響表現(xiàn)為冰川融水顆粒鐵含量極高[31]，但大量冰川來(lái)源的顆粒鐵能在多大程度上遷移到開闊大洋，并對(duì)存在鐵限制海域的初級(jí)生產(chǎn)力的影響如何，以及顆粒鐵如何轉(zhuǎn)化為生物可利用溶解態(tài)鐵，還尚不明確[31,40]。此外，在峽灣–冰川系統(tǒng)中，冰川輸入的大量巖性物質(zhì)對(duì)有機(jī)碳具有壓實(shí)作用[31,41]，加速有機(jī)碳被運(yùn)移到深層，提高了生物碳泵效率[31]，因此，與其他大陸架系統(tǒng)相比，峽灣–冰川系統(tǒng)可能具有較高的真光層有機(jī)碳輸出效率。

圖 6 水文洋流及其對(duì)海洋終端冰川和陸地終端冰川峽灣生物地球化學(xué)的影響[38]Fig.6 The hydrodynamic circulations and their impact on biogeochemistry of fjords affected by marine-terminating glaciers and by land-terminating glaciers [38]

與浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力相比，冰川對(duì)陸源有機(jī)碳的影響更為直接，陸源有機(jī)碳可分為沉積巖源有機(jī)碳（OCpetr-terr）和生物源有機(jī)碳（OCbio-terr）[3]。冰川通過(guò)對(duì)極地峽灣基巖的物理侵蝕，將基巖顆粒輸送到峽灣。OCpetr-terr是指在基巖中被保存了上千年的生物成因有機(jī)碳[3]，極地峽灣中OCpetr-terr輸入除了受到冰川侵蝕的驅(qū)動(dòng)，還與峽灣基巖的類型有關(guān)，因?yàn)镺Cpetr-terr主要存在于沉積巖中，而在火成巖、火山巖和變質(zhì)巖中含量極少可忽略不計(jì)[3]。例如，阿拉斯加?xùn)|南部峽灣基巖主要由沉積巖組成，貢獻(xiàn)了北美東南沿海最多的OCpetr-terr輸入[15]，而新西蘭峽灣基巖為火成巖，沉積物中的OCpetr-terr含量較小[42]。此外，OCpetr-terr在進(jìn)入海洋環(huán)境后仍與云母和綠泥石等礦物緊密結(jié)合，可減少有機(jī)碳在水環(huán)境中的釋放，并降低潛在反應(yīng)活性[3]，因此，與存在土壤有機(jī)質(zhì)輸入的中緯度峽灣相比，極地峽灣有機(jī)碳埋藏程度可能更高。除了冰川侵蝕搬運(yùn)的OCpetr-terr，陸地有機(jī)碳也可通過(guò)冰川融水形成的徑流進(jìn)入峽灣[22]。OCbio-terr指新鮮的陸地植被與維管植物的降解殘留物質(zhì)和腐殖質(zhì)退化物質(zhì)組成的土壤有機(jī)碳[3]。通過(guò)對(duì)峽灣沉積物中單體化合物的放射性碳同位素分析，發(fā)現(xiàn)極地峽灣沉積物中土壤有機(jī)碳的停留時(shí)間比溫帶峽灣長(zhǎng)[3]，例如，挪威斯和瓦爾巴群島峽灣沉積物的放射性碳測(cè)定表明，土壤有機(jī)碳可能有數(shù)千年的停留時(shí)間[17]，而新西蘭峽灣沉積物土壤有機(jī)碳的年齡僅有幾百年[42]。因此，冰川侵蝕和冰川融水對(duì)OCpetr-terr和OCbio-terr的搬運(yùn)，以及峽灣內(nèi)較高的沉積速率[43]，使南、北極峽灣具有巨大的有機(jī)碳埋藏潛能。

在沉積有機(jī)碳的保存方面，有機(jī)碳沉積到海底后有三種結(jié)果，一是經(jīng)歷再礦化過(guò)程，成為溶解有機(jī)碳、營(yíng)養(yǎng)鹽和二氧化碳，重新進(jìn)入生物地球化學(xué)循環(huán)；二是通過(guò)攝食被儲(chǔ)存在底棲生物中；三是被埋到更深的沉積層進(jìn)而與大氣隔離上百年[24]。由于冰川侵蝕搬運(yùn)和峽灣地形地貌的幾何特征，極地峽灣的沉積速率普遍較高[43-44]，目前在發(fā)生冰川消融的峽灣中，已測(cè)得最大沉積速率為1 m·a-1[45]。另外，較高的沉積物累積速率，可迅速將累積的有機(jī)碳埋藏在Mn富集層厚度以下，減少了有機(jī)碳在有氧環(huán)境中的暴露時(shí)間，有利于沉積有機(jī)碳的保存。研究表明，有機(jī)質(zhì)的埋藏速率和保存程度與總沉積速率呈正相關(guān)[46]。此外，冰川輸入的無(wú)機(jī)相（鐵、錳）可能有效地吸附溶解有機(jī)碳，或與溶解的有機(jī)化合物共沉淀，促進(jìn)有機(jī)碳長(zhǎng)期埋藏[3,47]。在冰川融水和陸地徑流的影響下，極地峽灣水體可能出現(xiàn)季節(jié)性層化，以及可能會(huì)出現(xiàn)底層水低氧、缺氧的情況，微生物的厭氧氧化作用所消耗的有機(jī)碳較少，有利于保存更多的有機(jī)碳[48]。但目前有相關(guān)峽灣底層水缺氧或低氧的研究較少[5]，水體層化的現(xiàn)象是否普遍存在于南、北極峽灣尚不清楚[3]。

3 放射碳同位素技術(shù)在峽灣有機(jī)碳埋藏研究中的應(yīng)用

近年來(lái)，峽灣在全球碳循環(huán)和有機(jī)碳埋藏中發(fā)揮著重要作用，因此了解峽灣沉積有機(jī)碳的來(lái)源特征，對(duì)準(zhǔn)確估算有機(jī)碳埋藏速率，以及認(rèn)識(shí)峽灣有機(jī)碳埋藏和沉積有機(jī)碳組成對(duì)氣候變化、冰川加速消融的響應(yīng)至關(guān)重要。目前主要通過(guò)測(cè)定多參數(shù)生物標(biāo)志物，包括烷烴、烯酮、甾醇、脂肪酸、木質(zhì)素、甘油二烷基甘油四醚（GDGTs），結(jié)合有機(jī)碳穩(wěn)定同位素13C和端元模型估算不同來(lái)源有機(jī)碳的貢獻(xiàn)。多參數(shù)生物標(biāo)志物法相對(duì)減小了單一生物標(biāo)志物或指數(shù)估算方法的不確定性，例如，在冰島峽灣全新世陸源有機(jī)碳沉積記錄的研究中，不同生物標(biāo)志物的陸源指標(biāo)具有相似的變化趨勢(shì)，基于GDGTs的BIT指數(shù)、烷烴烯酮指數(shù)（n-alkane/alkenone）和C/N比值，結(jié)合3種指標(biāo)的端元模型可得到近似準(zhǔn)確的陸源有機(jī)碳變化[8]，全新世以來(lái)沉積物中陸源有機(jī)碳存量的貢獻(xiàn)持續(xù)增加，這可能是由氣候變化而非沉積速率變化所驅(qū)動(dòng)，并且在全新世晚期，人類活動(dòng)可能逐漸成為重要影響因素之一[8]。前人研究顯示，峽灣沉積有機(jī)碳近1 000年來(lái)的變化不僅由氣候變化驅(qū)動(dòng)，而且還受到人類活動(dòng)的影響，在人類活動(dòng)導(dǎo)致陸源擾動(dòng)的時(shí)期，有機(jī)碳埋藏速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了更早的全新世[49]，這表明，在有機(jī)碳大量輸入的時(shí)期，峽灣具有較高的有機(jī)碳儲(chǔ)存能力，以此起到氣候調(diào)節(jié)的作用[50]。雙碳同位素（13C和14C）技術(shù)被廣泛用于估算極地環(huán)境沉積有機(jī)質(zhì)中不同來(lái)源和不同年齡有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)，如多年凍土土壤有機(jī)質(zhì)[51]以及含有來(lái)自多年凍土土壤有機(jī)質(zhì)的極地海洋沉積物[52]。研究者利用沉積短柱中的脂質(zhì)生物標(biāo)志物和總有機(jī)質(zhì)14C同位素，量化了亞南極區(qū)域兩個(gè)峽灣的有機(jī)碳埋藏記錄，結(jié)果顯示，在1985—2017年，入海冰川消融，使峽灣東部和西部區(qū)域的沉積巖源有機(jī)碳累積有所增加，因此，連續(xù)消融的冰川不僅釋放了沉積巖源有機(jī)碳，而且還增加了峽灣有機(jī)碳的埋藏量[3,12]。盡管應(yīng)用雙碳同位素技術(shù)能夠區(qū)分多年凍土和海源有機(jī)質(zhì)來(lái)源以及可以區(qū)分不同凍土沉積類型的有機(jī)質(zhì)，但總有機(jī)質(zhì)14C的應(yīng)用在化石源有機(jī)質(zhì)廣泛輸入的環(huán)境下受到很大的干擾，這限制了利用總有機(jī)質(zhì)14C評(píng)估多年凍土有機(jī)質(zhì)及峽灣沉積有機(jī)質(zhì)的逗留時(shí)間[17]。另外，Hage等利用RPO-14C（ramped pyrolysis/oxidation radiocarbon analysis）技術(shù)對(duì)加拿大峽灣濁流中的POC進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)粗顆粒濁流沉積物中有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)高于泥質(zhì)層，年輕的生源有機(jī)質(zhì)被很好地保存（＞70%），提高了有機(jī)碳的埋藏效率。由于砂質(zhì)濁流普遍存在于峽灣區(qū)域，因此，對(duì)峽灣有機(jī)碳埋藏的進(jìn)一步研究，有助于更加清楚地估算全球有機(jī)碳的埋藏和循環(huán)[53]。

生物標(biāo)志物單體14C技術(shù)被用于從分子水平進(jìn)一步來(lái)評(píng)估沉積有機(jī)質(zhì)中不同來(lái)源和不同年齡有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)[20,54]。比如，該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于定量估算中國(guó)陸架邊緣海沉積有機(jī)質(zhì)中不同來(lái)源和不同年齡有機(jī)質(zhì)的組成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)非現(xiàn)代有機(jī)質(zhì)（陳化有機(jī)質(zhì)和化石源有機(jī)質(zhì)）相對(duì)貢獻(xiàn)比例為（51±10）%，與沉積物中陸源有機(jī)質(zhì)的相對(duì)比例（平均（51±14）%）大致相等[55]。研究顯示，隨著氣候變暖，北極多年凍土有機(jī)質(zhì)的釋放量增加和搬運(yùn)過(guò)程增強(qiáng)。Feng等對(duì)北極地表和深層（永久凍土）隨氣候變化的搬運(yùn)機(jī)制進(jìn)行了研究[56-57]。木質(zhì)素單體14C結(jié)果顯示河流徑流輸入是表層沉積物中年輕有機(jī)碳的主要來(lái)源，而14C年齡相對(duì)老的植物蠟質(zhì)生物標(biāo)志物則主要來(lái)自不連續(xù)凍土層的古老有機(jī)質(zhì)。近些年來(lái)隨著河流徑流輸入增加，流動(dòng)中古老碳的比例相對(duì)增加了3%～6%。有研究表明氣候變化是導(dǎo)致老的多年凍土有機(jī)質(zhì)被搬運(yùn)的重要因素[56]。還有研究發(fā)現(xiàn)，Bayelva河和孔斯峽灣沉積物中有機(jī)質(zhì)14C受到化石源有機(jī)碳輸入的限制；而來(lái)自長(zhǎng)鏈脂肪酸14C年齡（大約8 000～11 000 aBP）數(shù)據(jù)揭示了深層活動(dòng)層/多年凍土有機(jī)碳的大量輸入，尤其是在Bayelva河及其河口位置；在孔斯峽灣中部長(zhǎng)鏈烷酸年齡（2 500 aBP）相對(duì)年輕，可能來(lái)自其他凍土有機(jī)質(zhì)輸入影響，也可能是由于不同沉積速率或沉積物分選等物理因素所影響[20]。

4 峽灣沉積有機(jī)碳對(duì)全球氣候變暖的響應(yīng)

在未來(lái)幾十年里，許多海洋終端冰川將在全球變暖的條件下撤退到陸地上，極地峽灣冰川類型的轉(zhuǎn)變將直接影響極地峽灣生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)過(guò)程[22]。例如，冰川向陸地的撤退改變了冰川鋒面上升流，并減少了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向峽灣真光層的通量，進(jìn)而減少海洋初級(jí)生產(chǎn)力[38-39]。另外，礦物質(zhì)運(yùn)輸減少和沉積物累積速率降低，可能導(dǎo)致冰川峽灣中有機(jī)碳埋藏速率下降[24]；但氣候變暖也使得極地峽灣海冰更薄、覆蓋范圍更小或者覆蓋時(shí)間更短，促使浮游植物生長(zhǎng)周期變長(zhǎng)；大氣CO2的增加，將會(huì)促進(jìn)初級(jí)生產(chǎn)力并向海底輸送更多海源有機(jī)碳[24,58]（圖7），冰川撤退可能促進(jìn)浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力，也可能抑制初級(jí)生產(chǎn)力。因此，評(píng)估氣候變化對(duì)峽灣生態(tài)系統(tǒng)的影響是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)[22]。另外，冰川撤退并非是一個(gè)簡(jiǎn)單、漸進(jìn)的過(guò)程，研究表明，在斯瓦爾巴特群島的163個(gè)冰川中，14個(gè)海洋終端冰川在過(guò)去的30～40年轉(zhuǎn)變?yōu)殛懙亟K端冰川，而有11個(gè)陸地終端冰川已經(jīng)進(jìn)入海洋[22]。在長(zhǎng)時(shí)間尺度上（約10 700 cal.aBP），峽灣浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力可能受到流域面積和營(yíng)養(yǎng)鹽供應(yīng)的調(diào)控。全新世以來(lái)，北半球太陽(yáng)輻射和經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流強(qiáng)度的改變，形成了不同的洋流系統(tǒng)，影響了營(yíng)養(yǎng)鹽供應(yīng)，進(jìn)而影響了峽灣浮游植物的初級(jí)生產(chǎn)力[8]。研究表明，全新世溫暖的表層海洋環(huán)境可能會(huì)導(dǎo)致初級(jí)生產(chǎn)力的增加和陸源物質(zhì)貢獻(xiàn)的降低[59]。但極地峽灣的沉積主要受冰川融水動(dòng)力作用和海冰、冰川侵蝕作用的控制，因此有大量的陸源有機(jī)碳來(lái)源[60]。在未來(lái)氣候變暖條件下，陸源有機(jī)碳輸入將顯著增加[3]。根據(jù)冰島峽灣巖芯全新世以來(lái)的沉積記錄，陸源有機(jī)碳的輸入受氣候變化的控制，全新世早期，由于太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，冰川不斷消融，土壤面積和陸地植被覆蓋增加，峽灣陸源有機(jī)碳貢獻(xiàn)由2%增至18%；約8 200年前，冷事件又阻止了冰島北部區(qū)域陸地土壤和植被的發(fā)展，峽灣陸源有機(jī)碳貢獻(xiàn)減少；上述冷事件持續(xù)的時(shí)間較短，在早全新世暖期（8 600～5 400 cal.aBP），冰島峽灣陸源有機(jī)碳輸入整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)[8]。然而，冰川消融也可能使陸源輸入峽灣的粗顆粒物質(zhì)減少，這是由于大量粗顆粒物質(zhì)會(huì)首先在陸地河床沉積，在上游形成的湖泊將形成臨時(shí)的匯，顯著改變沉積物進(jìn)入峽灣的路線，同時(shí)缺乏冰山的搬運(yùn)，所以從長(zhǎng)時(shí)間尺度來(lái)看，冰川的減少將導(dǎo)致懸浮物質(zhì)輸出減少甚至使?jié)崃魍Ｖ筟61-63]。因此，冰川未來(lái)的撤退模式將決定峽灣沿岸的水動(dòng)力條件，以及其對(duì)碳埋藏和生態(tài)系統(tǒng)的影響[62]。另外，冰川的撤退模式可能與峽灣的地形條件有關(guān)，在1992—2010年，新地群島90%的冰川都在撤退，其中海洋終端冰川的退縮率（52.1 m·a-1）比陸地終端冰川的退縮率（4.8 m·a-1）高一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且峽灣寬度變化是調(diào)節(jié)冰川對(duì)氣候變化響應(yīng)的一個(gè)關(guān)鍵因素，表現(xiàn)為峽灣寬度與冰川總退縮率之間顯著相關(guān)[21]。

圖 7 極地峽灣陸源物質(zhì)運(yùn)輸和生物地球化學(xué)過(guò)程示意圖[22]a. 目前的海洋終端冰川，b. 未來(lái)的陸地終端冰川。Fig.7 Schematic of material transport and biogeochemical processes by (a) the present marine terminating glaciers and(b) the future land terminating glaciers in polar fjords [22]

高緯度峽灣被認(rèn)為是不成熟的生態(tài)系統(tǒng)[9]，地質(zhì)構(gòu)造年輕。對(duì)于北極區(qū)域的峽灣生態(tài)系統(tǒng)，研究認(rèn)為變暖會(huì)改變其有機(jī)碳來(lái)源的相對(duì)貢獻(xiàn)，并誘導(dǎo)峽灣海底系統(tǒng)的成熟，形成穩(wěn)定的、生物適應(yīng)的底棲生物群落，減少有機(jī)碳在沉積物中的埋藏[22-23]。此外，研究認(rèn)為北大西洋暖流的流入維持了歐洲西北部以及挪威北部峽灣的高有機(jī)碳埋藏速率，而持續(xù)的氣候變化將改變北大西洋暖流的強(qiáng)度，進(jìn)而可能對(duì)北大西洋峽灣的碳埋藏產(chǎn)生顯著影響，例如，溫暖、富營(yíng)養(yǎng)的北大西洋海水往歐洲北極海域流入持續(xù)增強(qiáng)，即北歐海域的大西洋化[64]，會(huì)增加對(duì)歐洲西北部峽灣的營(yíng)養(yǎng)鹽供應(yīng)，提供利于生物生長(zhǎng)繁殖的溫鹽條件，使峽灣生物量增加[14]，并且北極海冰覆蓋面積的減小也會(huì)提高浮游植物生產(chǎn)力，并改變峽灣的沉積速率[65]，從而影響峽灣有機(jī)質(zhì)通量和有機(jī)碳累積或埋藏量。目前南極半島西部90%的冰川正在加速撤退，峽灣成為南極洲增長(zhǎng)最快和最新的棲息地之一。據(jù)估算，在南極半島新出現(xiàn)的峽灣系統(tǒng)中每年有超過(guò)7.8×108gC被埋藏，表明即使冰川退縮，極地峽灣仍然具有很強(qiáng)的碳埋藏能力[13]。因此，不同地域條件的極地峽灣，其海洋環(huán)境、冰川狀態(tài)對(duì)全球變暖的響應(yīng)不同，沉積物有機(jī)碳的累積或埋藏受到的影響不同，為了能夠嚴(yán)格評(píng)估和進(jìn)一步預(yù)測(cè)冰川撤退對(duì)峽灣沉積物生物地球化學(xué)的影響，還需要對(duì)冰前帶（proglacial zone）與峽灣沉積物的生物地球化學(xué)過(guò)程、陸海相互作用、生態(tài)系統(tǒng)功能之間的聯(lián)系和反饋展開進(jìn)一步研究[3]。

5 總結(jié)和展望

（1）在全球氣候變化的背景下，峽灣的生物地球化學(xué)過(guò)程發(fā)生了劇烈的變化。峽灣的特殊地形及生物地球化學(xué)特性使其成為有機(jī)碳埋藏和儲(chǔ)存的重要區(qū)域。全球峽灣的有機(jī)碳埋藏量約占全球海洋有機(jī)碳埋藏量的11%，由于存在冰川作用，極地峽灣沉積有機(jī)碳的輸入、遷移轉(zhuǎn)化和埋藏呈現(xiàn)出與溫帶峽灣不同的特征，并且極地峽灣灣內(nèi)以及各峽灣之間的沉積有機(jī)碳來(lái)源、組成和累積、埋藏速率均存在空間差異。因此，厘清峽灣沉積有機(jī)碳的來(lái)源對(duì)認(rèn)識(shí)峽灣有機(jī)碳埋藏至關(guān)重要

（2）目前有關(guān)峽灣傳輸、儲(chǔ)存以及向沿海延遲輸送的有機(jī)碳定量研究還較少，也難以明確冰川輸入有機(jī)碳的確切歸宿。此外，富載鐵和懸浮顆粒物的冰川融水可能有利于有機(jī)碳礦物組合的形成，從而降低了從冰凍圈輸出有機(jī)碳的生物利用度。但冰川輸出物質(zhì)中有多少被代謝，或被埋藏在峽灣沉積物中，還需要進(jìn)一步探討。

（3）近年來(lái)，預(yù)測(cè)全球氣候變化是否會(huì)對(duì)峽灣的陸源有機(jī)碳輸入、海洋生產(chǎn)力和生物地球化學(xué)過(guò)程起協(xié)同或?qū)棺饔?，以及在不同的緯度梯度上如何發(fā)生變化仍然是一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，因此，為了厘清氣候變化下峽灣沉積有機(jī)碳對(duì)冰川撤退的響應(yīng)機(jī)制，還需進(jìn)一步對(duì)峽灣區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間尺度沉積物巖芯中不同來(lái)源和不同年齡有機(jī)碳來(lái)源和組成開展研究。