极地峡湾有机碳来源和埋藏研究进展

万霞，张海龙,2，肖晓彤,2

1. 中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心和海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，青岛 266100

2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋生态与环境科学功能实验室，青岛 266237

峡湾为末次冰盛期以来由冰川侵蚀和海平面波动而形成的中高纬度沿海河口，分布于43°N以北、42°S以南，被海水淹没，呈槽型山谷[1-2]。峡湾是地球系统的水生关键区（Aquatic Critical Zones，ACZs），位于陆地、冰冻层、海洋和大气层相互作用的交汇处，其生物地球化学过程对全球气候变化和人类活动极为敏感[3]，具有全球单位面积最大的有机碳埋藏量[4]、较高的沉积速率、沉积物累积速率和有机碳累积速率，是研究碳循环的重要区域[1-5]。峡湾较高的沉积速率和较少的外部环境干扰能加速沉积有机碳埋藏到Mn富集厚度（即氧气穿透深度）[6]以下，缺氧条件使有机碳降解由氧化分解转变为厌氧过程，而微生物通过厌氧过程分解的有机碳仅占氧化分解有机碳的10%左右[7]，因此，峡湾是有机碳储存的理想场所，是研究碳循环以及重建高分辨率陆地和海洋古气候变化的最佳地点之一[3,8]。

与其他河口、海湾相比，峡湾具有独特的地形地貌，水道深而狭长，两岸陡峭而高深，并且在水下有一个或者多个残余冰碛堆积形成的海底冰坎（图1），通常有河流流入峡湾前端[2-3,9]。峡湾有机碳来源和埋藏主要受以下5个因素影响：冰川类型、淡水颗粒物负荷量、气候条件、海洋学特征（例如峡湾的三维环流）、峡湾两岸斜坡的稳定性[3]。根据气候条件，峡湾可分为极地气候峡湾、亚极地气候峡湾和温带气候峡湾[3,10-11]。极地气候峡湾几乎常年被海冰或冰架覆盖，并存在永久的冰川，沉积物主要来自冰河床，也来自冰山和冰川下的河流；亚极地气候峡湾在冬季有海冰覆盖，但通常在夏季融化，夏季平均气温在0 ℃以上，冰川可能存在，沉积物主要来源于冰下物质、冰下径流、冰山和陆地径流；温带气候峡湾目前几乎没有冰川作用，并且全年为开阔水域，海冰只出现在局部区域，沉积物来源主要为陆地径流[3,10-11]。

极地峡湾主要分为存在冰川作用的极地气候峡湾和亚极地气候峡湾，分布于格陵兰岛、加拿大北极区域、斯瓦尔巴特群岛、南极洲以及南极洲邻近岛屿[11-13]，由于北大西洋暖流以及伊尔明厄洋流的影响，有部分温带气候峡湾位于亚极地区域的挪威和冰岛[11,14]（图2）。峡湾–冰川系统具有较高的有机碳累积速率，但与温带峡湾系统相比，极地峡湾陆地植被覆盖较少，陆源有机碳输入和海洋初级生产力较低，即使有机碳累积速率的最大值出现在格陵兰岛峡湾，但从全球范围来看，温带峡湾系统整体上具有更高的有机碳累积速率（图3）。南、北极峡湾冰川通过影响沉积有机碳的来源和保存，直接或间接控制沉积有机碳的累积和埋藏[3]。冰川融水输入和海水输入可控制沉积有机碳组成在峡湾的空间变化，而峡湾有机碳的组成可直接影响其储存和埋藏，因此定量估算极地峡湾各来源沉积有机碳，对综合理解峡湾有机碳累积或埋藏在气候变化下的响应至关重要。目前，主要应用生物标志物、稳定同位素（13C）、C/N比值、总有机质放射性碳同位素（14C）和单体化合物放射性碳同位素[5,8,12,15-18]，结合端元模型对峡湾沉积有机质进行区分和定量估算，如陆源和海源[19]，沉积岩源和生物源[12,15]，化石源、冰筏来源和海源[17]或者冻土有机碳源和海源等[20]。在全球变暖的背景下，冰川快速消融[3,21-22]，南、北极峡湾–冰川系统有机碳的生物地球化学过程的响应不同[13,23-25]。因此，厘清极地峡湾在冰川作用下的沉积有机碳累积和埋藏机制，对认识南、北极沉积有机碳对气候变化的响应，以及全球碳循环和气候变化具有重要意义。

图 1 峡湾地形特征示意图[2]Fig.1 Schematic diagram of fjord topographic features [2]

1 峡湾沉积有机碳空间分布特征

极地峡湾不同的气候环境、洋流、冰川条件使得沉积有机碳的含量和组成、有机碳累积速率在不同的峡湾之间均呈现出不同的分布[22,24]。首先，在峡湾区域内，沉积物有机碳的空间分布特征主要表现为从峡湾前端到峡湾口沉积有机碳含量和组成的梯度变化[24]。由于极地峡湾前端冰川融水的释放、陆源物质的输入和峡湾口海水的输入，峡湾的水文动力和生物地球化学沿着纵轴具有显著的梯度变化[26-28]。从最靠外的峡湾口到靠近冰川锋面的峡湾前端，峡湾的沉积速率和沉积物累积速率按量级递增；研究者通过将沉积物累积速率与沉积有机碳含量拟合发现，两者呈现显著负相关，表明基岩矿物对沉积有机碳的稀释是控制峡湾有机碳含量的主要因素之一[19]。因此通常由于冰川和径流排出的大量悬浮矿物，沉积有机碳含量从峡湾内部向外部峡湾递增，例如位于斯瓦尔巴特群岛的孔斯峡湾，其中部、外部站位的沉积有机碳含量是峡湾内部站位的4～6倍[29]，但有研究指出，峡湾内部可能存在冰川来源有机碳的输入，反而导致峡湾内部站位的沉积有机碳含量较高[26]。峡湾内沉积有机碳组成的梯度变化表现为，由峡湾前端向峡湾口方向，海源有机碳含量逐渐增高[22,29]，并且总有机碳矿化速率向峡湾口方向增加，主要是由于湾口方向易降解的海源有机碳含量较高[22]。几乎在所有峡湾沉积物分布模式中，粗粒度的沉积物通常更靠近峡湾的前端以及冰川的锋面，并且沉积物粒径向湾口方向减小，而初级生产力通常会在远离冰川前缘的区域增加，因此在海湾口的沉积物中具有相对高比例的海源有机碳[30]。但在南极半岛西部区域弗兰德湾峡湾内沉积分布模式的研究中发现，由于邻近峡湾区域，强大的海流会使峡湾口沉积物再悬浮，冰川消融、海冰减少、上层南极绕极流（≥1.5 ℃）对初级生产力有促进作用，弗兰德峡湾的沉积分布模式和沉积有机碳组成的梯度变化与之前相关研究的结果相反，表现为沉积物粒径由峡湾前端向湾口方向增加，并且湾口主要为陆源有机质，而峡湾前端为海源有机质占主导（图4）[30]，这样的特征是否还存在于南极半岛西部区域的其他峡湾，还需要进一步探究。

图 2 南北极峡湾分布图蓝色线代表极地气候峡湾，红色线代表亚极地气候峡湾，绿色线代表温带气候峡湾。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.

图 3 全球峡湾沉积物有机碳累积速率分布[5, 13-14, 19, 23-25, 27]灰色区代表温带峡湾分布区域。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.

图 4 弗兰德峡湾和艾蒂安峡湾沉积分布示意图 [30]UCDW为深层绕极流上层水体。Fig.4 Illustration of various sediment distribution processes in the Flandres Bay and Etienne [30]UCDW: upper circumpolar deep water.

图 5 影响初级生产力驱动因素的空间示意图[31]Fig.5 Spatial diagram of driving factors affecting primary productivity [31]

在各个极地峡湾之间，沉积有机碳含量主要受沉积物累积速率强烈波动的影响，区域性的有机碳含量与沉积物累积速率的显著负相关表明，沉积物累积速率越高的峡湾有机碳含量越低。此外，全球峡湾的区域平均沉积物累积速率与表层沉积物有机碳含量均值的相关性（R2=0.69）比全球各峡湾沉积物累积速率与表层沉积物的有机碳含量均值的相关性（R2=0.41）更强，说明沉积物累积速率对沉积有机碳含量的影响，在全球范围内比在单个峡湾区域研究中具有更重要的指示意义，例如，由于阿拉斯加东南部峡湾和巴芬岛峡湾涵盖了从北部（冰川覆盖）到南部（植被覆盖）的各种峡湾类型，两个区域的沉积物累积速率与区域各峡湾的沉积物有机碳含量均值具有极强的相关性[19]。在全球范围内，沉积物累积速率对有机碳累积速率和沉积有机碳含量的影响截然相反，研究者将有机碳累积速率与沉积物累积速率拟合发现，两者呈正相关（R2=0.79）[19]，即沉积物累积速率较高的峡湾普遍具有较高的有机碳累积速率，例如格陵兰岛峡湾的沉积物累积速率为（26.24±59.26）kg·m-2·a-1，平均有机碳累积速率高达（356.6±849.4）gC·m-2·a-1，而斯瓦尔巴特群岛峡湾的沉积物累积速率和平均有机碳累积速率分别为（3.15±3.83）kg·m-2·a-1和（38.80±47.40）gC·m-2·a-1[3]。各峡湾之间沉积物有机碳组成差异性主要受两个相反的过程控制：淡水的输入、海水的输入[14]，这两个基本过程又受到冰川活性和流域面积比值的控制[14,22]，例如，北大西洋区域极地峡湾由于受到温暖和富营养的北大西洋暖流的影响，当地无冰川覆盖，而斯瓦尔巴特群岛和格陵兰岛东南部区域的峡湾受到海流影响依次减弱，有冰川作用和季节性海冰覆盖，因此挪威峡湾的海源有机质贡献整体高于斯瓦尔巴特群岛和格陵兰岛东南部。而对于分布在挪威中部和北部的峡湾，两个区域峡湾系统的主要区别是总排水面积与峡湾表面积的比值，分别为14和1.3，对应的平均海源有机质占比分别为46%和68%，比值越大表示淡水输入越多，海源有机质贡献越小[14]。

2 冰川驱动下的有机碳埋藏机制

峡湾有机碳可分为原位产生和外源输入两类[3,14,19]，原位产生有机碳主要指峡湾生态系统中，上层水体浮游植物产生的有机碳；外源输入有机碳则包括邻近沿海海洋初级生产力的有机碳、陆地生物源碳、沉积岩源碳、风成黑碳以及潜在的石油污染[3]。研究发现，陆源有机质占峡湾沉积有机碳的比例较高，智利、欧洲西北部和格陵兰岛峡湾的沉积有机碳来源研究显示，陆源有机碳占沉积总有机碳的55%～62%，并占了全球海洋埋藏的陆源有机碳的（17±12）%[3,19]。海洋沉积物中有机碳的累积或埋藏受多种因素控制，如海洋和陆地初级生产力、人类活动、沉积物累积速率、底层水氧化作用和底栖生物群落组成[24]，较高的沉积有机碳通量主要受控于较高的沉积速率、较高的初级生产力、较高的真光层有机碳输出效率以及较为有利的有机碳保存环境等因素的共同作用[6]。而高纬度峡湾的冰川作用可能使以上控制因素变得更加复杂。研究表明，在洋流和气候环境相似的极地峡湾，有冰川的北极峡湾通常比没有冰川的北极峡湾表现出更高的有机碳累积速率[24]。冰川可直接或间接影响峡湾有机碳的来源和保存，进而增加有机碳在峡湾的累积或埋藏速率。

首先，冰川可通过改变特定时空范围内浮游植物生长的限制因子（光照、常量营养元素或微量营养元素）[31-32]（图5），间接影响峡湾–冰川系统的浮游植物初级生产力，冰川对浮游植物初级生产力的影响在很大程度上取决于冰川类型（海洋终端或陆地终端）。冰川峡湾的研究调查显示，在北极区域，海洋终端冰川峡湾通常比陆地终端冰川峡湾具有更高的初级生产力（图6）[33]。在陆地终端冰川峡湾，由于冰川融水中泥沙含量较高，以及细沉积物的再悬浮[31]，高浑浊度的冰川融水流入会使峡湾下游海洋环境产生光限制[3,34]，冰川融水从地表释放，促使水体层化，阻碍了营养盐的垂直供应[22,35]，并且使冰川融水中溶解的常量营养元素浓度降低，研究认为陆地终端冰川可能会抑制峡湾的初级生产力[31]。而在海洋终端冰川峡湾，冰川融水可从冰川接地线深处释放，浮力和动量促使上升羽状流形成，挟带周围的海水并混合[36-38]，丰富的营养盐进入真光层，进而提高初级生产力[39]。但以上冰川对峡湾原位生产力的促进或抑制均在一定范围内，例如在陆地终端冰川峡湾，光限制范围会受到冰川融水流出距离的控制，浮游植物初级生产力仅在光限制范围内被抑制；在海洋终端冰川峡湾，较高的初级生产力是在冰川锋面下游小于80 km（冰川潜在影响范围）的区域内的总体表现[31]，而在峡湾前端（靠近冰川锋面），浑浊羽状流内部的初级生产力较低[22]。因此，冰川对极地峡湾初级生产力的影响需要结合采样位置和相应时空下的限制因子来进行具体分析，也需要考虑季节和年际变化。其次，峡湾–冰川系统中微量营养元素对浮游植物初级生产力的影响表现为冰川融水颗粒铁含量极高[31]，但大量冰川来源的颗粒铁能在多大程度上迁移到开阔大洋，并对存在铁限制海域的初级生产力的影响如何，以及颗粒铁如何转化为生物可利用溶解态铁，还尚不明确[31,40]。此外，在峡湾–冰川系统中，冰川输入的大量岩性物质对有机碳具有压实作用[31,41]，加速有机碳被运移到深层，提高了生物碳泵效率[31]，因此，与其他大陆架系统相比，峡湾–冰川系统可能具有较高的真光层有机碳输出效率。

图 6 水文洋流及其对海洋终端冰川和陆地终端冰川峡湾生物地球化学的影响[38]Fig.6 The hydrodynamic circulations and their impact on biogeochemistry of fjords affected by marine-terminating glaciers and by land-terminating glaciers [38]

与浮游植物初级生产力相比，冰川对陆源有机碳的影响更为直接，陆源有机碳可分为沉积岩源有机碳（OCpetr-terr）和生物源有机碳（OCbio-terr）[3]。冰川通过对极地峡湾基岩的物理侵蚀，将基岩颗粒输送到峡湾。OCpetr-terr是指在基岩中被保存了上千年的生物成因有机碳[3]，极地峡湾中OCpetr-terr输入除了受到冰川侵蚀的驱动，还与峡湾基岩的类型有关，因为OCpetr-terr主要存在于沉积岩中，而在火成岩、火山岩和变质岩中含量极少可忽略不计[3]。例如，阿拉斯加东南部峡湾基岩主要由沉积岩组成，贡献了北美东南沿海最多的OCpetr-terr输入[15]，而新西兰峡湾基岩为火成岩，沉积物中的OCpetr-terr含量较小[42]。此外，OCpetr-terr在进入海洋环境后仍与云母和绿泥石等矿物紧密结合，可减少有机碳在水环境中的释放，并降低潜在反应活性[3]，因此，与存在土壤有机质输入的中纬度峡湾相比，极地峡湾有机碳埋藏程度可能更高。除了冰川侵蚀搬运的OCpetr-terr，陆地有机碳也可通过冰川融水形成的径流进入峡湾[22]。OCbio-terr指新鲜的陆地植被与维管植物的降解残留物质和腐殖质退化物质组成的土壤有机碳[3]。通过对峡湾沉积物中单体化合物的放射性碳同位素分析，发现极地峡湾沉积物中土壤有机碳的停留时间比温带峡湾长[3]，例如，挪威斯和瓦尔巴群岛峡湾沉积物的放射性碳测定表明，土壤有机碳可能有数千年的停留时间[17]，而新西兰峡湾沉积物土壤有机碳的年龄仅有几百年[42]。因此，冰川侵蚀和冰川融水对OCpetr-terr和OCbio-terr的搬运，以及峡湾内较高的沉积速率[43]，使南、北极峡湾具有巨大的有机碳埋藏潜能。

在沉积有机碳的保存方面，有机碳沉积到海底后有三种结果，一是经历再矿化过程，成为溶解有机碳、营养盐和二氧化碳，重新进入生物地球化学循环；二是通过摄食被储存在底栖生物中；三是被埋到更深的沉积层进而与大气隔离上百年[24]。由于冰川侵蚀搬运和峡湾地形地貌的几何特征，极地峡湾的沉积速率普遍较高[43-44]，目前在发生冰川消融的峡湾中，已测得最大沉积速率为1 m·a-1[45]。另外，较高的沉积物累积速率，可迅速将累积的有机碳埋藏在Mn富集层厚度以下，减少了有机碳在有氧环境中的暴露时间，有利于沉积有机碳的保存。研究表明，有机质的埋藏速率和保存程度与总沉积速率呈正相关[46]。此外，冰川输入的无机相（铁、锰）可能有效地吸附溶解有机碳，或与溶解的有机化合物共沉淀，促进有机碳长期埋藏[3,47]。在冰川融水和陆地径流的影响下，极地峡湾水体可能出现季节性层化，以及可能会出现底层水低氧、缺氧的情况，微生物的厌氧氧化作用所消耗的有机碳较少，有利于保存更多的有机碳[48]。但目前有相关峡湾底层水缺氧或低氧的研究较少[5]，水体层化的现象是否普遍存在于南、北极峡湾尚不清楚[3]。

3 放射碳同位素技术在峡湾有机碳埋藏研究中的应用

近年来，峡湾在全球碳循环和有机碳埋藏中发挥着重要作用，因此了解峡湾沉积有机碳的来源特征，对准确估算有机碳埋藏速率，以及认识峡湾有机碳埋藏和沉积有机碳组成对气候变化、冰川加速消融的响应至关重要。目前主要通过测定多参数生物标志物，包括烷烃、烯酮、甾醇、脂肪酸、木质素、甘油二烷基甘油四醚（GDGTs），结合有机碳稳定同位素13C和端元模型估算不同来源有机碳的贡献。多参数生物标志物法相对减小了单一生物标志物或指数估算方法的不确定性，例如，在冰岛峡湾全新世陆源有机碳沉积记录的研究中，不同生物标志物的陆源指标具有相似的变化趋势，基于GDGTs的BIT指数、烷烃烯酮指数（n-alkane/alkenone）和C/N比值，结合3种指标的端元模型可得到近似准确的陆源有机碳变化[8]，全新世以来沉积物中陆源有机碳存量的贡献持续增加，这可能是由气候变化而非沉积速率变化所驱动，并且在全新世晚期，人类活动可能逐渐成为重要影响因素之一[8]。前人研究显示，峡湾沉积有机碳近1 000年来的变化不仅由气候变化驱动，而且还受到人类活动的影响，在人类活动导致陆源扰动的时期，有机碳埋藏速率远远超过了更早的全新世[49]，这表明，在有机碳大量输入的时期，峡湾具有较高的有机碳储存能力，以此起到气候调节的作用[50]。双碳同位素（13C和14C）技术被广泛用于估算极地环境沉积有机质中不同来源和不同年龄有机质的贡献，如多年冻土土壤有机质[51]以及含有来自多年冻土土壤有机质的极地海洋沉积物[52]。研究者利用沉积短柱中的脂质生物标志物和总有机质14C同位素，量化了亚南极区域两个峡湾的有机碳埋藏记录，结果显示，在1985—2017年，入海冰川消融，使峡湾东部和西部区域的沉积岩源有机碳累积有所增加，因此，连续消融的冰川不仅释放了沉积岩源有机碳，而且还增加了峡湾有机碳的埋藏量[3,12]。尽管应用双碳同位素技术能够区分多年冻土和海源有机质来源以及可以区分不同冻土沉积类型的有机质，但总有机质14C的应用在化石源有机质广泛输入的环境下受到很大的干扰，这限制了利用总有机质14C评估多年冻土有机质及峡湾沉积有机质的逗留时间[17]。另外，Hage等利用RPO-14C（ramped pyrolysis/oxidation radiocarbon analysis）技术对加拿大峡湾浊流中的POC进行分析，发现粗颗粒浊流沉积物中有机质含量远高于泥质层，年轻的生源有机质被很好地保存（＞70%），提高了有机碳的埋藏效率。由于砂质浊流普遍存在于峡湾区域，因此，对峡湾有机碳埋藏的进一步研究，有助于更加清楚地估算全球有机碳的埋藏和循环[53]。

生物标志物单体14C技术被用于从分子水平进一步来评估沉积有机质中不同来源和不同年龄有机质的贡献[20,54]。比如，该技术已经成功应用于定量估算中国陆架边缘海沉积有机质中不同来源和不同年龄有机质的组成，结果发现非现代有机质（陈化有机质和化石源有机质）相对贡献比例为（51±10）%，与沉积物中陆源有机质的相对比例（平均（51±14）%）大致相等[55]。研究显示，随着气候变暖，北极多年冻土有机质的释放量增加和搬运过程增强。Feng等对北极地表和深层（永久冻土）随气候变化的搬运机制进行了研究[56-57]。木质素单体14C结果显示河流径流输入是表层沉积物中年轻有机碳的主要来源，而14C年龄相对老的植物蜡质生物标志物则主要来自不连续冻土层的古老有机质。近些年来随着河流径流输入增加，流动中古老碳的比例相对增加了3%～6%。有研究表明气候变化是导致老的多年冻土有机质被搬运的重要因素[56]。还有研究发现，Bayelva河和孔斯峡湾沉积物中有机质14C受到化石源有机碳输入的限制；而来自长链脂肪酸14C年龄（大约8 000～11 000 aBP）数据揭示了深层活动层/多年冻土有机碳的大量输入，尤其是在Bayelva河及其河口位置；在孔斯峡湾中部长链烷酸年龄（2 500 aBP）相对年轻，可能来自其他冻土有机质输入影响，也可能是由于不同沉积速率或沉积物分选等物理因素所影响[20]。

4 峡湾沉积有机碳对全球气候变暖的响应

在未来几十年里，许多海洋终端冰川将在全球变暖的条件下撤退到陆地上，极地峡湾冰川类型的转变将直接影响极地峡湾生态系统的生物地球化学过程[22]。例如，冰川向陆地的撤退改变了冰川锋面上升流，并减少了营养物质向峡湾真光层的通量，进而减少海洋初级生产力[38-39]。另外，矿物质运输减少和沉积物累积速率降低，可能导致冰川峡湾中有机碳埋藏速率下降[24]；但气候变暖也使得极地峡湾海冰更薄、覆盖范围更小或者覆盖时间更短，促使浮游植物生长周期变长；大气CO2的增加，将会促进初级生产力并向海底输送更多海源有机碳[24,58]（图7），冰川撤退可能促进浮游植物初级生产力，也可能抑制初级生产力。因此，评估气候变化对峡湾生态系统的影响是一个极大的挑战[22]。另外，冰川撤退并非是一个简单、渐进的过程，研究表明，在斯瓦尔巴特群岛的163个冰川中，14个海洋终端冰川在过去的30～40年转变为陆地终端冰川，而有11个陆地终端冰川已经进入海洋[22]。在长时间尺度上（约10 700 cal.aBP），峡湾浮游植物初级生产力可能受到流域面积和营养盐供应的调控。全新世以来，北半球太阳辐射和经向翻转流强度的改变，形成了不同的洋流系统，影响了营养盐供应，进而影响了峡湾浮游植物的初级生产力[8]。研究表明，全新世温暖的表层海洋环境可能会导致初级生产力的增加和陆源物质贡献的降低[59]。但极地峡湾的沉积主要受冰川融水动力作用和海冰、冰川侵蚀作用的控制，因此有大量的陆源有机碳来源[60]。在未来气候变暖条件下，陆源有机碳输入将显著增加[3]。根据冰岛峡湾岩芯全新世以来的沉积记录，陆源有机碳的输入受气候变化的控制，全新世早期，由于太阳辐射增强，冰川不断消融，土壤面积和陆地植被覆盖增加，峡湾陆源有机碳贡献由2%增至18%；约8 200年前，冷事件又阻止了冰岛北部区域陆地土壤和植被的发展，峡湾陆源有机碳贡献减少；上述冷事件持续的时间较短，在早全新世暖期（8 600～5 400 cal.aBP），冰岛峡湾陆源有机碳输入整体呈现增加趋势[8]。然而，冰川消融也可能使陆源输入峡湾的粗颗粒物质减少，这是由于大量粗颗粒物质会首先在陆地河床沉积，在上游形成的湖泊将形成临时的汇，显著改变沉积物进入峡湾的路线，同时缺乏冰山的搬运，所以从长时间尺度来看，冰川的减少将导致悬浮物质输出减少甚至使浊流停止[61-63]。因此，冰川未来的撤退模式将决定峡湾沿岸的水动力条件，以及其对碳埋藏和生态系统的影响[62]。另外，冰川的撤退模式可能与峡湾的地形条件有关，在1992—2010年，新地群岛90%的冰川都在撤退，其中海洋终端冰川的退缩率（52.1 m·a-1）比陆地终端冰川的退缩率（4.8 m·a-1）高一个数量级，并且峡湾宽度变化是调节冰川对气候变化响应的一个关键因素，表现为峡湾宽度与冰川总退缩率之间显著相关[21]。

图 7 极地峡湾陆源物质运输和生物地球化学过程示意图[22]a. 目前的海洋终端冰川，b. 未来的陆地终端冰川。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]

高纬度峡湾被认为是不成熟的生态系统[9]，地质构造年轻。对于北极区域的峡湾生态系统，研究认为变暖会改变其有机碳来源的相对贡献，并诱导峡湾海底系统的成熟，形成稳定的、生物适应的底栖生物群落，减少有机碳在沉积物中的埋藏[22-23]。此外，研究认为北大西洋暖流的流入维持了欧洲西北部以及挪威北部峡湾的高有机碳埋藏速率，而持续的气候变化将改变北大西洋暖流的强度，进而可能对北大西洋峡湾的碳埋藏产生显著影响，例如，温暖、富营养的北大西洋海水往欧洲北极海域流入持续增强，即北欧海域的大西洋化[64]，会增加对欧洲西北部峡湾的营养盐供应，提供利于生物生长繁殖的温盐条件，使峡湾生物量增加[14]，并且北极海冰覆盖面积的减小也会提高浮游植物生产力，并改变峡湾的沉积速率[65]，从而影响峡湾有机质通量和有机碳累积或埋藏量。目前南极半岛西部90%的冰川正在加速撤退，峡湾成为南极洲增长最快和最新的栖息地之一。据估算，在南极半岛新出现的峡湾系统中每年有超过7.8×108gC被埋藏，表明即使冰川退缩，极地峡湾仍然具有很强的碳埋藏能力[13]。因此，不同地域条件的极地峡湾，其海洋环境、冰川状态对全球变暖的响应不同，沉积物有机碳的累积或埋藏受到的影响不同，为了能够严格评估和进一步预测冰川撤退对峡湾沉积物生物地球化学的影响，还需要对冰前带（proglacial zone）与峡湾沉积物的生物地球化学过程、陆海相互作用、生态系统功能之间的联系和反馈展开进一步研究[3]。

5 总结和展望

（1）在全球气候变化的背景下，峡湾的生物地球化学过程发生了剧烈的变化。峡湾的特殊地形及生物地球化学特性使其成为有机碳埋藏和储存的重要区域。全球峡湾的有机碳埋藏量约占全球海洋有机碳埋藏量的11%，由于存在冰川作用，极地峡湾沉积有机碳的输入、迁移转化和埋藏呈现出与温带峡湾不同的特征，并且极地峡湾湾内以及各峡湾之间的沉积有机碳来源、组成和累积、埋藏速率均存在空间差异。因此，厘清峡湾沉积有机碳的来源对认识峡湾有机碳埋藏至关重要

（2）目前有关峡湾传输、储存以及向沿海延迟输送的有机碳定量研究还较少，也难以明确冰川输入有机碳的确切归宿。此外，富载铁和悬浮颗粒物的冰川融水可能有利于有机碳矿物组合的形成，从而降低了从冰冻圈输出有机碳的生物利用度。但冰川输出物质中有多少被代谢，或被埋藏在峡湾沉积物中，还需要进一步探讨。

（3）近年来，预测全球气候变化是否会对峡湾的陆源有机碳输入、海洋生产力和生物地球化学过程起协同或对抗作用，以及在不同的纬度梯度上如何发生变化仍然是一个关键的挑战，因此，为了厘清气候变化下峡湾沉积有机碳对冰川撤退的响应机制，还需进一步对峡湾区域长时间尺度沉积物岩芯中不同来源和不同年龄有机碳来源和组成开展研究。