东太平洋多金属结核区水-沉积物界面溶解有机物的特征及其潜在形成机制，以及其释放潜力的评估

张远浩|刘志丹|邹莉|吴成|张学清|丁海冰|权永正|贾永刚

中国海洋大学环境科学与工程学院，教育部海洋环境与生态学重点实验室，山东省青岛市266100

摘要

在多金属结核区进行深海采矿对海洋碳汇构成了重大风险。本研究调查了克拉里昂-克利珀顿海域（Clarion-Clipperton Zone, CCZ）内海水和沉积物中溶解有机物质（DOM）的垂直分布和三维荧光光谱特征，以及海水-沉积物界面的DOM来源和转化途径，并评估了采矿可能引起的DOM释放及其影响。溶解有机碳（DOC）和有色溶解有机物质（CDOM）的相对丰度从光合作用层向无光层逐渐减少，但在底层水中略有积累；而孔隙水中的DOC浓度和沉积物中的CDOM丰度比底层水高出几个数量级。荧光分析表明，在光合作用层中，浮游植物的生产和微生物的再加工是主要过程；而在弱光层、无光层和底层海水中，微生物的持续降解和有机物的再加工是主要过程。然而，水柱和沉积物层中CDOM分布的不连续性表明，其主要来源是微生物在原位重新处理的颗粒有机物。这一点在底层海水与表层沉积物之间CDOM特征的明显差异中尤为明显。模拟结果显示，采矿活动可能导致0.02–0.15毫克/升的沉积物衍生DOC释放到底层水中，并可能在该区域长期存在。研究表明，深海采矿将导致底层水中DOM的适度且持久的增加，从而显著扰乱海水-沉积物界面的有机物分布模式。

引言

海洋吸收大气中的二氧化碳（CO₂）并通过物理和生物过程将其输送到深层水和海底，这约占全球化石燃料排放量的四分之一到三分之一（Ussiri和Lal，2017；Fay等人，2024）。储存在深海水和沉积物中的碳被认为是稳定的，是去除大气中二氧化碳和缓解气候变暖的关键机制（Hansell等人，2009；Rae等人，2018），其中溶解有机碳（DOC）在深海深处表现出缓慢老化并最终达到稳定状态（Hansell和Orellana，2021；Hedges和Keil，1995；Shan等人，2020）。

然而，深海中的DOC在其动态方面并非完全静止（Kim等人，2015）。全球有色溶解有机物质（CDOM）的分布显示，高达18.2%的高结合CDOM分子可以在深层水中被微生物矿化并转化（Mo等人，2025），而表层产生的POC会垂直迁移并将易变的DOC输送到深海，使其分子组成与表层DOC非常相似（Shen等人，2025）。因此，尽管深海中的DOC浓度降低，但其组成仍在变化，某些部分组在深层水中甚至可能增加（Tian等人，2018）。与沿海环境不同，在那里活跃的底栖过程会将大量DOM从沉积物释放到水柱中（Reader等人，2019），深海的极端稳定性历史上将碳迁移描述为单向埋藏过程，很少关注有机物重新进入水柱的可能性（Bradley等人，2022）。

对矿产资源的需求推动了深海采矿活动的迅速发展，特别是在克拉里昂-克利珀顿海域（CCZ），这是一个位于东太平洋、面积约为6×10⁶平方公里的多金属结核富集区（Lodge等人，2014）。截至2026年1月，国际海底管理局（ISA）已批准了31项深海矿产资源勘探合同。这将完全侵入深海环境，并造成一系列环境影响，包括沉积物重新悬浮、微生物功能恢复受阻（Haffert等人，2020；Stratmann等人，2018）以及碳循环的改变（Paul等人，2018）。模拟采矿干扰（如DISCOL实验，一项在秘鲁海盆进行的大规模底栖影响测试）显示，采矿会导致有机碳的重新悬浮和再矿化，孔隙水中的DOC浓度显著高于周围底层水（Paul等人，2018）。这意味着采矿可能将沉积物中的碳作为碳源释放到上层水中。据估计，有机物矿化可能需要超过50年才能恢复到干扰前的水平（Haffert等人，2020）。实际上，矿化过程取决于有机物的组成及其相关特性和转化过程。

因此，本研究首次探讨了克拉里昂-克利珀顿海域（CCZ）海水-沉积物连续体中DOC和CDOM的垂直分布。研究目标是：（1）阐明底层水和沉积物中DOM的形成机制；（2）估算采矿活动可能引起的DOC释放通量，并讨论其对深海碳循环和碳保存的影响。这种方法将丰富对深层水-沉积物界面DOM形成机制的理解，并为评估即将进行的商业采矿的环境影响提供基准。

章节摘录

研究区域和采样

研究区域位于东太平洋CCZ的多金属结核保护区内。该区域西侧以莱因海山链（Line Seamount Chain）为界，东侧以东太平洋海隆（East Pacific Rise）为界，主要由4000–5300米深度的广阔深渊平原组成，局部分布有热液区和小丘（Radziejewska，2014），总面积约为73,000平方公里。野外调查和采样工作是在

海水和沉积物中的主要物理化学参数

图2显示了海水和孔隙水中温度、盐度、pH值和溶解氧（DO）的垂直分布。海水温度从表面到1000米深度显著下降，之后基本保持稳定，底层水温度为1.437–1.439°C。海水盐度从表面到200米深度逐渐增加，500米以下变化较小。孔隙水盐度范围为32.5至34.8 psu。表层和深层沉积物中的盐度数值较高

海水CDOM组成的垂直变化

CCZ位于中央太平洋，远离陆地影响，其中的有机物主要来自自生浮游植物的生产（Bercovici等人，2023）。由于持续的向下扩散和沉积作用，DOC浓度和CDOM的相对丰度在表层水中达到峰值，随后随深度增加而减少。在1000至5000米深度范围内，这些值分别降至表层水平的约70.0%和70.5%。然而，仍有轻微

结论

多金属结核的商业开发对上层深海沉积环境造成了显著干扰，可能重塑深海碳汇的动态。通过表征海水和沉积物中DOM的组成和荧光光谱，本研究阐明了CCZ中海水-沉积物界面处DOM的迁移和转化过程。荧光分析显示，底层CDOM的峰值在组成上与

未引用参考文献

Wang等人，2018

CRediT作者贡献声明

张远浩：撰写——初稿、可视化、正式分析、数据管理、概念化。刘志丹：撰写——初稿、可视化、验证、数据管理。邹莉：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论制定、资金获取、概念化。吴成：监督、调查。张学清：监督、资源协调、项目管理、资金获取、数据管理。丁海冰：监督、资源协调

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢R/V Dayang Yihao的船长和船员在采样过程中提供的专业协助。本研究得到了中国国家重点研发计划 [项目编号 2022YFC2803800] 的支持。本研究使用了由中国五矿提供的样本。