文丨小志一直说

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前言

北冰洋海底的碳酸盐化学及其对海洋酸化的脆弱性仍未得到充分探索。这限制了量化生物地球化学过程和底水条件如何影响沉积碳酸盐化学的能力，以及预测气候变化如何影响北冰洋海底的此类生物地球化学过程的能力。

北冰洋海底是长期储存碳的重要场所，将其与大气隔绝。这种存储能力本身也容易受到气候变化的影响。我们需要了解碳是如何在北极海底被回收和储存的，以便能够预测地球气候的未来变化。

北冰洋

北冰洋，尤其是其季节性无冰区，由于其吸收二氧化碳的能力强，极易受到海洋酸化的影响。由于其永久寒冷的表层水、相对于的不饱和度以及海冰形成过程中的盐水排斥将表层混合到更深的水层，它成为大气下降的全球热点。

海气交换对海水pH值及其碳酸盐饱和状态施加重要控制。大气层增加水平可引起pH和Ω的负变化，导致OA。除了海气通量外，北冰洋的碳酸盐化学还受到具有不同物理化学特征的水团分布、季节性海冰动力学、河流流量波动、永久冻土融化、海岸侵蚀、和天然气水合物不稳定。

这些过程会导致浅层和深层水体中的pH和Ω发生变化，相对于颗粒无机碳，即碳酸盐矿物，水体可能变得不饱和。这种饱和度变化会对北极生态系统产生负面影响，尤其是碳酸盐壳生物，减少向海底输出PIC，并影响北冰洋沉积物中的长期无机碳埋藏和氧化还原过程。

目前，在北冰洋的大部分地区，方解石补偿深度位于水深4,000米左右，而文石补偿深度更浅，为2,000米。在波弗特环流和整个东西伯利亚大陆架中已经记录了较浅水域相对于文石的饱和度不足。

北冰洋碳酸盐化学的变化影响远洋系统。鉴于北冰洋底部水的pH值较低，PIC通量的减少将抑制沉积物的缓冲能力，影响pH和Ω在沉积物水界面。

北冰洋酸化会导致沉积孔隙水pH值降低，以及碳酸盐沉积进一步减少，这对孔隙水Ω有重要影响，改变溶解无机碳和总碱度动力学。北极海洋沉积物的pH缓冲能力可能会因OA而降低。

底栖无机碳动力学和孔隙水pH值和饱和状态不仅受底部水碳酸盐饱和度和PIC沉积控制。它们还受到沉积物内复杂和动态的成岩作用的影响。这些海底过程控制沉积物水交换通量和埋藏通量，对海洋碳酸盐化学产生反馈。

在海洋沉积物中，几乎没有生物地球化学过程不通过碳酸盐和硫化物系统的质子分解物质的产生或消耗影响孔隙水pH值的深度演变。每个生物地球化学反应对孔隙水pH值的影响不仅取决于这些质子分解物种的生产消耗率，而且还受环境pH值本身的控制。

OM降解和再氧化过程的相互作用在海底是多么复杂和动态，并强调了完全控制北极沉积物中pH值和碳酸盐化学的挑战。系统地了解哪些成岩过程控制pH值和Ω的变化不仅是限制北极海底碳酸盐系统的基础，而且对于评估这些过程如何响应环境条件的预期变化也至关重要。

巴伦支海

巴伦支海是北冰洋最大的陆架区，位于挪威和俄罗斯北部。普遍的海洋学条件在很大程度上受到海冰和风动力学以及测深的影响。这些相互作用在北极水和大西洋水之间形成了复杂的边界，产生了海洋极地风。春夏期间的海冰范围对远洋初级生产力和养分循环产生强烈影响，导致一般的南北分带。

巴伦支海大陆架区域的特点是强烈的海底远洋耦合。这表现为相对较高的沉积物需氧量、靠近海底的OM的强烈转变和复杂的底栖生态学。我们最近应用模型数据方法来量化巴伦支海陆架横断面上的底栖OM动力学。

OM降解的总体速率在很大程度上取决于沉积在海底的OM的反应性，这与S-N远洋环境梯度无关。相反，底栖OM反应性主要受当时的海洋学条件以及来自陆地来源的反应性较低的OM的运输途径控制。脂质生物标志物数据表明沉积OM的主要海洋特征。

估计OM降解率和营养通量相对较低。这些可能与巴伦支海中部大陆架上反应性较低的陆地OM的供应有关，这可能来自斯瓦尔巴群岛地区。

巴伦支海陆架现在和未来的底水和沉积孔隙水的pH、DIC和TA浓度存在一定程度的不确定性。通常不清楚底层水的碳酸盐化学如何有效影响DIC和TA的底栖通量。

为了探索底栖碳酸盐通量对约束不佳的底水pH、DIC和TA的响应，我们在合理的pH和TA条件的整个范围内运行稳态模型集合。我们调查通量在不同的底水条件下如何变化，并使用这些结果来讨论预计的未来变化对底栖通量的潜在影响。我们涵盖了7.0–8.0的pH区间，这代表了巴伦支海大陆架西部地区的pH值。

巴伦支海30 E南北横断面的无机碳和pH值动态

孔隙水欠饱和强度和溶解速率的S-N趋势反映在充分混合层下的孔隙水过饱和强度和碳酸盐沉淀速率。在横断面的北部，孔隙水pH值和Ω向下增加到pH>8.0和Ω>5的广泛中芯最大值，而横断面的南部显示越来越低和更局部的中深度pH和Ω最大值pH=7.4-7.6和Ω=1.0-1.7。

在最南端的站点，孔隙水pH值从SWI的7.6开始下降，只有在2厘米深度附近出现非常微弱和非常狭窄的反转。孔隙水方解石饱和度保持相对恒定，由于低沉积物碳酸盐含量几乎完全消耗以及由此导致的缓冲能力下降，整个模拟沉积物柱接近不饱和条件。

自生碳酸盐沉淀速率比溶解速率低两个数量级；模型衍生的自生碳酸盐降水对深度的影响不大。来评估Ω阈值对降水的影响，评估降水率对模拟底栖剖面的影响。尽管这些测试结果导致降水量显着增加，但它们也会在模型和数据深度剖面之间产生进一步的不匹配。我们保持相对保守的阈值Ω 5自生碳酸盐沉淀。

在上层、混合良好的沉积层内，pH和Ω动力学主要由OM的有氧降解和方解石溶解之间的平衡驱动。这是含氧海洋沉积物的典型特征，其中有氧OM降解会导致孔隙水酸化，并导致方解石代谢溶解。

这两个相反过程的相互作用是否会导致上层沉积物pH值和Ω值降低或升高，主要取决于底部水域的饱和状态。在北部地点，非常活跃的OM沉积支持最高的有氧OM降解和质子产生率。

由于腐蚀性底部水进一步增强了碳酸钙在上层沉积物中的溶解，并且方解石含量在巴伦支海的这一部分没有限制，碳酸钙溶解速率对pH和Ω的积极影响超过了好氧OM降解的消极影响。在最南端的地点底部水的pH值较高，底部水的碳酸钙饱和度，碳酸盐含量较低。

海底碳酸盐动力学对不同环境条件的敏感性

尽管此处探索了底水TA的合理范围，我们发现底水TA的变化对TA和DIC通量的影响是通常较低。全球海底TA通量变化很大，应用的底层水TA浓度的不确定性对TA通量估计的影响可以忽略不计。

受高沉积速率影响的沉积环境通常以氧气快速耗尽为特征，因此有利于低氧和缺氧代谢途径，这可以促进Ω过饱和和自生方解石沉淀。沉积速率普遍加倍会导致所有地点的自生降水速率增加，然而，这些增加的幅度沿样带不同。在B13-B15，降水率相对于基线条件增加2-3倍，而在B16-B17时降水率高4-5倍。这种区域差

异可能归因于北部地区OM的高降解率和金属氧化物途径相对于南部地区的贡献更大。

由于在双OM输入下OM降解率更高，量化了DIC产量的增加。尽管自生降水导致DIC下沉，但底栖DIC通量通常也会增加

Mn和Fe氧化物在巴伦支海沉积物中相对丰富。这些金属氧化物对OM降解的相对贡献对孔隙水的pH值和碳酸盐化学具有重要控制作用。输入到海底的金属氧化物的变化对巴伦支海的碳酸盐动力学产生相对较小的影响。这种有点违反直觉的结果可以解释为，深度积分碳酸盐溶解和沉淀主要受沉积层在碳酸盐溶解和或沉淀带内的停留时间控制

沉积物的氧化还原区带在沉积速率旁边对总碳酸盐溶解和沉淀施加一级控制。模型结果表明，与OM输入的变化相比，金属氧化物输入增加的变化对沉积物的氧化还原带状结构影响有限，因此对沉淀和溶解的位置和范围影响有限区域。

单独到海底的方解石输入通量的变化仅限于溶解速率相对较小的变化。不出所料，方解石输入的增加会轻微触发溶解速率的增加。这些影响在B16–B17更为明显，对于这种模式有两种可能的解释。

结论

针对巴伦支海陆架OM动力学校准的模型数据方法，明确解析了海底pH值和碳酸盐系统，并量化了控制孔隙水pH值和饱和状态以及DIC变化的成岩过程和TA通量。此外，我们评估了底水条件和输入通量如何影响无机碳动力学及其与环境变化的联系。

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