Characteristics of spatial and temporal distribution of sediment oxygen consumption rate and environmental influence factors in the Yellow Sea and Bohai Sea
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摘要: 沉积物耗氧（SOC）是海洋沉积物重要参数，是海底沉积物有机质矿化速率的重要表征参数，开展沉积物耗氧的研究有助于了解整个海洋的碳循环过程。陆架边缘海作为有机质矿化和埋藏最重要和最活跃的场所之一，在全世界已经受到广泛关注与研究，但是对于具有海洋环境典型季节变化的中国边缘海区域，尤其是黄、渤海仍然缺乏相应的关注。本文使用整柱培养法，分别于2022年4月、7月和10月对黄、渤海沉积物耗氧进行研究，结果表明黄、渤海沉积物耗氧速率为7.11～17.33 mmol/(m2·d)。黄海春季沉积物耗氧速率与渤海无显著差异（ANOVA，p > 0.05），夏季（ANOVA，p < 0.01）和秋季（ANOVA，p < 0.01）黄海沉积物耗氧速率低于渤海；黄海春季沉积物耗氧速率最高，秋季次之，夏季最小，渤海夏季和秋季接近，显著高于春季（ANOVA，p < 0.05），温度和沉积物Chl a浓度是主要影响因素。同时，用沉积物耗氧速率来评估海底有机质矿化速率，并与初级生产力相比较，结果表明渤海海底有机质矿化与初级生产力的占比范围为42.8%～74.5%，是渤海碳循环的关键环节之一，黄海海底沉积物有机质矿化在黄海碳循环中作用不如渤海显著。本文系统研究了黄、渤海沉积物耗氧速率及其时空分布特征，探究了黄、渤海地区有机质矿化对初级生产力的贡献，为理解黄、渤海区域有机质矿化和埋藏提供理论支持。Abstract: Sediment oxygen consumption (SOC) is an important parameter of marine sediments and an important characterization parameter of the rate of organic carbon mineralization in seafloor sediments, and the study of SOC can help us to understand the carbon cycling process in the whole ocean. As one of the most important and active sites for organic carbon mineralization and burial, marginal seas have received widespread attention and research around the world, but there is still a lack of relevant attention to the Chinese marginal sea region with typical seasonal variations of the marine environment, especially the Yellow Sea and Bohai Sea. In this paper, the intact core incubation was used to study the SOC in the Yellow Sea and Bohai Sea in April, July and October 2022, and the results showed that the rates of SOC ranged from 7.11 mmol/(m2·d) to 17.33 mmol/(m2·d). There was no significant difference between the SOC of the Yellow Sea and the Bohai Sea in spring (ANOVA, p > 0.05), and the SOC of the Yellow Sea was lower than Bohai Sea in summer (ANOVA, p < 0.01) and autumn (ANOVA, p < 0.01); the SOC of the Yellow Sea was the largest in spring and the smallest in summer, and there was no significant difference between the SOC of the Bohai Sea in summer and autumn, which were significantly higher than that of spring (ANOVA, p < 0.05). Temperature and sediment Chl a concentration were the influencing factors. Meanwhile, the SOC was used to assess the rate of benthic organic carbon mineralization. When compared with the primary productivity, the results indicated that the contribution of benthic organic carbon mineralization to primary productivity in the Bohai Sea ranged from 42.8% to 74.5%, which was one of the key links in the carbon cycle of the Bohai Sea, while the benthic organic carbon mineralization in Yellow Sea plays a less significant role in the carbon cycle of the Yellow Sea carbon cycle than Bohai Sea. This paper systematically studied the SOC in the Yellow Sea and Bohai Sea and its spatial and temporal distribution characteristics, exploring the contribution of organic carbon mineralization to primary productivity in the Yellow Sea and Bohai Sea, which provided theoretical support for the understanding of organic carbon mineralization and burial in the Yellow Sea and Bohai Sea.
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1. 引言
自工业革命以来，以煤、石油和天然气为代表的化石燃料大量被开采和利用，使得大气中二氧化碳浓度由工业革命前的280 × 10−6升高至2023年的420 × 10−6，造成全球温室效应，进而引起诸如海洋酸化[1–3]和缺氧[4]等一系列环境问题。占地球表面积70%以上的海洋，其所承载的浮游植物将二氧化碳经光合作用转化成有机质，支撑了海洋生物的生命活动[5–6]。尽管大部分有机质在沉降过程中未到达海底就被矿化，但是海底沉积物仍然被认为是地球上最大的有机碳库[7]，有机质埋藏有助于缓解温室效应。在全球海洋中，陆架边缘海是大陆向海洋的延伸区域，水深一般不超过200 m，面积约占整个海洋面积的7%[8]，但该区域沉积物耗氧可占整个海洋沉积物总耗氧60%左右[9]，承载全球40%～50%的有机质矿化[10–11]。研究指出，海洋中约88%的有机质积累发生在距离海岸500 km的范围内[12]，因此陆架边缘海是有机质矿化和埋藏最重要和最活跃的场所之一。沉积物耗氧（Sediment Oxygen Consumption, SOC）是沉积物单位时间单位面积内的耗氧量，该过程以沉降至海底的活性有机质和氧气作为底物，通过一系列生物地球化学过程将一部分活性有机质转变为无机成分，重新参与到海洋碳循环中，剩余有机质则被埋藏并存储在海底沉积物中。目前国际上采用扩散耗氧通量、总扩散通量和涡度协方差技术测定氧通量等方法，对陆架边缘海地区SOC进行了广泛的研究[13–18]，但是研究区域主要集中在大西洋、欧洲近海以及北极圈等海域，有关西北太平洋边缘海尤其是黄、渤海区域鲜有学者关注。
黄海和渤海是西北太平洋陆架边缘海，黄海位于中国和朝鲜半岛之间，平均水深在44 m左右，受季节和黄海冷水团影响，中央海域底层水温常年保持在8～12℃；渤海是中国唯一内海，平均水深只有18 m，其通过渤海海峡与黄海连通。受人为活动影响，近几十年黄、渤海区域营养盐浓度在不断升高[19–20]，伴随着高的初级生产力（图1a，图1b，图1c），产生的大量有机质经过沉降、矿化、再悬浮等过程，最终沉积在海底。然而，目前有关中国近海沉积物耗氧速率的研究仅有少数的研究关注黄、东海以及有限的海湾[13, 21]，而对于渤海沉积物耗氧速率的研究鲜有涉及，同时，对于黄、渤海这种具有典型季节变化特征的沉积物耗氧的研究更是匮乏，这在一定程度上阻碍了我们对于沉积物耗氧以及有机碳收支的理解。我们假定黄、渤海沉积物耗氧与全球其他陆架边缘海类似，沉积物耗氧速率的时空分布规律受多种环境因素调控，在水深差异和温度跃层的影响下，黄海沉积物有机质矿化产物对初级生产力的贡献小，而渤海则有显著的贡献，因此渤海沉积物矿化对自身碳循环的影响要显著大于黄海。为检验上述假设，本研究以黄、渤海作为目标区域，采用现场沉积物采样和船基整柱培养的方式对该区域沉积物耗氧进行相关测量，旨在得到黄、渤海地区沉积物耗氧速率和时空变化，从而估算该区域沉积物的有机质矿化速率，并同时探讨了沉积物耗氧速率与环境理化因子的关系，为理解黄、渤海区域有机质矿化和埋藏提供理论支持。
图 1 春季（a）、夏季（b）和秋季（c）背景叶绿素a浓度及黄、渤海取样站点（d）数据源于NASA Ocean Color（https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/l3/ ）Figure 1. Background chlorophyll a concentration in the Yellow Sea and Bohai Sea in spring (a), summer (b), autumn (c) and sampling stations (d)The data are based on the online data of NASA Ocean Color (https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/l3/ )2. 材料与方法
2.1 样品采集
2022年4月、7月和10月，搭载国家自然科学基金委在黄、渤海春、夏、秋3个季节的共享航次，每个季节在7个站位（夏季航次缺少H36站）进行了现场取样并进行船基沉积物整柱培养测定耗氧速率（图1d）。培养实验所用底层水取自船载Niskin采水器，温度、盐度、水深和水体Chl a浓度等信息来自于船载温盐深系统（Sea-bird CTD），底层水体溶解氧的测定采用Winkler滴定法，方法的精密度为0.5%[13]，所用表层沉积物来自船载箱式采泥器。采集表层0～3 cm的沉积物20 mL放置于8 cm × 12 cm的封口袋中，立刻放置在−20℃冷库中保存，带回实验室冻干，用于孔隙度（φ）、含水率（w）、总有机碳（Total Organic Carbon，TOC）、总氮（Total Nitrogen，TN）、沉积物Chl a和脱镁叶绿酸的测定。
2.2 沉积物耗氧培养实验
前人的研究已对柱培养测定沉积物耗氧速率实验进行了细致的描述[13, 22]，本研究中依据采样的实际情况略有调整。选取无扰动且带有清澈上覆水的沉积物，缓慢均匀插入6根内径为3.3 cm的有机玻璃管（高度为30 cm），塞上胶塞，将有机玻璃管缓慢拔出。将每一个小柱内沉积物的高度调整至有机玻璃管高度的一半，塞上气密性良好的塞子，通过温控精度为±0.1℃的恒温控制箱控制循环水，在循环水中预培养12 h。预培养结束后（记为t = 0时刻）对其中3根柱取上覆水样品测定溶解氧含量C1，另外3根柱密封且置于暗处培养，培养6 h后取上覆水样品测定溶解氧含量C2，溶解氧的测定采用微量Winkler滴定法[13]。
SOC的计算公式如下：
$$ \mathrm{S}\mathrm{O}\mathrm{C}=\frac{{C}_{1}{-\; C}_{2}}{t}\times \; 24\times H\text{，} $$ (1) 式中，H是上覆水的高度（0.12 m）；t是培养时间（6 h）。
2.3 样品测定
取少量冻干后的沉积物，研磨至粉末，通过元素分析仪测定TN和TOC的含量，其中TN直接测定，TOC需经过盐酸处理后方可测定[23]，TN和TOC的精密度分别为2%和5%。沉积物中Chl a和脱镁叶绿酸用荧光法测定[24]，精密度为10.9%，通过冻干前后的质量差以及沉积物体积计算沉积物孔隙度φ和含水率w。将水柱分层，根据深度进行Chl a浓度积分，从而得到Chl a水柱积分[25]。
孔隙度φ、含水率w和Chl a水柱积分的计算公式如下：
$$ \varphi =({M}_{1}-{M}_{2})\times \frac{1}{\rho \times V} \text{，} $$ (2) $$ w=({M}_{1}-{M}_{2})\times \frac{100{\text{%}}}{{M}_{1}} \text{，} $$ (3) $$ {\mathrm{Chl}\; a}_{\left({\rm int}\right)}=\sum _{i=1}^{n-1}\frac{{\mathrm{Chl}\; a}_{\left(i\right)}+ {\mathrm{Chl}\; a}_{(i+1)}}{2}\times ({D}_{i+1}-{D}_{i}) \text{，} $$ (4) 式中，M1和M2为沉积物冻干前后的质量；ρ为海水的密度（1.02 g/mL）；V为沉积物体积（20 mL）；Chl a(int)是Chl a水柱积分（单位：mg/m2）；Chl a(i)是在第i层中的Chl a浓度（单位：mg/m3）；Di是在第i层中的采样深度（单位：m）；n是采样层。
2.4 数据处理及统计分析
用Pearson相关性分析判断沉积物耗氧速率与环境因子的相关性，用ONE WAY ANOVA判断沉积物耗氧速率之间的显著性差异，显著性水平设为0.05；用多元线性回归判断环境因子对沉积物耗氧速率的影响程度。本文中站位图用ODV 5.0绘制，相关性热图用Origin 2021绘制，其他图形用Sigmaplot 14.0和Surfer 20绘制。
3. 结果与讨论
3.1 黄、渤海水体和沉积物理化性质
研究区域包含整个黄、渤海，研究季节涉及春、夏和秋3个季节，进行SOC培养实验站点沉积物和上覆水的理化性质如表1。研究区域培养站位底层水温度范围是6.69～17.78℃，黄海区域底层水受纬度和黄海冷水团影响，3个季节底层水温度均在6.7～12.2℃，无显著季节差异（ANOVA，p > 0.05），渤海区域水深较浅，底层水受季节影响，春季底层水温度显著低于夏季（ANOVA，p < 0.01）和秋季（ANOVA，p < 0.01）。底层水DO浓度的范围是100.7～278.6 μmol/L，黄海区域底层水DO浓度呈现春季最高、夏季次之、秋季最低的特点，而渤海区域底层水DO浓度呈现春、秋季高，夏季低的特点。底层水盐度范围是29.49～33.11，黄海略高于渤海。沉积物的孔隙度在50%～93%之间，含水率最高的是黄海南部的H27站位，最低的是黄海中部的H36站位，整体范围是29%～69%。含水率高的站位集中在黄海南部和黄海北部，孔隙度较小的站位集中在渤海和黄海中部，表层沉积物中TOC和TN的范围分别是0.34%～1.67%和0.03%～0.23%，无季节差异（ANOVA，p > 0.05）。沉积物Chl a的浓度范围是0.6～18.1 μg/g，黄、渤海区域呈现春、秋季高，夏季低的特点，水体Chl a积分的范围是0.5～302.3 mg/m2。
表 1 培养站位沉积物和底层水基本性质Table 1. Basic properties of sediment and bottom water at incubation stations站位 时间 水深/m 水温/℃ 盐度 底层水DO浓度/
(μmol·L−1)孔隙
度/%含水
率/%TOC/% TN/% C/N
(mol/mol)沉积物Chl a浓度/
(μg·g−1)沉积物Chl a/
脱镁叶绿酸Chl a水柱积分/
(mg· m−2)H12 2022年春 69 10.58 33.00 226.9 81 55 0.77 0.13 5.1 3.9 0.61 164.1 2022年夏 10.88 33.11 185.4 73 49 0.78 0.09 7.4 0.9 0.26 57.4 2022年秋 12.08 32.23 138.2 81 54 0.81 0.09 7.7 1.7 0.77 120.9 H23 2022年春 77 9.86 32.96 222.8 66 47 0.71 0.12 5.1 6.4 1.17 101.2 2022年夏 10.10 32.97 189.7 70 50 0.72 0.09 6.9 0.6 0.24 126.6 2022年秋 10.32 32.90 156.7 66 46 0.65 0.09 6.2 0.8 0.51 108.3 H27 2022年春 68 9.52 32.87 214.9 81 61 1.21 0.20 5.2 12.7 1.56 168.3 2022年夏 9.22 32.68 165.8 93 69 1.36 0.16 7.3 1.3 0.23 181.1 2022年秋 9.46 32.46 135.1 81 60 1.45 0.22 5.6 4.1 0.93 241.3 H36 2022年春 72 8.63 32.52 238.8 50 30 0.34 0.04 7.3 5.2 1.33 277.9 2022年秋 9.55 32.47 161.1 50 29 0.34 0.03 9.7 1.1 0.79 172.2 N17 2022年春 54 6.69 31.70 262.6 84 59 1.43 0.23 5.3 4.6 0.40 124.3 2022年夏 8.24 31.80 226.3 82 59 1.67 0.19 7.5 4.1 0.64 302.3 2022年秋 12.2 31.56 134.4 84 58 1.52 0.19 6.9 5.4 0.67 135.1 B03 2022年春 21 7.79 30.13 278.6 69 43 0.74 0.12 5.3 18.1 3.50 115.4 2022年夏 17.25 29.92 105.6 78 54 0.66 0.09 6.3 2.5 0.47 155.4 2022年秋 17.78 29.49 206.0 69 42 0.54 0.06 7.7 3.1 2.41 85.4 B11 2022年春 23 7.37 31.28 272.1 70 44 0.59 0.10 5.1 3.0 1.13 38.2 2022年夏 16.36 30.62 100.7 73 46 0.65 0.06 9.3 1.2 0.35 93.1 2022年秋 17.39 30.14 193.7 70 43 0.56 0.06 8.0 3.1 1.40 0.5 3.2 黄、渤海SOC的时空分布
培养结束后所有站位上覆水体中溶解氧浓度均有明显下降，这表明培养体系中氧气被显著消耗。黄、渤海区域沉积物耗氧速率为7.11～17.33 mmol/(m2·d)，平均耗氧速率为（12.35 ± 3.62）mmol/(m2·d)，与其他学者关于大陆架边缘海沉积物耗氧速率的研究一致[13–18]。春、夏和秋季3个季节黄海和渤海区域沉积物耗氧速率的季节差异如图2d所示，黄海区域春季沉积物耗氧速率显著大于夏季（ANOVA，p < 0.01）和秋季（ANOVA，p < 0.01），夏季沉积物耗氧速率大于秋季沉积物耗氧速率；渤海区域春季沉积物耗氧速率小于夏季（ANOVA，p < 0.05）和秋季（ANOVA，p < 0.05），夏季和秋季沉积物耗氧速率无显著差异（ANOVA，p > 0.05）。
图 2 黄、渤海沉积物耗氧速率空间分布（春季（a）、夏季（b）和秋季（c）)和季节变化（d)（单位：mmol/(m2·d)）Figure 2. Spatial distribution (spring (a), summer (b) and autumn (c))and seasonal variation (d) of SOC in the Yellow Sea and Bohai Sea (unit: mmol/(m2·d))黄、渤海区域春季沉积物耗氧速率空间分布如图2a所示，H12站位耗氧速率最大，为17.33 mmol/(m2·d)；N17站位速率最小，为11.82 mmol/(m2·d)。黄海表层沉积物耗氧速率范围是11.82～17.33 mmol/(m2·d)，平均耗氧速率为（15.36 ± 2.01）mmol/(m2·d)；渤海表层沉积物耗氧速率范围是12.35～12.93 mmol/(m2·d)，平均耗氧速率为（12.64 ± 0.29）mmol/(m2·d)，黄海沉积物耗氧速率与渤海沉积物耗氧速率无显著差异（ANOVA，p > 0.05）。夏季沉积物耗氧速率空间分布如图2b所示，B11站位速率最大，为16.91 mmol/(m2·d)；H23站位速率最小，为7.11 mmol/(m2·d)。其中黄海沉积物耗氧速率为7.11～8.43 mmol/(m2·d)，平均耗氧速率为（8.03 ± 0.53）mmol/(m2·d)；渤海沉积物耗氧速率为16.69～16.91 mmol/(m2·d)，平均耗氧速率为（16.8 ± 0.11） mmol/(m2·d)，黄海沉积物耗氧速率显著小于渤海沉积物耗氧速率（ANOVA，p < 0.01）。秋季沉积物耗氧速率空间分布如图2c所示，B11站位速率最大，为16.91 mmol/(m2·d)；H36站位速率最小，为8.46 mmol/(m2·d)。黄海表层沉积物耗氧速率范围是8.46～10.15 mmol/(m2·d)，平均耗氧速率为（9.25 ± 0.58）mmol/(m2·d)；渤海表层沉积物耗氧速率范围是15.97～16.91 mmol/(m2·d)，平均耗氧速率为（16.44 ± 0.47）mmol/(m2·d)，黄海沉积物耗氧速率显著小于渤海（ANOVA，p < 0.01）。
3.3 环境因子对黄、渤海沉积物耗氧速率的影响
沉积物耗氧速率及其时空分布特征受多种环境因素调控，比如温度[13]、底层水DO浓度[26–28]、沉积物Chl a浓度、水体流速[29–30]、沉积物类型[31–32]等，本研究分析了黄、渤海沉积物耗氧速率与温度、DO浓度、TOC浓度、TN浓度、C/N、含水率、孔隙度、沉积物Chl a浓度、沉积物中Chl a/脱镁叶绿酸和Chl a水柱积分的相关性（图3）。
图 3 黄、渤海沉积物耗氧速率与环境因子相关性分析叶绿素比值：沉积物中Chl a/脱镁叶绿酸；圆圈的颜色和大小代表着两个变量之间的相关程度，其值介于−1与1之间，与色标对应；“*”代表着两个变量之间存在显著的相关性（p < 0.05）Figure 3. Correlation analysis between sediment oxygen consumption rates and environmental factors in the Yellow Sea and Bohai SeaChlorophyll ratio: Chl a/pheophytin in sediment; the color and size of the circles represent the degree of correlation between the two variables, which ranges from −1 to 1, corresponding to the color scale; the “*” represents a significant correlation between the two variables ( p < 0.05)由黄、渤海沉积物耗氧速率与环境因子的相关性热图知，黄、渤海沉积物耗氧速率与DO浓度、TOC浓度、TN浓度、C/N、含水率、孔隙度、沉积物Chl a浓度、沉积物中Chl a/脱镁叶绿酸和Chl a水柱积分均无相关性，只与温度呈正相关（r = 0.49，p < 0.05），随着温度的升高，沉积物耗氧速率变大。黄、渤海区域培养站位底层水温度区间是6.69～17.78℃，在此区间微生物体内酶的活性随着温度的升高而增大，从而促进生物生命活动和有机质的降解，进而使得沉积物耗氧速率变大[33]。然而，沉积物耗氧速率往往同时受多个环境因素影响，仅仅根据相关性分析来判断某个环境因素是否为沉积物耗氧速率的影响因子是不够的，我们还需要知道该影响因子对沉积物耗氧速率的影响程度。为此我们借助多元线性回归模型，将沉积物耗氧速率作为因变量，温度、DO浓度、TOC浓度、TN浓度、C/N、含水率、孔隙度、沉积物Chl a浓度、沉积物中Chl a/脱镁叶绿酸和Chl a水柱积分作为自变量进行多元线性回归，根据多元线性回归模型中决定系数的大小来判断环境因子对沉积物耗氧速率的影响程度，结果显示决定系数为0.608。进一步将沉积物耗氧速率与环境因子进行步进式多元线性回归，结果显示决定系数较大的环境因素为温度和沉积物Chl a浓度，分别为0.436和0.148（图4）。DO浓度对决定系数的影响很小，它的引入对决定系数的影响也很小，其他环境因子的结果与DO浓度类似，几乎不改变决定系数。因此温度和沉积物Chl a浓度是黄、渤海沉积物耗氧速率的影响因子，两者能够共同解释黄、渤海区域60.8%沉积物耗氧速率的变化，且温度对黄、渤海沉积物耗氧速率的影响比沉积物Chl a浓度大。
图 4 多元线性回归中不同环境因子的决定系数（Chl a为沉积物Chl a含量）Figure 4. Coefficients of determination of different environmental factors in multiple linear regression (Chl a content is the sediment Chl a)黄海区域沉积物耗氧速率呈现春季最大、秋季次之、夏季最小的特征，与黄海沉积物Chl a浓度季节变化趋势一致，春季沉积物Chl a浓度显著大于夏季（ANOVA，p < 0.05），夏季沉积物Chl a浓度平均值小于秋季沉积物Chl a浓度平均值，这与初级生产力的季节变化息息相关。黄、渤海区域初级生产力具有双峰分布特征，高值集中在4月和11月，因此春季和秋季沉积物Chl a浓度会高于夏季，这与我们的研究结果一致。北黄海秋季沉积物耗氧速率最大，春季次之，夏季最小，可能是温度和沉积物Chl a浓度共同作用的结果，该站位（N17）秋季温度可达12℃。渤海区域春季沉积物耗氧速率显著小于夏季（ANOVA，p < 0.01）和秋季（ANOVA，p < 0.01），夏季沉积物耗氧速率和秋季沉积物耗氧速率无显著差异（ANOVA，p > 0.05），这很可能是温度差异导致的，因为培养站位B03和B11夏季和秋季底层水的温度均在16℃以上，而春季只有6～10℃，春季底层水温显著低于夏季（ANOVA，p < 0.01）和秋季（ANOVA，p < 0.01）。春季黄海沉积物耗氧速率大于渤海海沉积物耗氧速率，夏季和秋季黄海沉积物耗氧速率大于渤海海沉积物耗氧速率，这主要与温度密切相关。春季黄、渤海区域底层水温受季节影响，与纬度变化呈强负相关（r = −0.952，p < 0.01），黄海大于渤海；夏秋季受温度跃层和水深影响，黄海小于渤海（ANOVA，p < 0.01），因此黄海沉积物耗氧的季节变化受温度和沉积物Chl a浓度共同影响。
3.4 黄海冷水团对沉积物SOC的限制
沉积物耗氧量是海底沉积物有机质矿化的重要表征参数[34–35]，可基于有机质降解过程中碳和氧之间的化学计量关系[11, 35]，间接估计海底有机质矿化速率（TCoxid）。沉积物耗氧速率与有机质矿化速率的比值范围是0.8～1.2[11]，若忽略部分氧气未参与的氧化还原过程，通常可以使用1∶1的比例来计算有机质矿化速率。这些过程通常与有机质的厌氧矿化密切相关，如以硝酸盐为电子受体的反硝化作用以及硫化物的埋藏，据估计这些过程通常占总耗氧的15%左右[36]；另外，海洋沉积物中部分有机质矿化产物被氧化耗氧量最多可占总耗氧的20%[37]，因此，在确定沉积物耗氧速率与有机质矿化速率转化比例时，以上两部分的影响刚好近乎抵消，这种估算方法已广泛应用于海底沉积物碳循环研究中[31, 38]。
黄、渤海海底有机质矿化速率（以碳计）为7.11～17.33 mmol/(m2·d)，均值为（12.38 ± 3.62）mmol/(m2·d)。本研究比较了不同季节黄海和渤海海底有机质矿化速率与初级生产力，结果如图5所示。渤海和黄海有机质矿化速率平均值分别占初级生产力平均值的53.9%和18.4%，其中渤海春季有机质矿化速率为初级生产力的42.8%，夏季为49.9%，秋季高达74.5%。渤海春、夏、秋3个季节水体Chl a浓度和温度随水深变化如图6，春季部分站位水体Chl a浓度随深度的增加而增大，夏季水体Chl a浓度随深度的增加先增大后减小，秋季上下水体温度均匀，水体Chl a浓度随深度的增加先减小后增加，这说明大部分活性有机质能够快速沉降至底层。一般而言，海底有机质矿化与初级生产力的比值越大，表明海底有机质矿化对于初级生产力的贡献就越大，渤海有机质矿化速率平均值超过初级生产力平均值的一半，说明渤海海底有机质矿化是渤海碳循环中关键过程之一，夏秋季节较高的底层水温有利于有机质矿化再生，不利于有机碳的埋藏。
图 5 黄、渤海海底有机质矿化速率（以碳计）（TCoxid）与初级生产力（PP）的关系Figure 5. Relationship between benthic organic carbon mineralization (TCoxid) and primary productivity (PP) in the Yellow Sea and Bohai Sea
图 6 春季、夏季和秋季黄、渤海水体Chl a浓度（白色）和温度（灰色）随水深变化Figure 6. Variation of water column Chl a concentration (white) and temperature (gray) with water depth in spring, summer and autumn in the Yellow Sea and Bohai Sea相较于渤海，黄海春季有机质矿化速率为初级生产力的24.0%，夏季为15.5%，秋季为14.6%，黄海较低的比值可能是水深和水团分层共同作用的结果。黄海春、夏、秋3个季节水体Chl a浓度和温度随水深变化如图6，春季和夏季水体Chl a浓度随深度的增加先增大后减小，秋季水体Chl a浓度随深度的增加而减小，底层水体Chl a浓度与水柱中水体Chl a浓度峰值之比不足3%，因此我们推测大部分活性有机质在到达海底之前就已经被降解了[13]，这表明了在黄海的水柱中有机质处于一个快速循环状态。黄海春季绝大部分研究站位温度跃层不明显，矿化产物可以被运输到真光层参与光合作用。黄海夏季叶绿素最大值层在温度跃层之下，矿化所产生的无机营养盐虽无法跨过温度跃层，但可以被叶绿素最大值层的浮游植物利用，从而为初级生产力做出贡献。秋季黄海叶绿素最大值层在温度跃层之上，矿化所产生的无机营养盐既无法跨过温度跃层，又难以被叶绿素最大值层的浮游植物利用，只能被储存在底层水体中，等待秋末冬初温度跃层消失，由强烈的垂直混合作用将其输送到上层水体，为黄海春季藻华提供营养盐基础。同时考虑到黄海有机质矿化速率平均值与初级生产力平均值的占比仅为18.4%，因此黄海海底有机质矿化在黄海碳循环中作用很小。事实上，再生生产力在黄海中占主导地位[39]，此外，大气沉降的贡献也可能达30%～50%[23, 40–41]。因此，温跃层的存在使得夏秋季黄海底层水处于低温状态，不利于有机质的矿化，有利于有机质的埋藏。
4. 结论
我们通过对黄、渤海区域进行船基整柱培养实验，得到黄、渤海沉积物耗氧速率为7.11～17.33 mmol/(m2·d)。其中春季沉积物耗氧速率范围是11.71～17.33 mmol/(m2·d)，黄海和渤海沉积物耗氧速率无显著差异；夏、秋季沉积物耗氧速率范围分别是7.11～16.91 mmol/(m2·d)和7.59～16.91 mmol/(m2·d)，黄海沉积物耗氧速率均显著小于渤海沉积物耗氧速率，黄、渤海区域沉积物耗氧速率的时空变化特征受温度和沉积物Chl a共同影响，两者能够共同解释黄渤海区域60.8%沉积物耗氧速率的变化。同时，我们将黄、渤海有机质矿化速率与初级生产力相比较，渤海和黄海有机质矿化速率平均值分别占初级生产力平均值的53.9%和18.4%，说明渤海海底有机质矿化是渤海碳循环中关键过程之一，黄海海底沉积物有机质矿化在黄海碳循环中作用不如渤海显著。该研究为理解黄渤海区域有机质矿化和埋藏提供理论支持，有助于加强对全球碳循环的认识与理解。
致谢：本研究的数据及样品采集得到国家自然科学基金委员会共享航次计划项目（项目批准号：42149901）的资助。该航次（航次编号：NORC2022-01）由“蓝海101”号科考船实施，在此一并致谢。
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图 1 春季（a）、夏季（b）和秋季（c）背景叶绿素a浓度及黄、渤海取样站点（d）
数据源于NASA Ocean Color（
https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/l3/ ）Fig. 1 Background chlorophyll a concentration in the Yellow Sea and Bohai Sea in spring (a), summer (b), autumn (c) and sampling stations (d)
The data are based on the online data of NASA Ocean Color (
https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/l3/ )
图 2 黄、渤海沉积物耗氧速率空间分布（春季（a）、夏季（b）和秋季（c）)和季节变化（d)（单位：mmol/(m2·d)）
Fig. 2 Spatial distribution (spring (a), summer (b) and autumn (c))and seasonal variation (d) of SOC in the Yellow Sea and Bohai Sea (unit: mmol/(m2·d))
图 3 黄、渤海沉积物耗氧速率与环境因子相关性分析
叶绿素比值：沉积物中Chl a/脱镁叶绿酸；圆圈的颜色和大小代表着两个变量之间的相关程度，其值介于−1与1之间，与色标对应；“*”代表着两个变量之间存在显著的相关性（p < 0.05）
Fig. 3 Correlation analysis between sediment oxygen consumption rates and environmental factors in the Yellow Sea and Bohai Sea
Chlorophyll ratio: Chl a/pheophytin in sediment; the color and size of the circles represent the degree of correlation between the two variables, which ranges from −1 to 1, corresponding to the color scale; the “*” represents a significant correlation between the two variables ( p < 0.05)
图 4 多元线性回归中不同环境因子的决定系数（Chl a为沉积物Chl a含量）
Fig. 4 Coefficients of determination of different environmental factors in multiple linear regression (Chl a content is the sediment Chl a)
图 5 黄、渤海海底有机质矿化速率（以碳计）（TCoxid）与初级生产力（PP）的关系
渤海PP平均值（图a）来源于费尊乐等[42]、王俊等[43]和吕培顶等[44]，黄海PP平均值（图b）来源于Zhang 等[45]
Fig. 5 Relationship between benthic organic carbon mineralization (TCoxid) and primary productivity (PP) in the Yellow Sea and Bohai Sea
The mean values of PP (Fig. a) in the Bohai Sea are obtained from Fei et al.[42], Wang et al.[43], and Lv et al.[44], and the mean values of PP (Fig. b) in the Yellow Sea are obtained from Zhang et al.[45]
图 6 春季、夏季和秋季黄、渤海水体Chl a浓度（白色）和温度（灰色）随水深变化
Fig. 6 Variation of water column Chl a concentration (white) and temperature (gray) with water depth in spring, summer and autumn in the Yellow Sea and Bohai Sea
表 1 培养站位沉积物和底层水基本性质
Tab. 1 Basic properties of sediment and bottom water at incubation stations
站位 时间 水深/m 水温/℃ 盐度 底层水DO浓度/
(μmol·L−1)孔隙
度/%含水
率/%TOC/% TN/% C/N
(mol/mol)沉积物Chl a浓度/
(μg·g−1)沉积物Chl a/
脱镁叶绿酸Chl a水柱积分/
(mg· m−2)H12 2022年春 69 10.58 33.00 226.9 81 55 0.77 0.13 5.1 3.9 0.61 164.1 2022年夏 10.88 33.11 185.4 73 49 0.78 0.09 7.4 0.9 0.26 57.4 2022年秋 12.08 32.23 138.2 81 54 0.81 0.09 7.7 1.7 0.77 120.9 H23 2022年春 77 9.86 32.96 222.8 66 47 0.71 0.12 5.1 6.4 1.17 101.2 2022年夏 10.10 32.97 189.7 70 50 0.72 0.09 6.9 0.6 0.24 126.6 2022年秋 10.32 32.90 156.7 66 46 0.65 0.09 6.2 0.8 0.51 108.3 H27 2022年春 68 9.52 32.87 214.9 81 61 1.21 0.20 5.2 12.7 1.56 168.3 2022年夏 9.22 32.68 165.8 93 69 1.36 0.16 7.3 1.3 0.23 181.1 2022年秋 9.46 32.46 135.1 81 60 1.45 0.22 5.6 4.1 0.93 241.3 H36 2022年春 72 8.63 32.52 238.8 50 30 0.34 0.04 7.3 5.2 1.33 277.9 2022年秋 9.55 32.47 161.1 50 29 0.34 0.03 9.7 1.1 0.79 172.2 N17 2022年春 54 6.69 31.70 262.6 84 59 1.43 0.23 5.3 4.6 0.40 124.3 2022年夏 8.24 31.80 226.3 82 59 1.67 0.19 7.5 4.1 0.64 302.3 2022年秋 12.2 31.56 134.4 84 58 1.52 0.19 6.9 5.4 0.67 135.1 B03 2022年春 21 7.79 30.13 278.6 69 43 0.74 0.12 5.3 18.1 3.50 115.4 2022年夏 17.25 29.92 105.6 78 54 0.66 0.09 6.3 2.5 0.47 155.4 2022年秋 17.78 29.49 206.0 69 42 0.54 0.06 7.7 3.1 2.41 85.4 B11 2022年春 23 7.37 31.28 272.1 70 44 0.59 0.10 5.1 3.0 1.13 38.2 2022年夏 16.36 30.62 100.7 73 46 0.65 0.06 9.3 1.2 0.35 93.1 2022年秋 17.39 30.14 193.7 70 43 0.56 0.06 8.0 3.1 1.40 0.5 
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