北极海洋沉积物pH值与碳酸盐化学：底栖有机物转化作用解析
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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研究。这限制了量化生物地球化学过程和底层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，使其与大气隔绝。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，特别是季节性无冰区，由于其吸收二氧化碳的能力，极易受到海洋酸化的影响。由于其地表水永久寒冷、相对不饱和度以及海冰形成过程中盐水的排斥作用（将表层混合到更深的水层中），它是全球大气衰退的热点地区。
海气交换对海水pH值及其碳酸盐饱和状态具有重要控制作用。大气水平升高会导致pH 值和 发生负变化，从而导致OA。除了海气通量之外，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、季节性海冰动态、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性的影响。
这些过程导致浅水体和深层水体的pH 值和 发生变化，颗粒无机碳（即碳酸盐矿物）可能变得不饱和。这种饱和度的变化将对北极生态系统，特别是碳酸盐甲壳类动物产生负面影响，减少PIC向海底的输出，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，北冰洋大部分海域方解石补偿深度在4000米左右，文石补偿深度更浅，为2000米。波弗特环流和整个东西伯利亚大陆架均记录了较浅水域文石的饱和度。
北冰洋碳酸盐化学的变化影响远洋系统。鉴于北冰洋底层水的pH值较低，PIC通量的减少将抑制沉积物的缓冲能力，影响沉积物-水界面的pH值和。
北冰洋酸化将导致沉积物孔隙水pH值下降，碳酸盐沉积进一步减少，这对孔隙水产生重要影响，改变溶解无机碳和总碱度动态。 OA 可能会降低北极海洋沉积物的pH 缓冲能力。
底栖无机碳动力学、孔隙水pH值和饱和状态不仅受底水碳酸盐饱和度和PIC沉积的控制。它们还受到沉积物内复杂且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，从而对海洋碳酸盐化学产生反馈。
在海洋沉积物中，很少有生物地球化学过程不会通过碳酸盐和硫化物系统中质子分解物质的产生或消耗来影响孔隙水pH 值的深度演化。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质的产生和消耗速率，而且还受到环境pH值本身的控制。
海底OM 降解和再氧化过程的相互作用是多么复杂和动态，凸显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 和 的变化不仅对于限制北极海底碳酸盐系统至关重要，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。普遍的海洋条件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和大西洋水域之间形成了复杂的边界，产生了海洋极地风。春季和夏季的海冰范围对中上层初级生产力和养分循环有很大影响，从而导致总体的南北分区。
巴伦支海大陆架区域具有强烈的海底-中上层耦合的特点。这体现在相对较高的沉积物需氧量、海底附近有机质的强烈变化以及复杂的底栖生态。我们最近应用模型数据方法来量化沿巴伦支海陆架横断面的海底OM 动态。
OM 降解率和养分通量估计相对较低。这些可能与巴伦支海中部大陆架上反应性较低的陆地有机质的供应有关，这些有机质可能来自斯瓦尔巴群岛地区。
现在和未来巴伦支海陆架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。目前尚不清楚底层水的碳酸盐化学如何有效影响底栖DIC 和TA 通量。
为了探索底栖碳酸盐通量对约束条件较差的底层水pH、DIC 和TA 的响应，我们在整个合理pH 和TA 条件范围内运行了一组稳态模型。我们研究不同底水条件下通量如何变化，并利用这些结果来讨论预测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，这代表巴伦支海大陆架西部的pH 值。
巴伦支海30E南北横断面的无机碳和pH值动态
充分混合层下孔隙水过饱和强度和碳酸盐沉淀速率反映了孔隙水欠饱和强度和溶解速率的S-N变化趋势。在样线的北部，孔隙水pH 值和 向下增加到pH 8.0 和 5 时的宽中核最大值，而样线的南部部分则显示出越来越低且更局部化的中深度pH 值和pH 值的 最大值=7.4-7.6，=1.0-1.7。
在最南端，孔隙水pH 值从SWI 的7.6 开始下降，仅在2 厘米深度附近出现非常微弱且非常窄的反转。由于低沉积物碳酸盐含量几乎完全耗尽以及由此导致的缓冲能力下降，孔隙水方解石饱和度保持相对恒定，在整个模拟沉积物柱中接近不饱和条件。
真正的碳酸盐沉淀速率比溶解速率低两个数量级；模型得出的自生碳酸盐沉淀对深度影响很小。评估阈值对降水的影响以及降水速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，但它们也导致模型和数据深度剖面之间进一步不匹配。对于自生碳酸盐沉淀，我们保持相对保守的阈值 5。
在上部混合良好的沉积物层中，pH 和 动态主要由OM 的有氧降解和方解石溶解之间的平衡驱动。这是典型的含氧海洋沉积物，其中需氧有机质降解导致孔隙水酸化和方解石的代谢溶解。
这两个相反过程的相互作用是否导致上层沉积物的pH值和值降低或升高，主要取决于底层水体的饱和状态。在北部地点，非常活跃的OM 沉积支持最高的需氧OM 降解和质子生产率。
由于腐蚀性底层水进一步增强了上部沉积物中碳酸钙的溶解，并且巴伦支海这一部分的方解石含量不受限制，因此碳酸钙溶解速率对pH 和 的积极影响超过了好氧OM 降解的积极影响。负面影响。最南端，底层水pH值较高，底层水碳酸钙饱和度较低，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
虽然这里探讨了底水TA 的合理范围，但我们发现底水TA 的变化对TA 和DIC 通量的影响通常较低。全球海底TA 通量变化很大，应用的底水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，因此有利于缺氧和缺氧代谢途径，从而促进欧米伽过饱和和自生方解石沉淀。沉降率普遍加倍导致所有地点的自生降水率增加，但是，这些增加的幅度沿横断面各不相同。在B13-B15 中，降水率相对于基线条件增加了2-3 倍，而在B16-B17 中，降水率则增加了4-5 倍。这种地域差异
这种差异可能是由于北部地区OM的降解率较高以及金属氧化物途径的贡献相对于南部地区更大。
由于双OM 输入下更高的OM 降解率，DIC 产量的增加得到了量化。尽管自生降水导致DIC 下沉，但底栖DIC 通量通常也会增加
巴伦支海沉积物中锰和铁的氧化物相对丰富。这些金属氧化物对OM 降解的相对贡献对孔隙水pH 值和碳酸盐化学具有重要控制作用。海底金属氧化物输入的变化对巴伦支海碳酸盐动态的影响相对较小。这种有点违反直觉的结果可以通过以下事实来解释：深度积分碳酸盐溶解和沉淀主要由沉积物层在碳酸盐溶解和/或沉淀区内的停留时间控制。
沉积物的氧化还原分区对总碳酸盐溶解和沉淀以及沉积速率进行一级控制。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氧化还原分区的影响有限，因此对沉淀和溶解区的位置和范围影响有限。
仅输入到海底的方解石通量的变化仅限于溶解速率的相对较小的变化。正如预期的那样，方解石输入量的增加会略微引发溶解速率的增加。这些效应在B16-B17 处更为明显，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，清楚地解析了海底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 路径。数量。此外，我们还评估了底层水条件和输入通量如何影响无机碳动态及其与环境变化的联系。
参考：
1. Eldevik, T.Smedsrud, LH、Skagseth, 。 RB 英瓦尔德森(2012)。量化大西洋热量对巴伦支海冰变化和消退的影响。气候杂志，25(13),47364743
2. Berelson, WM、Hammond, DE 和Cutter, GA (1990)。深海沉积物中碳酸钙溶解速率的原位测量。地球化学与宇宙化学学报， 54(11), 30133020
3. Dalpadado, P.Arrigo, KR、van Dijken, GL、Skjoldal, HR、Bagien, E.Dolgov, AV 等人。 （2020）。气候对巴伦支海浮游植物和浮游动物时空动态的影响。海洋学进展，185,102320
4.Faust, JC、Tessin, A.Fisher, BJ、Zindorf, M.Papadaki, S.Hendry, KR 等人。 （2021）。北极海洋沉积物中铁结合有机碳的千年持续存在。自然通讯，12（1），275
5. Hulth, S.Hall, POJ、Landn, A. 和Blackburn, TH (1996)。北极沉积物（斯瓦尔巴群岛）：孔隙水和C、N、P 和Si 的固相分布。极地生物学，16（6），447462
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用户评论
这篇文章深入探讨了底栖有机物转化对北极海洋沉积物pH值和碳酸盐化过程的影响。
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这篇文章虽然长一点，但给了我深入的思考，特别是关于底栖有机物转化导致北极海洋沉积物中pH值和碳酸盐化的重要机制。
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我很抱歉，但我觉得这篇文章有点过于技术性，我不太懂什么是pH值和碳酸盐化，可以请教一下吗？
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这篇文章提出了有趣的观点，但我不完全同意 bottom-dwelling organic matter conversion drives pH values and carbonate mineralization in the Arctic Ocean sediments 这一句话。
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这篇文章非常有价值，它给了我深入的理解 bottom-dwelling organic matter conversion plays a significant role in pH values and carbonate mineralization in the Arctic Ocean sediments。
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