海洋沉积物被认为是有机碳（OC）的长期且稳定的汇，其中，河流每年输入到海洋的颗粒有机碳（POC）通量高达0.2 Pg（1Pg= 10¹⁵g）。但大部分陆源有机质进入海洋后会发生差异性降解，所以海洋沉积物中不同来源OC的识别，对认识边缘海的碳循环过程非常重要。河流输送的POC来源多样：包括岩石和土壤侵蚀，陆域和海洋生态系统输出等。这些不同类型的POC在组成、反应活性、降解历史和年龄上存在差异，并表现出与地质背景、优势生态系统以及区域气候和水文相关的独特地理空间格局。同样，由于水深、水动力、初级生产力以及生态系统结构和功能的差异，边缘海系统的生物地球化学特征也表现出高度空间异质性。这些河流POC供给和边缘海生物地球化学过程的地理空间差异，导致部分海域可能是大气二氧化碳（CO₂）的源，而另一些海域可能是CO₂的汇。

阐明河流-近海连续体中POC输运及积累的全球模式，是理解边缘海系统中POC源汇过程的一个重要手段，这就需要一个可以示踪河流颗粒物和海洋沉积物中OC性质的共同代用指标。放射性碳同位素（Δ14C）被认为是一个很好的代用指标，且已有相关研究尝试构建河流POC和海洋沉积OC的Δ¹⁴C数据集。然而，Δ¹⁴C数据的空间覆盖范围仍相当有限，很大程度上限制对区域甚至全球尺度上河流-近海连续体OC命运的理解。

该研究基于已发表文献和数据集，汇编了2559个河流颗粒物、1325个海洋表层沉积物的Δ¹⁴C数据以及环境变量数据（陆地28个，海洋16个）。通过构建机器学习模型（图1），结合GIS空间升尺度，首次绘制全球河流-近海连续体中Δ¹⁴C数据的高空间分辨率地图。进一步结合近海表层沉积物的总有机碳（TOC）含量和δ¹³C值，明确现代和古老OC积累热点区域及对当今碳循环的影响。

图1 河流颗粒物和海洋沉积物Δ¹⁴C数据的机器学习模型构建。基于相关分析(a, d)和随机森林模型(b, e)明确环境变量在驱动河流颗粒物(a-c)和海洋沉积物(d-f) Δ¹⁴C数据中的重要性；基于特征选择的支持向量机模型对全球河流颗粒物(c)和海洋沉积物(f) Δ¹⁴C值的预测性能图。

研究结果显示，河流POC和海洋沉积OC的Δ¹⁴C值均呈现明显的空间异质性（图2a,c）。南美洲、非洲、南亚和东南亚等位于南北纬30度之间的区域，河流POC较年轻（Δ¹⁴C值为正值或略偏负值）（图2a）。北极冻土区、青藏高原等高原区域，以及台湾岛等山地，河流POC年龄较老（Δ¹⁴C值明显偏负）（图2a）。巽他陆架、加勒比海及非洲部分海域的沉积OC较年轻（图2c）。北极、东海和澳大利亚北部等陆架区，以及亚马逊河、黄河、印度河、密西西比河等大河河口区的沉积OC年龄较老（图2c）。河流POC和海洋沉积OC的¹⁴C年龄具有明显的纬度分异，总体表现为高纬偏老（Δ¹⁴C值偏负），低纬偏年轻（Δ¹⁴C值偏正）的空间格局（图2b,d）。

图2河流颗粒物(a、b)和海洋沉积物(c、d) Δ¹⁴C预测值的全球分布(a、c)和纬向分布(b、d)。

研究提出，全球河流-近海连续体的OC ¹⁴C年龄存在四种主要分布模式（图3）：“old-young”模式，河流POC的年龄较老，相应海洋沉积OC较年轻；“young-old”模式，河流POC较年轻，相应海洋沉积OC较老；“young-young”模式，河流POC和相应海洋沉积OC均较年轻；“old-old”模式，河流POC和相应海洋沉积OC均较老。

图3全球河流POC和海洋沉积OC ¹⁴C年龄的全球分布(a)，以及部分典型子区域(b-e)：北极(b)和亚北极(c)河流-近海连续体，亚马逊流域及邻近河口区(d)和东南亚地区河流-近海连续体(e)。

“old-young”模式在亚北极地区较常见（图3c），在美国西海岸和南非海岸也有呈现（图3a）。该模式下，河流输送的POC ¹⁴C年龄较老，但入海通量相对有限，沉积OC以年轻的海源OC为主。中-低纬的大河流域及河口区主要表现为“young-old”模式（图3a,d）。虽然河流输出大量来自陆地生态系统的年轻OC，但河口剧烈的物理扰动（表现为较厚的沉积物混合层）使得年轻OC被快速分解。“young-young”模式主要在东南亚、加勒比海、墨西哥西海岸和南中国海等低纬地区（图3a,e）。与“young-old”模式不同，相对稳定的沉积环境（具有薄的沉积物混合层）使得年轻OC可以有效地沉积和保存。“old-old”模式可划分为两种子模式：“old-old-A”模式在北极地区普遍存在（图3b），而“old-old-B”模式则存在于台湾岛等构造活动区（图3a）。

进一步基于TOC含量、δ¹³C值和¹⁴C年龄，识别全球近海的OC积累热点区域。“old-young”模式下的高TOC区，是年轻OC积累的热点（表1）。埋藏OC主要来源于海洋初级生产力，对去除大气CO₂有积极作用。“young-old”模式下的高TOC区，是古老OC积累的热点（表1）。该区域剧烈的物理扰动导致大量河流输入的年轻OC发生降解，可能向大气释放CO₂。“old-old-A”模式下的高TOC区也是古老OC积累的热点（表1）。如北极陆架埋藏的OC主要是冻土融化产生的预陈化OC，其在陆架的搬运过程中会发生降解，可能是CO₂的源。“young-young”模式下的低TOC区在当代碳循环中的角色是多变的（表1），可以是大气CO₂的汇或源。“old-old-B”模式下的低TOC区，积累的碳很少，对大气CO₂的影响较小（表1）。

表1全球河流-近海连续体中OC ¹⁴C年龄的空间分布模式、典型区域及其对大气CO₂的影响

合作作者包括南京师范大学郝喆副教授、荷兰乌特勒支大学王俊杰助理教授和Jack J. Middelburg教授、南京大学地理与海洋科学学院博士生张楚楚和汪亚平教授。该研究得到了国家自然科学基金重大项目、青年项目、中国博士后科学基金项目、中央高校基本科研业务费项目以及荷兰地球系统科学中心项目等的联合支持。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41561-024-01476-4

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