1990年至2024年间中国海港扩张的时空动态及其社会经济驱动因素

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Spatio-temporal dynamics and socioeconomic drivers of seaport expansion in China from 1990 to 2024

有机碳在无大江影响的边缘海沉积物中主要源自海洋（55±19%）和陆源（42±18%），C4植物贡献（3±3%）较小。TOC和SSA从河口到外海递减，CRI递增，表明外海有机碳更稳定。矿物表面积、海洋初级生产力和陆源输入是关键控制因素，CRI影响有限。研究结果揭示了矿物保护、季节性海洋生产力和陆源侵蚀对有机碳分布的协同作用，为低径流边缘海碳泵机制提供理论框架，并适用于全球小流域系统类比研究。

　　

李文鹏|王金鹏|王华为|陈宏伟|翟晓辉|王忠波|李新新

南方科技大学海洋科学与工程学院，中国深圳，518055

摘要

大型河流三角洲前缘河口沉积物中的有机碳分布已经得到了充分研究，但在没有大型河流影响的边缘海域，其来源和控制因素仍不明确。本研究在南海东部一个没有大型河流输入的河口-海湾-近海剖面上，于春季和秋季采集了表层沉积物，并分析了沉积物形态、有机碳的总体地球化学特征以及木质素-酚类生物标志物。结果表明，表层沉积物主要来源于海洋（55±19%），同时含有大量来自土壤的有机碳（42±18%），而C4植物的贡献相对较小（3±3%）。从河口向近海方向，总有机碳（TOC）和比表面积逐渐减少，而碳反应性指数（CRI）逐渐增加，表明近海有机碳的降解程度更高，反应性更低。端元建模显示，秋季时有机碳的组成更偏向海洋来源，这与净初级生产力增强相一致。线性混合模型表明，矿物表面积、海洋生产力和陆地输入是有机碳分布的关键因素，而CRI的直接影响较为有限。反复的再悬浮和氧化作用选择性地去除了易降解的海洋有机碳，使得更难降解的陆地有机碳得以保留。这些发现表明，有机碳的分布受到矿物保护作用、季节性变化的海洋初级生产力以及陆地土壤侵蚀的共同影响。本研究为理解低流量边缘海域的碳循环过程提供了依据，对全球许多研究不足的小型河流系统具有重要的参考价值。

引言

具有大型三角洲前缘河口的沿海区域是海洋和陆地来源沉积物及有机碳的“碳堆积热点”和“碳焚烧场”（Aller和Blair，2006年；Hedges等人，1997年；Li等人，2011年、2012年、2022年；Bianchi等人，2018年；Zhao等人，2021年）。相比之下，没有大型河流影响的沿海地区的泥质沉积物通常由多条小河流（流域面积<40,000平方公里；Milliman和Farnsworth，2013年）以及海岸侵蚀作用形成（Liang等人，2025年）。由于水动力能量、颗粒特性和早期成岩条件的差异，这些环境在有机碳来源组成、反应性和保存效率方面与大型河流三角洲河口有显著区别（Blair和Aller，2012年）。陡峭的地形和频繁的极端事件使得仅占全球陆地面积约3%的小型山区河流能够向海洋输送约17-35%的年颗粒有机碳通量（Lyons等人，2002年）。然而，目前尚不清楚没有或仅有少量河流影响的沿海地区是否也会表现出类似的再矿化效率。

有机碳的反应性会影响其分解、转化和保存效率（Hemingway等人，2017年）。例如，碳反应性指数（CRI）作为一种热重分析方法被用来评估沉积有机物的反应性和热稳定性（Kristensen，1990年；Grant等人，2019年），同时还有其他指标如总有机碳（TOC）、稳定碳同位素（δ¹³C）和木质素-酚类生物标志物也被用于评估。Smeaton和Austin（2022年）在英国专属经济区内应用CRI方法发现，沿海沉积物中的有机碳更具反应性，而近海沉积物中的有机碳则反应性较低。Chen等人（2024年）在长江河口及其邻近大陆架上进一步证明，有机碳的热稳定性受到来源组成和有机-矿物相互作用的影响。因此，将CRI纳入多指标框架有助于评估有机碳的来源及其在河口到近海梯度上的空间变化。

受季风风、潮汐、沿岸水流和波浪影响，南海北部（东海岸）形成了明显的水动力和粒径梯度（图1）。在没有大型河流输入的情况下，海洋有机碳通常占表层沉积物的主导地位（Wu等人，2023a）。然而，其比例和反应性可能随季节变化，因为风场和季风径流的变化会影响颗粒粒径的分选、沉积物的再悬浮以及海洋环境中的氧化时间（Lv等人，2023年）。对于这种低流量、以季风为主的沿海地区，影响有机碳的来源-结构-过程耦合机制仍不完全清楚，需要多指标证据来验证。

在本研究中，我们采集了南海东部沿海河口、海湾和近海区域的表层沉积物。我们使用扫描电子显微镜（SEM）、比表面积（SSA）、热重分析（TGA）、总体地球化学（TOC、TN、C/N、δ¹³C）和木质素生物标志物分析方法，研究了沿河口-海湾-近海连续体中有机碳来源和反应性的空间及季节变化，并评估了受小型河流影响的沿海系统中有机碳的降解情况。我们还探讨了控制有机碳分布和保存的关键因素。

研究地点描述和样本采集

2021年11月（晚秋）和2022年4月（晚春），我们在南海东部沿海的河口、海湾和近海区域的18个站点采集了表层沉积物样本（0–10厘米厚，图1）。秋季是能量较高的阶段，风驱动的混合作用和次级生产力活跃；而春季则是过渡期，太阳辐射增加，浮游植物开始大量繁殖。共采集了36个表层沉积物样本

沉积物形态和比表面积

河口沉积物（图2a）的特点是颗粒较细，碎屑物质丰富。长而碎裂的碎屑表明可能存在陆地来源的贡献。淡水硅藻Navicula的存在（图2b）进一步证实了陆地来源的有机碳的存在。海湾沉积物（图2c）则以海洋来源的硅藻（如Coscinodiscus，图2d）和较大的矿物颗粒为特征。

有机碳来源和性质的空间变化

在没有大型河流输入的沿海沉积物中，有机碳主要来源于海洋初级生产力（占比超过50%，图5）。相比之下，中国其他小型河流河口/沿海系统中海洋有机碳的贡献分别为：闽江河口48±10%（Wu等人，2023b），湛江湾54.9±15.2%（Lu等人，2020年），以及广东东部沿海约74%（Wu等人，2023a）。这与大型河流三角洲河口的情况不同

结论

南海北部没有大型河流影响的沿海表层沉积物主要由海洋来源的有机碳构成，同时含有来自土壤的有机碳，但空间分布存在差异，C4植物的贡献较小。与大型河流主导的河口-沿海系统不同，后者由于强河流输入能够输送大量陆地有机物质并产生明显的季节性变化，而本研究区域表现出较弱的陆地影响

CRediT作者贡献声明

李文鹏：正式分析、研究设计、方法论制定、数据可视化、初稿撰写及修订。王金鹏：方法论制定、数据可视化、初稿撰写。王华为：方法论制定。陈宏伟：方法论制定。翟晓辉：资金筹集、研究设计、方法论制定。王忠波：资金筹集、方法论制定。李新新：概念构思、资金筹集、研究设计、方法论制定、项目管理、监督、数据可视化、最终稿撰写

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号42576030、42276045）、南方科技大学的高水平专项基金（编号G03050K001）、广东省海外杰出学者项目（编号MS202500134）、深圳海洋发展研究中心（编号SZDL2023000925、SZDL2024001761）以及广东大鹏液化天然气有限公司开放项目的支持。