2025年，由韩国海洋极地研究院（Korea Polar Research Institute，KOPRI）领衔、联合挪威特罗姆瑟大学（UiT The Arctic University of Norway）组成的研究团队，借助丹麦KC-Denmark公司的72.000型多管采泥器，在北极斯瓦尔巴群岛孔斯峡湾（Kongsfjorden）由内湾到外湾三个站位获取多管平行短柱样，通过四端元来源解析重建了近几个世纪冰川峡湾沉积有机碳（organic carbon，OC）的来源演变，揭示在“大西洋化”（Atlantification）背景下海源有机碳累积速率自约20世纪70年代以来显著上升。相关成果于2025年发表于《生物地球科学》（Biogeosciences）。
研究背景
北极升温速率约为全球平均的近4倍，对区域碳循环影响深远。冰川峡湾沉积速率高，同时接收冰川融水与侵蚀带来的大量陆源物质，既是全球有机碳埋藏热点，也是高分辨率环境档案。斯瓦尔巴约57%的陆地被冰川覆盖；孔斯峡湾口门缺少浅坎，温暖的（约6°C）高盐大西洋水（Atlantic Water，AW）可经西斯匹次卑尔根流在中层（100–200 m）侵入，这一“大西洋化”过程近几十年不断加剧，导致夏季海冰减少、入海冰川消融加快、陆源排放增加。既往研究多用整体元素与同位素刻画该峡湾沉积有机碳的空间格局，分子层面的来源解析、尤其是过去几个世纪的演变仍很有限。获取这一时段的高保真记录，取样须兼具界面无损、层序完整与平行重复三点：抓斗会打乱表层，箱式采泥器分辨率不足，而多管采泥器一次投放即可获得多个平行的独立短柱、界面保持原状，是碳埋藏与年代学研究的取样基石。
研究过程
2022与2023年，团队搭乘RV Helmer Hanssen的HH22、HH23航次，用KC Denmark 72.000型多管采泥器（6个取样管，每管外径11 cm、内径10.5 cm、长0.8 m）在孔斯峡湾取得三根短柱：内湾HH23-1058MUC（水深81 m，柱长45 cm）、中湾HH22-1161MUC（339 m，44 cm）与外湾HH22-1159MUC（323 m，40 cm），并在HH23航次同步采集4个表层样。柱样在船上按0–2 cm区间0.5 cm、其下1 cm间隔切片，−20°C保存后冷冻干燥。
后续分析涵盖：含水量、干容重、粒度与比表面积；以γ谱测定210Pb与226Ra并用恒定补给速率模型建立年代框架；TOC、总氮与δ13Corg（元素分析仪—同位素比质谱）、Δ14Corg（加速器质谱）与木质素酚（碱性CuO氧化＋GC-MS）。最后以Δ14Corg、δ13Corg与(Ad/Al)v比值（方法1）或木质素酚浓度（方法2）为输入，通过Monte Carlo模拟把沉积有机碳拆分为岩石源、土壤源、植物源与海源四个端元，并计算各来源的有机碳累积速率（accumulation rate，AR）。
图1. KC-Denmark多管采泥器（带三角支架配置）实物图。不锈钢框架内并排安装多根透明取样管，顶部与底部均设弹簧闭合机构，中部为液压阻尼器与配重平台，四周三角支架与圆形底脚用于保证仪器在海底平稳着陆、取样管垂直贯入。
图2. 研究区与采样站位。A 斯瓦尔巴群岛区位图，白色为现代冰川覆盖区，红色箭头为西斯匹次卑尔根流（WSC，大西洋水），蓝色箭头为东斯匹次卑尔根流（ESC，北极水）；B Kongsfjorden与Krossfjorden细节图，明确标注了本文三根多管柱的位置——内湾HH23-1058MUC、中湾HH22-1161MUC与外湾HH22-1159MUC，图中方块为Kongsfjorden（橙）与Krossfjorden（绿）的表层沉积样站位，三角为Kongsfjorden煤样点，另标出Kronebreen、Kongsbreen、Conwaybreen、Blomstrandbreen等入海冰川与Ny-Ålesund的位置。
实验结果
三根短柱呈清晰的内—外湾梯度。 含水量由外湾的30.3%–47.5%（均值38.5±3.2%）降至内湾的19.7%–32.6%（27.9±2.3%），三柱均以粉砂为主（内湾最高达90±2%）。210Pb定年给出中湾沉积速率0.36 cm yr-1（R²=0.85）、外湾0.12 cm yr-1（R²=0.94）；内湾因紧邻冰川前缘、沉积过快且混合强烈，未纳入定年。
TOC、氮与碳同位素记录由陆源主导向海源增强的转变。 TOC由内湾的0.3±0.0 wt%升至中湾的1.2±0.1 wt%与外湾的2.2±0.2 wt%；Ntot由内湾的0.01–0.05 wt%升至外湾的0.22–0.26 wt%；δ13Corg由内湾的−23.5±0.5‰富集至外湾的−22.7±0.3‰；Δ14Corg则由内湾的−793.9±31.1‰升高到中湾的−504.9±44.0‰与外湾的−433.5±21.7‰，表明沉积有机碳中含有大量“老碳”（图3）。
图3. 三根短柱的有机碳与同位素深度剖面。各列依次为TOC（wt%）、氮含量（wt%，空心圈为Ntot、实心圈为Norg）、N/TOC摩尔比、δ13Corg（‰ VPDB）与Δ14Corg（‰）；每一行对应一根柱样：(a) HH23-1058MUC（内湾）、(b) HH22-1161MUC（中湾）、(c) HH22-1159MUC（外湾），纵轴为柱深0–50 cm。
木质素酚揭示老陆源碳输入与输运过程中的降解梯度。 归一化到有机碳的总木质素酚浓度以内湾最高（0.40±0.12 mg gOC-1），中湾与外湾相近（0.14±0.04与0.12±0.04 mg gOC-1）；木质素氧化指标(Ad/Al)v比值由内湾的0.22–0.89升至外湾的0.37–1.74，土壤来源指标3,5-Bd/V比值由内湾的0.06–0.55升至外湾的0.59–2.46，说明陆源木质素在离岸输运中持续氧化降解。
四端元解析显示内湾岩石源主导、外湾海源主导。 方法1给出的岩石源占比在内湾、中湾与外湾分别为79.2±3.4%、44.7±5.7%与37.8±5.0%，海源占比依次为19.0±3.9%、38.4±7.8%与44.0±5.2%；方法2给出同向结果（岩石源79.2%、46.6%、40.7%；海源16.5%、42.9%、50.4%），说明结论不依赖单一指标组合。植物源占比始终很低，土壤源在中湾与外湾更高，与地表径流输入有关（图4）。
图4. 四端元来源解析得到的沉积有机碳相对占比深度剖面。左列为方法1（基于δ13Corg、Δ14Corg与(Ad/Al)v比值），右列为方法2（基于δ13Corg、Δ14Corg与木质素酚浓度）；灰=岩石源OC、橙=土壤源OC、绿=植物源OC、蓝=海源OC，横轴为相对占比（%，两列量程不同），纵轴为柱深0–50 cm；自上而下三行分别为HH23-1058MUC（内湾）、HH22-1161MUC（中湾）与HH22-1159MUC（外湾）。
中湾海源有机碳累积速率自约20世纪70年代起明显上升。 中湾整体有机碳累积速率为0.47±0.06 g cm-2 yr-1，高于外湾的0.26±0.03 g cm-2 yr-1；中湾海源有机碳AR（0.17±0.03 g cm-2 yr-1，方法2）自约1970s起上升，同期岩石源AR下降，而指示海洋末端冰川融水排放强度的粗粒端元EM1b相对丰度同步增加（图5）。外湾海源有机碳AR则未见明显趋势。
图5. 中湾HH22-1161MUC海源有机碳累积速率与区域气候指标的对应关系。横轴为年代（yr CE，1900–2020）。(a) 海源OC累积速率（g cm-2 yr-1，方法2，灰色阴影为增幅区间）；(b) 粗粒端元EM1b相对丰度（%）；(c) 新奥尔松年均地表气温（°C，黑线，上方横轴）与西斯匹次卑尔根流78°N断面50–300 m层年均温度（°C，红线，下方横轴）；(d) 巴伦支海夏季（JJA）海冰范围（10⁵ km²，黑线，上方横轴）与2006年Blomstrandbreen冰川前缘距离（m，红线，下方横轴）。
研究结论
其一，孔斯峡湾自身是沉积有机碳的主要来源，相邻的Krossfjorden贡献有限；沉积有机碳中含有大量来自岩石源与土壤源的老碳，海源与土壤源的空间分配受站位距冰川前缘与河流输入口远近的控制。
其二，四类来源的累积速率均为中湾高于外湾；中湾海源有机碳累积速率自约20世纪70年代以来显著上升，与同期新奥尔松升温、巴伦支海夏季海冰减少、Blomstrandbreen冰川退缩及大西洋水增强高度一致；20世纪大西洋水增强可能发生在约1900年代初与1970年代两个阶段。
其三，北极峡湾在持续变暖背景下既可能是碳汇也可能是碳源，其碳循环反馈值得长期监测。
本研究的三根短柱样由KC-Denmark 72.000型多管采泥器（multi-corer）采集，论文记载其配置为6个取样管、每管外径11 cm、内径10.5 cm、长0.8 m。该系列多管采泥器提供4、6、8、12管多种规格，框架采用AISI 316/304不锈钢并经表面电抛光；贯入过程由液压阻尼器控制，使仪器匀速缓慢插入沉积物，避免冲击扰动；取样管底端的弹簧板与顶端弹簧盖在提升时同步闭合，确保沉积物-水界面保持原状、样品不流失；配重平台最多可加装30块10 kg铅块，最大作业水深达6000 m。正是这种“一次投放、多管平行、界面无损”的设计，让柱样能在0–2 cm区间以0.5 cm的高密度切片，使210Pb定年、木质素酚与四端元解析在同一套样品上相互支撑；若用抓斗或单管取样，过去几个世纪海源与陆源有机碳的此消彼长便难以清晰重建。
参考文献
Kim D., Kim J.-H., Ahn Y., Forwick M., Nam S.-I. Sedimentary organic carbon dynamics in a glaciated Arctic fjord: tracing contributions of terrestrial and marine sources in the context of Atlantification over recent centuries. *Biogeosciences*, 22(16): 4087–4105, 2025. https://doi.org/10.5194/bg-22-4087-2025
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