热带城市化河口-溪流系统中有机物质来源变化的地质元素和同位素限制因素

　　有机质来源与碳封存潜力研究：通过分析印度西海岸乌拉斯-泰恩河湾系统（UTECS）沉积物核心的元素与同位素特征，发现表层陆源有机质占比高（δ13C值低），深层以海洋生物源和人为碎屑为主（δ13C值高）。碳封存速率最大达4.9 Mg/ha/yr，空间分布受泥沙特性（D?? 4.5-68.3μm）、水文动力（冲洗时间1.5-3.68天）和土地利用变化（1985-2020年氮肥用量增长200%）调控，揭示城市河口系统碳动态的复杂性。

　　
印度西北部城市河口系统的有机质来源与碳封存机制研究

摘要
本研究针对印度马哈拉施特拉邦的乌拉-泰纳河口-溪流系统（UTECS）开展系统研究，该区域作为热带城市三角洲的典型代表，面临显著的陆海交互作用与人类活动影响。通过采集四个深度层（C1-C4）的沉积物核心样本，结合元素分析、稳定同位素（δ13C、δ15N）表征及混合源解析模型（MixSIAR），揭示了城市化背景下有机质输入、转化及封存机制的复杂过程。研究发现，表层沉积物（C1）碳同位素值（-25.6‰至-20.1‰）显著低于深层样品，表明陆源有机质输入占主导地位。随着沉积深度增加，碳同位素值趋于稳定（-22.8‰至-19.3‰），氮同位素平均值（0.3‰至13.2‰）同步上升，结合C/N比值从14.3增至28.7的特征，证实水体生物生产与底泥吸附作用增强。磷含量（0.03%-0.09%）与沉积物粒度（D50范围4.5-68.3μm）呈现显著负相关，暗示细粒沉积物对磷的富集作用。碳封存速率估算显示，深层沉积物（C4）达到4.9Mg/ha/yr的峰值，较表层提升约3倍，揭示城市河口系统具备显著碳汇潜力。

研究创新性地构建了包含自然过程与人为干扰的综合分析框架。通过整合十年期土地利用变化（LULC）数据与沉积物地球化学特征，揭示农业扩张（化肥使用量从1985年的25kg/ha增至2020年的75kg/ha）和流域开发导致陆源有机质输入比例从70%-80%降至60%的显著转变。定量模型显示，水体自养生物生产贡献率从C1的20%上升至C4的40%，与沉积物孔隙度（17.7%-53.8%）和容重（0.6-2.3g/cm3）的时空变化形成耦合关系。特别值得注意的是，在泰纳溪流区（C4）发现的δ13C值稳定在-22.8‰至-19.3‰区间，表明长期稳定条件下的有机质矿化作用减弱，与该区域年沉积量达1.2cm的快速堆积速率相印证。

引言
热带河口系统因其独特的陆海耦合特征，成为研究有机质转化机制的理想对象。当前全球研究多聚焦于自然演替系统（如红树林、盐沼等），而对城市化进程加速的河口系统关注不足。数据显示，全球80%的沿海区域已受到显著人类活动影响（UNEP,2022），其中印度西海岸河口系统在近40年经历了3.2倍人口增长与5.7倍GDP增速的复合压力。本研究首次将LULC动态（1985-2020）与沉积物地球化学参数建立关联模型，突破传统仅依赖自然过程解释有机质分布的局限。

方法学创新体现在多维度数据整合：1）沉积物地球化学剖面（C1-C4）结合粒度参数（D50）与孔隙度动态监测；2）采用改进的MixSIAR模型，引入人为扰动因子（β值）修正同位素分馏；3）建立碳封存-沉积速率耦合方程（OC burial = 0.67×沉积速率×有机质浓度）。这些技术路线有效解决了城市扰动环境下同位素分馏校正难题。

核心发现
1. 有机质来源动态演变：表层沉积物（0-45cm）δ13C值（-25.6‰至-20.1‰）显示典型陆源输入特征，与流域内20%植被覆盖度及75%农业用地比例高度吻合。而深层沉积物（>45cm）同位素值（-22.8‰至-19.3‰）与本地浮游植物（δ13C=-23.1‰±0.5‰）及底栖藻类（δ13C=-18.6‰±0.4‰）特征匹配度达87%，表明水体自养生产逐渐主导有机质输入。

2. 人类活动影响量化：流域开发强度指数（DPI）从1985年的0.32增至2020年的0.89，导致陆源有机质通量增加3.8倍。沉积物中塑料纤维含量（2.1-5.7 vol%）与道路密度呈显著正相关（r=0.76,p<0.01），证实城市固体 waste对有机质组成的重要改造作用。

3. 碳封存效率时空分异：表层沉积物碳密度（450-820mg OC/cm3）主要受短期悬浮负载影响，而深层（>45cm）碳密度达1350-1680mg OC/cm3，封存效率提升2.3倍。通过建立沉积物柱状剖面与碳通量时空匹配模型，揭示潮汐节律（半日周期0.5-4.5m）与沉积物再悬浮频率（0.8次/周）共同决定了有机质保存状态。

讨论
研究揭示了城市河口系统特有的"双轨制"碳循环机制：在陆源输入占优区域（C1-C2），氧化还原条件（-Eh 50mV至+120mV）与高沉积速率（1.2-2.5cm/yr）形成竞争关系，导致有机质矿化损失达35%-42%。而在水体交换较慢区域（C3-C4），沉积物孔隙度（>30%）与氧消耗速率（4.8mg O2/g·d）的负相关关系，为有机质长期封存提供了物理屏障。特别值得注意的是，工业废水排放导致的悬浮物浓度峰值（285mg/L）与有机质芳香度指数（H/A值0.82）的同步升高，表明人为扰动可能通过改变有机质结构增强其抗分解能力。

结论
本研究为城市河口系统碳汇评估提供了新范式：1）建立LULC-水文条件-沉积物地球化学的三维关联模型，准确预测不同开发强度下的碳封存潜力；2）发现工业排放通过改变有机质化学结构（H/A值提升27%）间接增强碳稳定性，该机制在发展中国家高密度河口系统中具有普遍性；3）提出"沉积物分层封存"理论，即表层（0-45cm）主要受短期水文条件控制，深层（>45cm）则由长期氧化还原状态主导，为碳封存工程规划提供理论依据。

该研究对全球近岸城市系统的碳管理具有重要参考价值。特别在印度西部人口密度达3880人/km2的河口区域，研究提出的"人工湿地+沉积物加固"复合措施，可使碳封存效率提升至2.7Mg/ha/yr，较自然状态提高4.3倍。研究结果已纳入联合国海岸带管理指南（2025版修订稿），为制定城市友好型河口保护政策提供科学支撑。