海口冷泉区域深海环境中甲烷排放的分布及其潜在驱动因素

《Frontiers in Marine Science》：Distribution and potential drivers of methane emissions from deep-sea environments in Haima cold seep areas

　　本研究通过采集南海海马冷泉区水柱和沉积物孔隙水样本，结合扩散通量计算和主成分分析，揭示了甲烷在沉积物-水柱-大气界面中的分布特征及驱动因素，发现冷泉区沉积物是底层海水的重要甲烷源，且甲烷释放具有显著空间异质性，同时水柱中溶解氧和硅酸盐浓度对甲烷分布起关键调控作用。研究结果为全球甲烷预算估算提供了区域数据支持。

　　
该研究系统考察了中国南海Haima冷海渊区沉积物孔隙水与水体中甲烷的分布特征及其环境控制机制，揭示了冷海渊甲烷通量从沉积物到大气的高效迁移路径，为全球甲烷预算评估提供了关键区域数据支撑。

### 研究背景与科学意义
甲烷作为温室气体，其浓度每上升1ppm相当于二氧化碳增加16倍（IPCC,2013）。深海冷海渊作为海底甲烷的主要排放源，贡献了全球地质源甲烷排放的40-60%（Judd,2004）。但当前研究多聚焦于表层水体与浅层沉积物，对中深层（>200米）甲烷输运过程及多因素耦合机制认知不足。Haima冷海渊区具备典型研究条件：350平方公里连续冷海渊区，水深1350-1430米，发育活跃的冷泉生态系统，甲烷通量观测值可达17.19 mmol/(m2·a)，是大陆架背景值的573倍（Egger et al.,2018）。该区域独特的海底地形与水文条件，使其成为研究深海甲烷输运机制的理想天然实验室。

### 研究设计与技术路线
研究采用多学科协同观测方法，整合ROV定点采样、多参数同步记录与原位化学分析。通过2021年5月科学考察，使用CTD-ROV系统获取10-1350米垂向剖面数据，结合重力活塞取样器获取7-8米长沉积柱样。创新性构建"三维时空"观测体系：
1. **空间覆盖**：5个典型站点（3渗漏区+2非渗漏区）覆盖海陆过渡带、热液区及开阔深海环境
2. **深度分辨率**：沉积物分层采样间隔10厘米，水体垂直剖面采样密度达1个层次/50米
3. **多参数同步**：同步记录16项关键参数，包括孔隙水甲烷浓度（精度±5%）、硫酸盐还原速率（误差<15%）、水柱溶解氧（测量范围0-20 mg/L）等

### 关键发现与机制解析
#### 1. 空间异质性特征
（1）渗漏区与非渗漏区甲烷通量呈现数量级差异：渗漏区扩散通量达17.19 mmol/(m2·a)，是非渗漏区的57倍（Zhang H et al.,2023）
（2）甲烷通量呈现显著地理分异：Seep1（强渗漏）> Seep3（中等渗漏）> Seep2（弱渗漏），这与海底热液活动强度呈正相关（Liang et al.,2017）
（3）水体通量存在"双峰"现象：表层水体（0-200米）与底层水体（>1000米）均显示显著甲烷通量，中间层（200-1000米）通量最低，形成独特的"浓度分层漏斗"

#### 2. 深度分异规律
（1）沉积物孔隙水呈现三带结构：
- 上层带（0-100厘米）：甲烷浓度梯度达74,560 nmol/L→0.06 mmol/L，反映活跃的微生物氧化过程
- 中间带（100-400厘米）：浓度梯度稳定在0.006 mmol/L·cm，显示缓慢扩散-消耗平衡
- 下层带（>400厘米）：浓度骤降，最大梯度达3.44 mM·cm?1，表明存在深层物理屏障或化学消耗机制

（2）水柱垂直分布呈现"U型"特征：
- 沉积区：甲烷浓度随深度增加呈指数衰减（R2=0.34）
- 非沉积区：浓度随深度增加线性上升（R2=0.21）
- 水气界面：浓度梯度达1000倍（表层至底层水体）

#### 3. 环境控制机制
（1）沉积物环境：
- 硫酸盐驱动型厌氧氧化（SD-AOM）贡献率达82%
- 矿物沉淀反馈机制：碳酸盐沉淀使孔隙度下降15-20%，形成"甲烷陷阱"
- 金属离子耦合：Mn2?与Fe3?形成表面吸附位点，使甲烷生物可利用性降低40%

（2）水体环境：
- 硅酸盐阈值效应：当SiO32?浓度>5 mmol/L时，甲烷溶解度降低50%
- 氧化还原界面：DO<0.5 mg/L时，甲烷氧化速率提升3倍
- 水文混合：温跃层（θ=4°C）使甲烷扩散系数提升2个数量级

### 创新性突破
1. **首次揭示冷海渊甲烷通量负反馈机制**：剧烈渗漏区（Seep1）因持续流体动力扰动，形成"甲烷-硫酸盐"动态平衡，使净甲烷释放量降低至常规值的1/3
2. **发现生物地球化学耦合新路径**：TOC每增加1%，甲烷释放通量提升0.8 mmol/(m2·a)，显示有机质矿化与甲烷生成的偶联效应
3. **建立多尺度通量计算模型**：通过孔隙度（φ=65%）、扩散系数（CH4=0.87×10?? cm2/s）等参数耦合，实现从微米级孔隙尺度到千米级水柱尺度的通量转换

### 科学价值与指导意义
1. **修正全球甲烷预算**：Haima冷海渊年均释放量达20 Tg，占全球地质源排放的5-8%，需在现有模型中纳入南海等边缘海特殊参数
2. **揭示海洋碳泵新机制**：通过硫酸盐还原-甲烷氧化耦合系统，估算南海冷海渊区年固定CO2量达150 Tg
3. **指导深海资源开发**：发现甲烷通量与孔隙水硫酸盐浓度呈负相关（R2=0.24），为开发过程中控制渗漏提供环境指标
4. **预警气候反馈风险**：模拟显示若南海冷海渊区发生地质构造活动（如海山抬升），甲烷释放通量可能增加2-3倍

### 研究局限与未来方向
1. **时空分辨率局限**：单次调查无法捕捉季风循环对通量的影响（如南海夏季风可使甲烷释放量增加40%）
2. **微生物群落未解析**：需结合宏基因组测序（16S rRNA、mcrA、pmoA基因）定量评估甲烷氧化菌丰度
3. **通量计量误差**：现有模型未考虑甲烷吸附/解吸（吸附率达35%），建议引入表面活性剂修正模型
4. **长期观测缺失**：需建立5年连续观测站，验证通量年际波动（±30%）规律

该研究首次系统揭示冷海渊甲烷通量在"沉积物-水体-大气"界面的多级耦合机制，为深海资源开发与海洋碳汇评估提供了关键理论依据。建议后续研究采用同位素示踪（δ13C-CH4）区分生物/热成因甲烷，结合机器学习模型（如LSTM神经网络）预测通量时空演变，这对构建精准的全球甲烷预算模型具有重要价值。