北极地区永久冻土中蕴藏着巨量的有机碳，随着全球气候变暖，这些古老的碳正以前所未有的速度释放并流入海洋。然而，这些碳有多少会以温室气体形式重返大气，又有多少能被海洋捕获并长期封存，一直是科学家们亟待解答的关键问题。近日，来自阿尔弗雷德·韦格纳研究所（Alfred Wegener Institute）和不来梅大学海洋环境科学中心（MARUM - Centre for Marine Environmental Sciences at the University of Bremen）的研究团队，在加拿大Qikiqtaruk（赫歇尔岛）的永久冻土海岸线，对这一复杂过程进行了深入研究。

通过对海底沉积物岩芯的细致分析，研究团队发现，尽管大量陆源碳进入海洋，但其中大部分最终被海底有效保存。更令人惊讶的是，海洋微生物表现出“选择性进食”的特性，它们更倾向于利用海洋中新鲜的碳源，而非来自永久冻土的古老碳。这一重要发现已发表在国际权威期刊《自然-地球科学》（Nature Geoscience）上。

巨量碳储藏开始融化

北极陆地上的永久冻土生态系统储存着约1,300吉吨（gigatonnes）的有机碳，其中大部分是植物残骸。此外，海洋沉积物和河流三角洲中还储存着约400吉吨的碳。随着全球变暖，北极地区的升温速度远超其他区域，导致冻土融化和海岸线崩塌。原本被锁在土壤中的碳，通过河流径流和海岸侵蚀，不断进入北冰洋。

该研究的主要作者、阿尔弗雷德·韦格纳研究所（AWI）的曼努埃尔·鲁本博士（Dr. Manuel Ruben）指出：“每年约有0.02吉吨的碳流入海洋，根据预测，到2100年，这一流量可能增加70%至150%。”他强调，此前对于这些碳有多少会以温室气体形式释放回大气，又有多少能被海底储存，我们知之甚少。解决这一不确定性至关重要，因为它直接影响科学家们评估永久冻土融化对全球气候影响的准确性。

沉积物岩芯揭示碳的去向

为了探明这些碳的最终归宿，研究人员在赫歇尔岛海岸线附近多个地点采集了沉积物岩芯。这些岩芯记录了大约50年间的物质沉积情况，为科学家提供了宝贵的历史数据。

分析结果令人鼓舞：尽管大量有机碳从海岸被冲刷入海，但只有相对较小的一部分进入了海洋的活跃碳循环。曼努埃尔·鲁本博士解释道：“这里的海洋每年带走大量来自海岸的有机碳，但令人惊讶的是，最终进入海洋活跃碳循环的却很少。微生物仅将沉积物中约10%的有机碳转化为气体，这些气体上升到水体中，并有可能进入大气。”这意味着，大部分剩余的碳被安全地埋藏在了海底。

化学线索追踪微生物活动

研究团队对沉积物岩芯的组分进行了详细分析，并测量了来自永久冻土的物质在海底的积累速率。他们还深入研究了沉积物颗粒间微小空隙中的溶解无机碳，即孔隙水（pore water）。通过测量孔隙水中的溶解无机碳含量，可以推断微生物在消耗有机物质后释放了多少二氧化碳。

孔隙水的同位素组成（isotopic makeup）为研究人员提供了关键线索，帮助他们确定这些有机物质的来源。阿尔弗雷德·韦格纳研究所的地球化学家、卓越集群“海底——地球未探索界面”的联合发言人格辛·莫伦豪尔教授（Prof. Gesine Mollenhauer）解释说：“碳同位素是我们的‘原子指示剂’，能够识别微生物的食物来源。例如，碳-13（¹³C）同位素可以告诉我们微生物是消耗了陆地来源的碳还是海洋来源的碳。而通过碳-14（¹⁴C）同位素，我们能够确定这些单细胞生物是偏好来自永久冻土的古老有机碳，还是偏好来自藻类残骸的新鲜有机碳。”

“美食家”细菌偏爱新鲜碳源

研究结果揭示了一个有趣的现象：生活在沉积物中的微生物并非对所有类型的碳都“一视同仁”。格辛·莫伦豪尔教授形象地指出：“沉积物中生活着一群‘美食家’细菌，它们显然更喜欢来自近期藻类残骸等新鲜的碳源，而非来自永久冻土沉积物的‘古老’碳。”

由于这些微生物偏爱新鲜的海洋物质，这意味着来自融化永久冻土的古老碳，可能比科学家们此前担心的，对大气温室气体水平的贡献要小。这为评估北极碳循环对气候变化的影响提供了新的视角。然而，研究人员也谨慎地指出，目前的全貌尚不完全清晰。他们强调：“我们仍需进一步研究，因为部分来自永久冻土的有机碳可能在到达海底之前就已经被分解了。”

沿海碳流可能重塑北极生态系统

陆源碳流入海洋的影响远不止于温室气体排放。它还会改变沿海水域的化学和生物特性，而这些水域是当地社区食物资源的重要来源。海岸侵蚀释放的沉积物会降低阳光穿透水体的能力。新侵蚀的碎片使沿海海水变得浑浊，而溶解的有机碳则会使水体颜色变深。

光照的减少会影响藻类等单细胞生物，它们需要阳光进行生物量和氧气的生产。这种初级生产是更广泛食物网的基础，支撑着鱼类、甲壳类动物和海豹等生物。研究人员计划在定于2027年进行的国际“北极脉冲”（'Arctic Pulse'）科考活动中，进一步探索这些复杂的联系。届时，科学家们将利用“极星号”破冰船、AWI研究飞机以及陆地站点进行协同观测，旨在全面理解快速环境变化如何重塑北极生态系统。

改进北极气候模型

曼努埃尔·鲁本博士总结道：“我们的研究比以往任何时候都更精确地揭示了有多少碳被安全地储存在海底，以及有多少分解物质确实来源于古老的永久冻土。这为气候模型提供了重要的基础数据，有助于更准确地预测永久冻土融化对全球气候的影响。”