A relationship between deep-sea benthic oxygen demand and oceanic primary productivity

A diagenetic model of porewater O-2 was used to examine the relationship between organic carbon flux to the sediments and benthic oxygen demand (BOD). The model predicted that the organic carbon influx to sediments balances BOD as long as sediments are oxygenated. The critical rate occurs when O-2 at infinite depth disappears. With influxes exceeding the critical rate, the O-2 flux into the sediments via molecular diffusion can not consume all incoming organic matter, and anaerobic conditions result in BOD underestimating the carbon influx. Given that low rates of deep-sea BOD approximate the carbon influx below 9 g.C.m(-2).y(-1), a significant multilinear regression was found between published BOD, primary productivity (P-p, both in g.C.m(-2).y(-1))(,) and water depth (X, m), BOD = 19.6537*X P--0.936411*(p)1.139487. Using this, BOD and the carbon flux to 1000 m were mapped worldwide. Global organic carbon fluxes to 1000 m totaled 2 328 MT . C . y(-1) (1 MT C = 10(12) g), 6% of the overlying primary productivity. The global BOD was 739 MT.C.y(-1), 32% of the 1000 m flux. For southern and northern hemispheres, the 1000 m carbon flux was similar (1178 and 1149 MT.C.y(-1)), while BOD differed (356 and 383 MT.C.y(-1)). Polar regions did not differ in their relationship of vertical carbon export to productivity.

La relation entre la production primaire et la demande en oxygène benthique des fonds marins (BOD) a été examinée de deux manières différentes : a) en utilisant un modèle diagénétique de concentrations en oxygène d’eau de porosité pour examiner la relation entre le flux de carbone organique vers les sédiments et la BOD, et b) en se basant sur une analyse statistique de la relation entre la production primaire et le flux de carbone vers les sédiments. Le modèle diagénétique prédit que, lorsque l’enfouissement de carbone organique est insignifiant, l’afflux de carbone organique vers les sédiments est en équilibre avec la BOD aussi longtemps que de l’oxygène est présent dans toute la colonne de sédiment. Le taux critique est atteint lorsque l’oxygène devient zéro à une profondeur infinie et les équations de définition sont présentées. Avec des afflux de carbone organique supérieurs à ce taux critique, le flux d’oxygène entrant dans les sédiments par diffusion moléculaire est insuffisant pour métaboliser toute la matière organique d'arrivée. Des conditions anaérobies en résultent et la BOD sédimentaire peut sous-estimer l’afflux du carbone. Le taux critique dépend directement du coefficient de dégradation exponentiel de la matière organique de sorte que, lorsque ce coefficient est plus grand, davantage de matière organique métabolisable est reminéralisée plus près de la surface sédimentaire et le taux critique est plus grand. Étant donné que des taux bas de BOD doivent être voisins de l’afflux de carbone, les taux de BOD dans les sédiments de fonds marins publiés ont été examinés en fonction de leur relation avec la productivité primaire en zone euphotique (Pp). On a constaté une régression multilinéaire significative, BOD=19.6537*X−0,936411*Pp−1,139487, où BOD et Pp sont exprimés en g C·m−2·y−1 et la profondeur de l’eau (X) en m. À partir des données de BOD, le taux critique empirique était environ de 9 g·C m−2·y−1. La BOD prédite par la régression a une incertitude d’un facteur ou deux environ dans la plupart des régions de fonds marins. En se basant sur des cartes globales de productivité et de profondeur d’eau, la régression a été utilisée pour répertorier la distribution de BOD dans le monde entier en utilisant un quadrillage de latitude et longitude de 5 minutes. Les océans Pacifique, Atlantique, Indien, Antarctique et Arctique ont une BOD sédimentaire cumulative de 310, 204, 175, 19, 31 MT·C·y−1 pour un total global de 739 MT·C·y−1 (1 MT C=1012g). De nombreuses zones de hautes latitudes étaient dépourvues d'estimation de productivité, c’est pourquoi ces totaux sont bas. Les flux de carbone à une profondeur de 1 000 m étaient de 1 043, 632, 531, 61, 61 MT·C·y−1, respectivement pour un total global de 2 328 MT·C·y−1. En moyenne, le flux de carbone organique à 1 000 m comprenait 6 % de la productivité primaire de recouvrement, tandis que les sédiments ont consommé 32 % du flux à 1 000 m. Relativement à l’hémisphère nord, l’hémisphère sud a une surface océanique de plus de 45 % mais la productivité par m2 n’est que de 75 %. Il en résulte que le flux de carbone à 1 000 m est environ le même pour les deux hémisphères (1 178 par rapport à 1 149 MT·C·y−1, sud et nord), tandis que la BOD sédimentaire est moindre dans le sud (356 MT·C·y−1) que dans le nord (383 MT·C·y−1). Sur la base de productivités mesurées directement, la BOD sédimentaire dans les régions polaires recouvertes de glace suit de près la relation prédite, laissant à penser que ces régions ne diffèrent pas dans leur relation de transport de carbone vertical avec la productivité.