天津
近日，中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室（深海圈层与地球系统前沿科学中心）在同位素示踪我国近海海底地下水排放过程（SGD）及其对海域营养盐的收支贡献这一研究领域取得新进展。相关成果以“Large scale submarine groundwater discharge dominates nutrient inputs to China’s coast”（海底地下水排放过程是中国近海营养盐的主要来源）为题发表在Nature Communications上。
海底地下水排放（Submarine Groundwater Discharge，简称SGD），是指所有在海底界面发生的水交换过程，包括陆源淡水地下水（FSGD）和循环海水（RSGD）两部分。SGD是驱动陆海界面物质交换的关键动力过程，对海岸带生物地球化学循环具有至关重要的影响作用。目前，我国业已开展的SGD研究大多关注河口、海湾等局域尺度，尚缺乏对中国近海SGD通量的整体认识。由于方法学的限制，区分研究不同类型SGD通量及其物质贡献十分困难，导致量化结果的不确定度难以准确估算，因此无法纳入我国近海营养盐收支的评估模型中。
图1 我国近海表层海水中各种天然镭氡同位素的含量分布
研究团队构建了镭氡同位素联合示踪模型，解决了不同类型SGD通量量化的难题。课题组长期关注海洋中的天然镭氡同位素及其对各种海洋学问题的示踪研究，积累了丰富的观测数据，结合文献报道数据建立了我国近海海水和沿岸地下水中的镭（224Ra、226Ra、228Ra）、氡（222Rn）同位素含量的高分辨率数据库，厘清了海域中各种同位素的分布特征（图1）。继而构建了镭氡多核素联合量化模型，对中国近海FSGD和RSGD进行了区分量化，并利用蒙特卡洛模拟（Monte Carlo simulations）技术定量评价了SGD计算结果的不确定度。结果表明，在我国近岸海域（水深20-30米以内），FSGD和RSGD的通量分别为3.56×108 m3 d-1和1.82×1010 m3 d-1，SGD总通量约为河流入海径流量的5倍，SGD总通量中约98%为循环海水。在陆架海域，RSGD通量约为2.09×1010 m3 d-1。近岸海域仅占陆架海域总面积的约四分之一，但其RSGD的排放通量占比却高达87%，表明我国陆架边缘海的近岸浅海区是SGD的热点区域。
在此基础上，针对我国陆架海域水体构建了营养盐收支模型（图2）。发现总SGD对水体中DIN、DIP、DSi的贡献分别达到32%、19%、54%，超过了河流输入和大气沉降的总和。FSGD通量虽然仅占总SGD通量的2%左右，但其输送入海的营养盐通量却可达总SGD输送通量的50%（DIN）、25%（DIP）、52%（DSi）。地下水端元中的溶解态DIN/DIP/DSi比例（FSGD中为272/1/415；RSGD中为92/1/130）严重偏离了Redfield比值。SGD过程对海域水体富营养化、营养盐结构、赤潮等生态失衡现象的成因具有潜在贡献。本研究揭示了海底边界交换过程对我国近海生源要素生物地球化学循环的重要贡献，对制定合理的海洋可持续发展措施具有重要的科学意义。
图2 海底地下水排放（SGD）通量及其对我国近海营养盐收支的贡献
该成果由中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室于志刚教授课题组牵头完成，2021级海洋化学专业博士研究生朱天亦为第一作者，许博超教授和于志刚教授为共同通讯作者，中国海洋大学化学化工学院、海洋与大气学院以及华东师范大学、美国德克萨斯大学奥斯汀分校、中国地质大学（北京）、西湖大学、中国科学院烟台海岸带研究所、南开大学、韩国仁荷大学、生态环境部太湖流域东海海域生态环境监督管理局、美国佛罗里达州立大学、自然资源部第一海洋研究所、瑞典哥德堡大学等单位的学者合作完成了相关研究。研究工作得到国家自然科学基金委杰出青年科学基金、重点项目、联合基金等项目的资助。
信息来源：中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室 作者：朱天亦
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