海底地下水排放:重要的海岸带陆海相互作用过程

沿海地区海底地下水排放在北美和欧洲等发达地区受到了越来越多的重视,被认为是一个重要的海岸带陆海相互作用过程。但这一过程在我国尚未引起足够认识,有关研究极少见。海底地下水排放的研究历史不长,只是近十多年才有了快速的发展,有了越来越多的定量研究成果。其研究方法主要有水文计算法、现场实测法和地球化学示踪法,各种方法之间的对比实验是目前的热点问题。沿海地下水排放具有重要的环境意义,它可以是陆地营养物质和污染物质的一个重要排放通道,可以对海岸带环境产生一定影响。我国沿海地区应该加强有关的研究工作,为海岸带环境管理作出贡献。

基于^(223)Ra和^(224)Ra的桑沟湾海底地下水排放通量

海底地下水排放(SGD)是陆地向海洋输送水量和营养物质的重要通道之一,对沿海物质通量及其生物地球化学循环有重要的影响,对生态环境起着不可忽视的作用。本文运用天然放射性同位素^(223)Ra和^(224)Ra示踪估算了我国北方典型养殖基地桑沟湾的海底地下水排放通量。结果表明,海底地下水样尤其是间隙水中Ra活度[^(224)Ra=(968±31)dpm/(100L),^(223)Ra=(31.4±4.9)dpm/(100L),n=9]远高于表层海水[^(224)Ra=(38.7±2.0)dpm/(100L),^(223)Ra=(1.70±0.50)dpm/(100L),n=21]。假设稳态条件下,考虑Ra的各源、汇项,利用Ra平衡模型,估算出桑沟湾SGD排放通量为(0.23~1.03)×10~7 m^3/d。潮周期内的观测结果显示,涨潮时,水力梯度较小,SGD排放变弱,落潮时,水力梯度较大,导致了相对较多的SGD排放。在一个潮周期间,基于^(223)Ra和^(224)Ra得到的SGD排放通量平均为0.39×10~7 m^3/d。潮汐动力下的SGD排放平均占总SGD排放的61%,因此桑沟湾沿岸的地下水排放主要受潮汐动力的影响,并对海水组成及海陆间物质交换有显著贡献。

海底地下水排放对典型红树林蓝碳收支的影响——以广西珍珠湾为例

海底地下水排放(Submarine Groundwater Discharge,SGD)是陆海相互作用的重要表现形式之一,其携带的物质对近岸海域生源要素的收支有重要影响。本文利用222Rn示踪技术估算了我国典型红树林海湾—广西珍珠湾在2019年枯季(1月)SGD携带的碳通量。调查发现,地下水中222Rn活度、溶解无机碳(DIC)和溶解有机碳(DOC)的平均浓度均高于河水和湾内表层海水。利用222Rn质量平衡模型估算得到珍珠湾SGD速率为(0.36±0.36)m/d,SGD输入到珍珠湾的DIC和DOC通量分别为(2.41±2.63)×10^7 mol/d和(1.96±2.20)×10^6 mol/d。珍珠湾溶解碳的源汇收支表明,SGD携带的DIC和DOC分别占珍珠湾总DIC和总DOC来源的91%和89%。因此,SGD携带的DIC和DOC是珍珠湾DIC和DOC的主要来源,是海岸带蓝碳收支和生物地球化学循环过程中的重要组成。

苏北浅滩海底地下水排放及其对海域营养盐通量的贡献

海底地下水排放(SGD)是近海海域的一个重要的营养盐来源。本研究借助多种天然镭同位素对春季苏北浅滩海域的SGD及其携带入海的营养盐通量进行量化评估。研究发现:苏北浅滩海域的^(224)Ra、^(223)Ra和^(226)Ra等镭同位素的浓度水平较高,呈现近岸高、远岸低的分布趋势;根据^(224)Ra/^(226)Ra的"表观年龄模型"估算的水龄的分布情况推断,春季该海域表层水体主体流向为东北向,流速约为0.1m/s,这与前人物理海洋数值模拟结果一致;最终利用226Ra质量平衡模型发现海域的SGD通量为(46±29)cm/d,由其携带入海的溶解态无机氮、磷、硅营养盐(DIN、 DIP、 DSi)等的通量分别为(2.6±3.1)×1~09、(3.0±2.5)×10~6和(5.5±4.2)×10~8mol/d。

利用^(223)Ra和^(224)Ra对冬季三亚河口海底地下水排放通量估算研究

对三亚河口两种短半衰期溶解态镭同位素(223 Ra和224 Ra)活度随盐度的分布进行了调查,并估计了其源汇项。调查发现,三亚河口中溶解态223 Ra和224 Ra的分布范围分别是:1~8dpm/100L和13~281dpm/100L。在低盐度区,223 Ra和224 Ra的活度都随着盐度的增大而增大,至中盐度时达到最大值,之后随盐度的继续增加而逐渐减小。其活度主要受控于放射性衰变、涨潮退潮、颗粒物解吸、沉积物扩散和海底地下水排放。利用同位素比值法和质量平衡模型计算得到三亚河口水体的平均近似水龄为4d,河口中68%的镭来自于海底地下水排放的贡献,海底地下水排放流量为1.14×106 m3/d,是三亚河流量的2倍。

利用热红外成像技术测量海底地下水排放量

海底地下水排放(SGD)是水循环的重要组成部分,将人为产生的和自然产生的营养物质输送到沿海水域。作为开发预防海岸水质恶化的方法的一部分,北卡罗莱纳州威尔明顿大学进行的研究试图解决与SGD点源位置有关的不确定性。本案例研究概述了如何将尖端的高分辨率无人机系统(UAS)热红外(TIR)成像方法与最新技术相结合,以进行连续和自主的SGD监测。海底地下水排放是指地下水通过连接的沿海含水层从陆地流向海洋的过程,这是可溶解成分从陆地流到海洋的重要途径。确定SGD的来源很重要,因为SGD通常携带来自人为生产的污染物,例如来自下水道系统或农业活动的营养物质。

海底地下水排放对胶州湾碳酸盐系统的影响

海底地下水排放(submarine groundwater discharge,SGD)是陆地与海洋之间无机碳(DIC)、总碱度(TA)输送的重要途径,但是关于SGD在近海碳酸盐系统中的作用特别是对pH的影响,认识还十分有限。本文通过2021年1月和2021年4月胶州湾两个航次调查,结合7次不同季节地下水、污水处理厂的野外调查采样,评估了春季胶州湾SGD的流量及其输送的DIC和TA通量,探讨了SGD输入对胶州湾DIC收支及水体酸化的影响。研究结果表明,SGD的DIC、TA平均浓度为(5696±3528)μmol/kg和(4981±3359)μmol/kg,是胶州湾水体平均浓度的两倍左右。春季胶州湾SGD流量为(0.73±0.12)×10^(7)m^(3)/d, SGD输送的DIC和TA通量分别为(2.54±0.41)×10^(7)mol/d和(2.12±0.36)×10^(7)mol/d。SGD是胶州湾水体DIC的重要来源之一,其输送通量比污水高一个数量级。胶州湾SGD具有高DIC、低pH[平均值(7.09±0.46)]的特征,其输入会降低胶州湾海水的缓冲能力和pH。通过端元混合模型评估可得,陆源地下淡水(submarine fresh groundwater discharge,SFGD)输入会使胶州湾pH降低0.001~0.035,加剧胶州湾酸化。SGD是胶州湾DIC收支的重要组成部分,同时对近海酸化和海水缓冲能力的调节具有不可忽视的作用。

典型养殖海湾海底地下水排放对营养盐收支的影响——以福建罗源湾为例

海底地下水排放(SGD)是陆源物质入海的重要通道,对沿岸物质通量、生物地球化学循环及生态环境都起着重要作用。近些年来,随着近海海水养殖的发展,有关SGD对养殖生态系统的调控作用也备受关注。本研究运用短半衰期核素223Ra和224Ra估算了福建沿岸养殖型海湾——罗源湾的海底地下水排放通量。结果表明,地下水中223Ra[(58.1±40.2)dpm/(100 L)(n=9)]和224Ra[(1637±1118)dpm/(100 L)(n=9)]的活度远高于近岸水体223Ra[(4.49±1.35)dpm/(100 L)(n=15)]和224Ra[(65.5±15.8)dpm/(100 L)(n=15)]的活度。本研究在假设稳态的条件下,运用Ra质量平衡模型,估算出罗源湾SGD通量为(1.91±2.16)×10^(7)m3/d,SGD速率为0.068~0.101 m3/(m^(2)·d),结合地下水端元营养盐浓度计算得出SGD携带的溶解无机氮(DIN)、溶解无机磷(DIP)、溶解硅(DSi)的排放通量分别为(3.23±3.65)×10^(6)mol/d、(6.68±7.55)×10^(4)mol/d、(3.58±4.04)×10^(6)mol/d,分别占总输入量的79.6%、84.8%、75.4%,可见罗源湾沿岸地下水排放携带的营养物质在养殖体系中对于营养盐的收支有显著贡献。

近海海水养殖海域海底地下水排放的研究进展

海底地下水排放作为河口海岸与近海的自然现象,是陆源物质重要的入海通道,在近海物质循环和生态环境效应中有时起着决定性作用。针对近年来迅速发展的近海海水养殖,综述了海底地下水排放影响近海养殖物种等相关研究,阐明了海底地下水排放对不同养殖生态系统的重要控制作用。首先,基于近25年文献计量分析的结果表明,关于海底地下水排放与海水养殖之间关系的研究呈明显上升趋势,且在全球范围内具有广阔的地域分布和研究远景。其次,总结相关研究案例发现,一方面海底地下水排放及其输送的营养物质能够提高初级生产力,进而促进近海藻类、鱼类和贝类等海水养殖物种的生长,对其产量产生积极的影响;另一方面,通过海底地下水排放输送的过量物质也会给海水养殖物种带来负面影响,导致它们减产甚至死亡。与此同时,养殖海水进入沿岸含水层也会反过来影响海底地下水排放及其携带入海物质的种类和通量。因此,相对于河流等输入,在海水养殖的可持续发展中如何高效利用相对"隐蔽"的海底地下水排放过程中携带的营养物质,提高海水养殖生物生产,减少负面效应,是值得关注的,也是将来海水养殖相关研究工作中值得关注的重点工作之一,其研究成果可为我国近海养殖合理管理和渔业资源的可持续利用提供基础数据参考。

海底地下水排放对南黄海沿岸海水细菌群落结构的影响

在南黄海沿岸岸滩采集海水样品,将同位素地球化学与分子生物学技术相结合,探讨海底地下水排放(submarine groundwater discharge,SGD)对沿岸海水微生物群落结构的影响.结果表明,南黄海沿岸水体微生物优势类群为变形菌门、放线菌门、拟杆菌门、蓝细菌门、疣微菌门、厚壁菌门等.海水中较高浓度的镭同位素活度极有可能是由近岸海底地下水排放过程导致.沿岸海水中的^(224)Ra活度与营养盐浓度、微生物群落的多样性及丰富度具有相对同步的变化规律.溶解氧对海水中的细菌群落结构具有显著影响(p<0.05),海底地下水排放输入的高浓度溶解无机氮、溶解硅酸盐可能是影响沿岸海水中细菌群落结构特征的主要因素之一.本研究表明,海底地下水排放对沿岸微生物群落结构的影响是不可忽视的.

基于镭同位素示踪的嵊泗高场湾海底地下水排放

作为全球水循环的重要组成部分,海底地下水排放(SGD)是营养盐等陆源物质进入海洋的重要途径之一。本文利用天然放射性同位素223Ra、224Ra和228Ra对嵊泗岛高场湾SGD通量及及其所携带的营养盐通量进行了估算。研究表明,地下水中223 Ra(16.7±2.9 dpm/100 L)、224 Ra(479±18 dpm/100 L)、228Ra(97±4 dpm/100 L)的活度远高于近岸水体中223Ra(3.5±0.7 dpm/100 L)、224Ra(80±4 dpm/100 L)、228Ra(31±2 dpm/100 L)的活度。运用潮动力模型,基于223 Ra和224 Ra得到的SGD速率分别为7.6 cm/d和4.1 cm/d,而根据223Ra的离岸输送估算出SGD速率为22 cm/d。结合地下水端元营养盐的浓度计算得SGD携带的溶解无机氮(DIN)、溶解无机磷(DIP)、溶解硅(DSi)的排泄通量分别为593,4.16和241μmol/(m^2?s)。

沿岸地下水排放通量

海岸带地区,陆源物质由近岸向沿岸海洋输送的途径有很多,而在一些海岸或海湾,其中较普遍的一个过程就是海底地下水排放。它是发生在沿岸地区与毗邻海洋之间的又一个重要的陆海相互作用过程。目前,通过水文、直接测量和地球化学示踪法研究地下水排放的例子有很多,但对其进行定量估算仍面临着许多困难。本文主要介绍镭同位素地球化学示踪法的基本原理及应用,以海南东北部沿岸水域中镭同位素数据为例,计算得到相应的地下水排放通量为5.4×10-4dm3/(d.cm2)。

福建漳江口红树林湿地溶解无机碳横向输送的研究

红树林作为地球上最富碳的生态系统之一,是重要的蓝色碳汇。孔隙水/海底地下水排放(Submarine Groundwater Discharge,SGD)作为陆海交互作用的重要过程,是红树林碳横向输送的重要途径。本研究于2017年4月在福建省云霄县漳江口红树林潮沟处进行为期24 h的时间序列观测,并采集了河流(漳江)、孔隙水和生活污水样品,进行了镭(Ra)同位素、溶解无机碳(Dissolved Inorganic Carbon,DIC)、总碱度(Total Alkalinity,TA)、pH、流速的测定,量化了红树林溶解碳的横向输送(包括孔隙水输送和地表水输送)通量。结果表明,表层水体中DIC浓度与Ra活度(SGD示踪剂)呈正相关关系,孔隙水是潮沟DIC的重要来源,高于河流输入和污水排放。基于Ra质量平衡模型和潮动力模型估算的孔隙水交换速率为(0.2±0.1)m/d。红树林通过孔隙水交换输送至潮沟的单位红树林面积的DIC、TA、溶解有机碳(Dissolved Organic Carbon,DOC)和游离CO_(2)的通量分别为1013、1008、332和52 mmol/(m2·d);潮沟水体在潮汐作用下横向输送至河口的单位河道面积的DIC、TA、DOC和游离CO_(2)的通量分别是1136、1349、131和170 mmol/(m2·d),溶解碳主要以DIC的形式输出(占比82%)。漳江口红树林通过孔隙水向潮沟输送的溶解碳通量(3.9×104 mol/d)贡献了潮沟地表水横向输送DIC通量的89%,占红树林植被固碳量的23%,与漳江口红树林沉积物的碳埋藏量(3.2×104 mol/d)相当,是海岸带蓝碳收支的重要组成部分。

海水对含水层沉积物中镭解吸的模拟实验

本研究采用莱州湾沿岸含水层中的沉积物,通过渗滤实验模拟镭的解吸过程。结果表明,在典型的地下水流速范围内(0.02~0.30 cm/min),镭同位素(^(223)Ra、^(224)Ra、^(226)Ra)的解吸没有显著变化。在海水与淡水的混合过程中,解吸的镭比活度与水的盐度呈显著的线性正相关关系。当盐度超过海水盐度时(如S=80的卤水中),解吸的镭比活度则趋于最值平台。对比模拟估算的地下水中镭的比活度与莱州湾沿岸实测间隙水中镭的比活度,^(223)Ra和^(224)Ra的结果基本一致,而^(226)Ra的实测结果较模拟估算结果偏小。可能由于含水层中^(226)Ra经反复解吸后得不到母体核素及时补充所致。本研究将为更好地理解镭同位素在含水层中的地球化学行为提供科学依据,为合理地选择量化海底地下水排放(submarine groundwater discharge,SGD)模型的镭端元值提供新的参考视角。