海底地下水排放与海岸生产力的耦合动态：从潮汐变化到年度变化的见解

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Coupled dynamics of Submarine Groundwater Discharge and Coastal Productivity: Insights from tidal to annual variability

本研究通过222Rn同位素和营养元素分析，揭示了印度Nizampatnam海岸潮汐与地下水输入对初级生产力的影响，发现中潮期因营养输入和混合条件最佳而生产力最高，而高潮期高盐度抑制生产力，同时检测到地下水铀超标现象。

　　

作者：Namitha M.、Sumana Dutta、Anandu Suresh、Kousik Das

印度安得拉邦阿马拉瓦蒂市SRM大学环境科学与工程系，邮编522240

摘要

陆地输入因素，如海底地下水排放（SGD）和河流排放，会调节沿海河口的初级生产力，但确定它们各自的独立作用仍然具有挑战性。本研究通过应用²²²Rn同位素以及硝酸盐、亚硝酸盐和正磷酸盐等营养物质，并结合叶绿素-a作为生产力指标，分析了2024年和2025年季风前期间，印度安得拉邦尼赞帕特南海岸营养物质通量和潮汐变化对初级生产力的相互作用。海水、地下水、孔隙水和河水的观测结果显示，中潮期生产力最高，这归因于营养物质排放和有利的水动力条件。在高潮期，海底地下水排放的营养物质通量增加，但盐度和温度的升高抑制了初级生产力。估计最大海底地下水排放驱动的营养物质通量分别为：硝酸盐1.95 × 10¹² μmol/m/d、亚硝酸盐7.15 × 10¹¹ μmol/m/d和正磷酸盐8.24 × 10¹¹ μmol/m/d。此外，在地下水中检测到铀含量超过世界卫生组织（WHO）规定的30–60 μg/L的限值。在所有潮汐条件下，营养物质与生产力之间存在正相关（PO₄^3- r= -0.67, p= 0.07；NO₃^-+ NO₂^-=NOx r= -0.36, p>0.05），表明在生物吸收较低的情况下营养物质会积累。该研究强调了海底地下水排放和营养物质通量如何在热带印度海岸年际间通过潮汐变化增强生产力。

引言

海底地下水排放（SGD）是指陆地淡水和咸水通过大陆边缘流入海洋的过程（Jiao和Post，2019）。除了地下水化学成分外，SGD还受水文条件、潮汐作用和压力梯度等多种因素的影响（Jiao和Post，2019）。它通过将溶解的营养物质、痕量金属和污染物从陆地输送到海洋，在沿海生物地球化学循环中起着关键作用（Taniguchi等人，2002），尽管其体积贡献较小，但对沿海生物地球化学循环的影响却更为显著（Burnett等人，2006）。 营养物质的可利用性是沿海生态系统健康状况（EPA，2019）和海洋生态系统初级生产力（Yoshikawa等人，2017）的主要决定因素。人类活动导致营养物质摄入量增加和营养物质比例变化，通常会引发富营养化，改变水生系统的食物网和初级生产力，最终导致沿海栖息地出现极端缺氧状况（Guo等人，2020；Diaz和Rosenberg，2008；Liu等人，2009）。海底地下水排放被认为是无机氮（DIN）、磷（DIP）和硅（DSi）的重要来源，在局部到区域尺度上其贡献往往超过河流和大气输入，从而驱动初级生产力（Wang等人，2018）。在地下河口中，生物地球化学过程（如硝化作用、反硝化作用和磷酸盐迁移）会在排放前进一步改变地下水的特性及其生态影响（Santos等人，2009）。在理解营养物质通量及其测量技术方面已取得显著进展（Slomp和Van Cappellen，2004）。 ²²²Rn（氡）的同位素特征被广泛用于追踪营养物质通量和了解地下水流动动态（Burnett等人，2001），同时也用于研究其生物学后果（Santos等人，2009）。在许多地区，海底地下水排放驱动的营养物质通量可能超过河流输送的通量，凸显了其在沿海营养物质预算中的重要性及其引发藻类爆发等生态现象的潜力（Liu等人，2017）。河流输出形成了局部生产力热点：地球系统模型表明，增强的河流营养物质（氮和磷）支持大陆架上的浮游植物生长，并可能改变全球氮循环的反馈机制（Gao等人，2023；Tivig等人，2021），对流域尺度的生产力产生影响（<5%至10%）。尽管有许多研究量化了海底地下水排放驱动的营养物质输入，但大多数研究仅关注单季节观测，对初级生产力等生物指标的关注有限（Liu等人，2021；Santos等人，2012；Cho等人，2018；Valiela等人，1990）。因此，年际水文气候变率和潮汐变化对海底地下水排放驱动的营养物质通量及沿海生产力的综合影响仍不明确，尤其是在微潮河口中。 与地表水（海水和河水）不同，沿海地下水的营养物质浓度显著更高。即使少量营养物质也会对海洋营养物质水平产生巨大影响，从而导致富营养化（Moore等人，2006；Li等人，1999）。该地区的先前研究表明，包括印度洋曼纳尔湾沿岸在内的地区，大气降水和循环咸水都是重要的营养物质输送途径，水动力混合在其中起关键调节作用（Selvam等人，2021，2022）。这一研究空白尤其适用于印度海岸线，因为关于年际水文气候变率和潮汐变化如何共同调节海底地下水排放驱动的营养物质通量及沿海初级生产力的机制仍存在很大不确定性。 安得拉邦的尼赞帕特南沿海地区是一个微潮河口系统，其特点是溶解溶质的停留时间较长、陆地-海洋水力连通性强且受大气补给影响显著。这些特征使其容易积累营养物质，导致初级生产力增强和潜在的缺氧现象。通过比较两个连续的季风前季节，可以有效地识别年际变化，同时减少季节性偏差。由于微潮河口容易受到季风引起的海平面上升的影响，这种现象预计会显著改变海底地下水排放，进而改变陆地-海洋水力耦合。基于这种水文地质变化，本研究旨在：(a) 使用²²²Rn作为示踪剂量化海底地下水排放驱动的营养物质通量；(b) 研究潮汐变化对营养物质通量、水动力条件变化及其对沿海初级生产力潜在影响的作用。通过整合两个季风前时期的水文、地球化学和生物学观测数据，本研究加深了对海底地下水排放如何调节微潮海岸系统中营养物质动态和生产力的机制理解，为变化的水文气候条件下的沿海生物地球化学提供了新见解。

研究区域

本研究的主要区域位于印度东海岸的尼赞帕特南海岸，属于安得拉邦巴帕特拉区，地处孟加拉湾沿岸，纬度范围为15°48′N至15°56′N，经度范围为80°18′E至80°32′E（图1）。研究区域位于克里希纳河河口系统内，面积约为22.57平方公里，其中约4平方公里（约18%）为红树林沼泽、海滩、水产养殖场和泥滩。该沿海地区主要由第四纪沉积物构成。

结果

尼赞帕特南海岸浅层含水层中的海水与地下水混合界面因气候变化（包括季风前后）而发生变化。本研究分析了2024年和2025年的季风前变化，以及这些变化对孔隙水、地下水和河水的水文地球化学参数的影响。

物理化学参数如pH值、水温、电导率、溶解氧、盐度等也发生了变化。

季节性和潮汐变化对沿海水文化学的影响

尼赞帕特南海岸的孔隙水（PW）、海水（SW）、河水（RW）和地下水（GW）的水文地球化学特征表现出明显的季节性变化（2024年季风前 vs 2025年季风前）和潮汐波动的影响。2024年至2025年间，PW、SW和RW的盐度显著下降，表明淡水影响增强，这可能是由于2025年采样前地下水补给增加和陆地输入增加所致。GW的盐度变化相对较小（2024年为2.58 PSU，2025年为1.6 PSU），这表明……

结论

本研究强调了海底地下水排放（SGD）在尼赞帕特南沿海低洼地区季风前期间对沿海生物地球化学和生产力的关键调节作用。2024年PW中的²²²Rn浓度升高（2024年- 506 ± 377 Bq/m³，2025年- 735 ± 289 Bq/m^{3222Rn浓度升高（832 Bq/m3- 916 Bq/m3），表明2024年季风前的营养物质浓度较高（PO₄3-- 0.8 mg/L，NO_x- 2.1 mg/L），而2025年季风前的营养物质浓度较低（PO₄3-- 0.5 mg/L，NO_x- 0.9 mg/L），反映了较强的大气补给作用。}

作者贡献声明

Sumana Dutta：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、验证、软件使用、资源管理、项目管理、方法论设计、数据收集与分析。 Anandu Suresh：原始草稿撰写、验证、软件使用、方法论设计、数据管理。 Kousik Das：审稿与编辑、数据可视化、项目监督、软件使用、资源管理、方法论设计、数据收集与分析、概念构思。 Namitha M：撰写……

未引用的参考文献

Burnett和Dulaiova，2006；Carstensen等人，2018；Chae等人，2012；Debnath等人，2019；Gao等人，2021；Myriokefalitakis等人，2016；Paerl和Justic，2011；Prakash等人，2020；Rathore等人，2023；Santos等人，2008；Santos等人，2009；Szymczycha等人，2020；Wang和Briggs，2015；Yang等人，2018。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

数据可用性

数据可应要求提供。

1. 中潮期由于营养物质供应和有利的水力混合条件，生产力达到峰值。
2. 高潮期海底地下水排放增加了营养物质，但盐度升高抑制了生物生长。
3. 所有水体中检测到铀（30–60 μg/L），可能与沿海污染有关。

致谢

本研究的资金支持来自State University Research Excellence (SURE) 计划、Science and Engineering Research Board (SERB) 和 Department of Science and Technology (DST)（文件编号：SUR/2022/001932，日期：2023年5月9日）。同时感谢SRM University–AP提供的UG/PG种子研究资助（批准编号：SRMAP/UG-PG/SEED/2025-26/010）。此外，还感谢SRM大学提供的ICP-OES设备和离散营养物质分析仪的支持。