揭示沙滩中溶解无机氮的动态变化：潮汐力与含水层异质性的作用

《Journal of Hydrology》：Unraveling dissolved inorganic nitrogen dynamics in a sandy beach: The role of tidal forces and aquifer heterogeneity

　　程星|张燕|齐宏凯|何丁|刘毅
地球、海洋与大气科学（EOAS）研究组，功能中心，香港科技大学（广州），中国广州

**摘要**
沿海地下水是海洋生态系统氮（N）的主要来源之一，但由于对受潮汐波动影响的潮间带含水层中生物地球化学过程了解有限，氮通量的估计存在较大不确定性。本研究通过高分辨率的潮间带地下水监测发现，溶解无机氮（DIN）的物种组成在垂直方向上呈分层分布，这种分层受氧化还原分区的控制。在浅层区域（<1.5米），硝酸盐（NO3–）含量较高（>230 μM）；而在深层区域（>1.5米），由于沉积物富含有机物且渗透性较低，铵离子（NH4+）浓度极高（>340 μM）。双端元混合模型表明含水层中存在NO3–和NH4+的局部生成。在低渗透性、缺氧且富含有机物的海洋沉积物中，高NH4+浓度与高盐度同时存在，这表明氮的生成可能通过土壤有机质（SOM）的再矿化过程实现，该过程可能由三价铁（Ⅲ）氧化物和硫酸盐的还原驱动。浅层有氧区域（<1.5米）中NO3–的富集是由于强烈的硝化作用。标记有δ15N的铵离子在沉积物中的培养实验显示，浅层的硝化速率是深层的10倍。从退潮到涨潮，海底地下水排放量增加了15%，从6.94立方米/天增加到8.00立方米/天，而DIN的输出量减少了7%，从1.24×103毫米摩尔/米减少到1.15×103毫米摩尔/米。这种矛盾现象是由于涨潮期间水流增强，导致地下水平均停留时间从7.15天缩短至6.2天，从而限制了土壤有机质的再矿化过程。我们的研究结果强调了潮间带含水层作为受含水层异质性和潮汐力强烈影响的动态生物地球化学反应器的角色。除了来自陆地地下水的输入外，局部生成的氮也是沿海地下水氮的主要来源。

**引言**
沿海潮间带含水层是受陆地淡水地下水与海水共同作用影响的动态生物地球化学反应热点（Moore, 2010; Santos et al., 2021）。海底地下水排放（SGD）是一种关键的水文过程，它将具有陆地和海洋来源的物质输送到海洋中（Burnett et al., 2003）。由于大量的化学物质传输，SGD对海洋生态系统有显著影响，其化学通量可与河流排放的化学通量相当甚至超过后者（Burnett et al., 2006, Santos et al., 2008, 2021）。例如，SGD带来的营养物质支持浮游植物的生长（Bachmann et al., 1996; Liu et al., 2018c），从而有利于渔业和贝类养殖（Wurtsbaugh et al., 2019）。然而，过量的营养物质通过SGD输入可能导致富营养化、藻类爆发和其他生态扰动（Hwang et al., 2005, Luijendijk et al., 2020）。尽管沙质潮间带含水层能够减少大约84%的陆地来源的氮污染，但SGD仍被认为是沿海营养预算的重要贡献者（Chen et al., 2025）。溶解无机氮（DIN），包括硝酸盐（NO3–）、亚硝酸盐（NO2–）和铵离子（NH4+），在潮间带含水层的氮循环中起着关键作用（Kroeger and Charette, 2008, Santoro, 2010, Couturier et al., 2017, Liu et al., 2017, Liu et al., 2018, Geng et al., 2021, Santos et al., 2021）。DIN的时空动态受两个主要过程控制：（1）海水与淡水之间的物理混合；（2）受氧化还原条件和含水层异质性调节的生物地球化学转化。潮汐作用在浅层潮间带含水层中引发周期性的饱和-不饱和转变，形成明显的生物地球化学梯度，导致溶解氧（DO）和氧化还原电位（ORP）发生剧烈变化（Slomp & Cappellen, 2004; Robinson et al., 2007, Erler et al., 2014; Liu et al., 2018b）。这些生物地球化学梯度促进了DIN的转化过程，如在有氧区域发生的硝化作用（NTR）、在缺氧区域发生的反硝化作用（DNTR）和厌氧铵氧化作用（Anammox）（Slomp & Cappellen, 2004; Kroeger and Charette, 2008, Santoro, 2010; Couturier et al., 2014; Liu et al., 2017, Santos et al., 2021, Richardson et al., 2024）。例如，潮汐作用将有机物质（OM）和富含DO的海水引入含水层，微生物对OM的再矿化作用释放出NH4+（Santos et al., 2009b; Liu et al., 2017, Pain et al., 2019）。随后，在有氧条件下，NTR将NH4+转化为NO2–和NO3–（Schutte et al., 2018, Wilson et al., 2024）；而在缺氧条件下，DNTR将NO3–转化为N2或N2O（Gonneea et al., 2014; Heiss et al., 2017; Liu et al., 2018c; Santos et al., 2021, Qi and Liu, 2023）。在深度缺氧的含水层中，异化硝酸盐还原为铵（DNRA）可能与DNTR竞争，在NO3–受限条件下重新生成NH4+（Santoro, 2010, Zheng et al., 2016）。这些生物地球化学过程通常协同发生，共同调节DIN的浓度、分布和排放通量（Slomp and Cappellen, 2004; Kroeger and Charette, 2008, Liu et al., 2017, Xiao et al., 2018, Santos et al., 2021）。此外，所有这些转化过程发生在不同的时间尺度上，因此地下水停留时间——由局部水动力决定——对潮间带含水层中DIN的转化和分布有重大影响。在陆地输入和潮汐波动的共同作用下，潮间带含水层中的生物地球化学过程非常动态（Robinson et al., 2007, Heiss and Michael, 2014）。例如，潮汐周期调节海水渗透，同时保持相对稳定的内陆地下水水位。涨潮期间潮汐幅度增加，扩大了循环海水的范围，进而导致盐度、pH值和氧化还原条件的变化（Robinson et al., 2007, Heiss and Michael, 2014, Geng et al., 2021）。先前的研究表明，涨潮增强了海水入侵和DO的流入，加速了有机物质的再矿化作用和溶解无机碳（DIC）的生成（Jiang et al., 2021, Zhang et al., 2024）。相反，退潮延长了地下水的停留时间，有利于厌氧过程（Zhang et al., 2024）。总体而言，潮汐周期调节了SGD通量和生物地球化学过程。然而，它们对DIN的综合影响仍不甚清楚。

**除了海水-地下水相互作用外，沉积物特性也显著影响DIN循环**。一方面，氮质有机物的再矿化作用，特别是在海洋沉积物中，是NH4+（即地质生成的NH4+）的持续来源（Jiao et al., 2010; Du et al., 2021, Xiong et al., 2025）。此外，沉积物的垂直分层被认为是营养物质组成和通量大小的基本调节因素（Li et al., 2026）。另一方面，沉积物异质性控制了地下水流路径和停留时间，限制了DIN的转化（Heiss et al., 2020, Wallace et al., 2020）。例如，低渗透性的海洋沉积物由于停留时间较长，通常促进氧化剂消耗和厌氧过程如DNTR（Heiss et al., 2020）。相比之下，高渗透性区域通常形成有氧条件，有利于有氧过程如NTR（Wallace et al., 2020）。尽管已有研究探讨了潮汐作用下潮间带含水层中DIN的动态，但仍存在两个关键知识空白：（1）大多数研究关注外部驱动因素（如潮汐波动）对潮间带含水层中DIN动态的影响，而内部因素（沉积物异质性）的关键作用尚未得到充分研究；（2）有限的现场观测考虑了潮汐周期对沙质潮间带含水层中DIN循环的调节作用，因此对内部含水层性质和外部力量共同作用下的普遍机制了解不足。为了解决这些空白，我们研究了潮汐周期和含水层异质性对沙质潮间带含水层中DIN时空动态的耦合效应。通过高分辨率的现场监测和15N标记的沉积物培养实验，本研究旨在：（1）阐明沉积物特性在建立氧化还原分区和由此产生的DIN分层中的作用；（2）利用培养实验和地球化学计量学确定主要的DIN转化途径，评估不同沉积层的代谢潜力；（3）量化潮汐周期变化对地下水停留时间、DIN浓度和向海洋排放通量的影响。通过这些目标，我们希望证明潮间带含水层不仅仅是被动混合区，而是对沿海生态健康至关重要的动态生物地球化学反应器。

**研究地点**
研究地点位于中国广东省江门市的一个沙滩上。该地区属于亚热带季风气候，年降水量为1500–2000毫米，主要集中在5月至9月。该沙滩受到不规则的半日潮影响。在我们的监测期间，涨潮的最大潮差为3.0米，退潮的最大潮差为1.2米。研究区域的潮间带可以分为两个坡度不同的区域。

**地下水波动**
内陆地区的地下水位相对较高，并逐渐向海洋方向降低，在潮间带随潮汐有显著波动（图1c）。C1点的地下水位随潮汐规律性波动，但相位略有滞后。从退潮到涨潮的周期中，地下水位波动幅度随着潮汐幅度的增加而增大。由于地下水流动速度慢于地表水（即水柱），因此在低潮期间地下水位保持较高。

**含水层中的DIN转化过程**
DIN的空间分布（图3），结合0–2米深度处的氧化条件（ORP > 0 mV）（图2b）以及NO3–和NH4+之间的强负相关（Pearson’s r = -0.6, p < 0.001），支持了浅层地下水中高浓度NO3–主要来源于NH4+氧化（即NTR）的假设。这一假设得到了沉积物培养实验结果的支持。在添加底物（133.3 μM NH4+ 和 NO3–）后，DIN的转化过程得到证实。

**意义与局限性**
本研究建立的系统框架将渗透性控制的氧化还原结构与潮汐调节的地下水停留时间相结合，为解释不同沿海环境中的DIN行为提供了可扩展的方法。这些发现的可转移性取决于沉积物内在性质与外部水文作用之间的具体相互作用。例如，在低渗透性环境中，有氧层的压缩通常会限制氧气供应。

**结论**
本研究揭示了潮汐力和含水层异质性的耦合效应控制着沙质潮间带含水层中DIN的转化和输出。我们的结果将这些系统从被动混合通道重新定义为受地质限制的动态生物地球化学反应器。在此框架下，内部海洋沉积物是地质生成的NH4+的持续来源，其分布和转化受氧化还原结构的控制。

**未引用的参考文献**
Altieri et al., 2021, Galloway et al., 2004, Gonneea and Charette, 2014, Jiao et al., 2010, Liu et al., 2018, Liu et al., 2018, Okin et al., 2011, Santos et al., 2009, Santos et al., 2009, Seitzinger et al., 2005, Slomp and Van Cappellen, 2004, Sugimoto et al., 2016, Xiao et al., 2019, Xiong et al., 2023.

**作者贡献声明**
程星：撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查、概念化。
张燕：撰写——审稿与编辑、调查。
齐宏凯：撰写——审稿与编辑、方法论、调查。
何丁：撰写——审稿与编辑、监督。
刘毅：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、方法论、调查、资金获取、概念化。

**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所述的工作。

**致谢**
本文所述工作得到了广东省项目（2023QN10H075）、中国香港特别行政区研究资助委员会（项目编号：AoE/P-601/23-N）以及CORE的支持。CORE是崂山实验室与香港科技大学之间的联合海洋研究中心。感谢季启兴教授、张淑玉、王浩然、张莉、庞宇、傅天、陈文超、庄俊毅、邓志云、李新科、顾超的帮助。