论文摘要
作为全球水和生源要素（如氮、磷、硅和碳）源项的重要组成部分,海底地下水排放（Submarine Groundwater Discharge,SGD）已经被认为是海岸带各生态系统陆海界面物质交换的重要途径之一。就已报道数据可知,不论是小尺度的河口、海湾和潟湖等还是大尺度的边缘海,SGD输送进入海洋的营养盐和碳等生源要素与沿岸河流输入和大气沉降的输入相当,甚至可能更高。目前有关地下河口SGD的研究主要是SGD携带物质通量的估算以及潜在环境效应的评估,大多集中在海湾、河口和陆架等生态系统,红树林、盐沼、沙质海滩和岩溶等生态系统的SGD研究相对较少。因此,本论文选取了红树林、盐沼、沙质海滩和岩溶等四种海岸带典型生态系统,对其SGD所携带的营养盐（溶解无机氮（DIN）、溶解无机磷（DIP）、溶解硅（DSi））和溶解碳（溶解无机碳（DIC）和溶解有机碳（DOC））等生源要素收支进行了评估。（1）红树林生态系统:茅尾海是我国典型的红树林海湾,同时也是中国最大的天然近江牡蛎采苗和养殖基地。基于222Rn质量平衡模型,估算得到茅尾海SGD携带的DIN、DIP和DSi通量分别为（6.5±10.2）×10–2,（1.0±2.1）×10–3和（6.4±7.4）×10–22 mol m–22 d–1,分别是茅尾海沿岸河流输送通量的1.9、0.9和3.6倍。茅尾海沿岸地下水中的N/P比（64）很高,大量的含有高N/P比的营养盐通过SGD进入茅尾海可能会超过环境自净能力,使得茅尾海营养盐组成发生变化,改变浮游植物群落结构,进而可能会影响茅尾海营养盐的生物地球化学循环和海洋生态环境。同样我们估算得到洪季SGD输入茅尾海的DIC和DOC通量分别为0.70±0.82和0.31±0.30 mol m-22 d-1,枯季分别为0.25±0.24和0.25±0.23 mol m-2d-1,洪季SGD携带的DIC和DOC通量分别是沿岸河流输入的11倍和2.1倍,枯季分别为沿岸河流输入的5.1倍和6.0倍。结合全球文献资料,发现全球红树林生态系统通过SGD输送的DIC和DOC占河流输送的29–48%,其在海岸带蓝碳收支评估中应该加以考虑。（2）盐沼生态系统:盐沼生态系统是碳的重要储库,也是海岸带蓝碳的重要组成之一。作为淤涨型滨海盐沼湿地,崇明东滩是研究碳、氮储量时空分布的典型区域。我们发现崇明东滩盐沼生态系统间隙水中NO3–和NH4+浓度分别为1.48±0.98和282±251μmol L–1,而其他生态系统（包括小尺度的海湾、潟湖、珊瑚礁和海草床以及较大尺度的河口、陆架和边缘海等生态系统）NO3–和NH4+浓度变化范围分别为45-1640μmol L–1(平均值:310μmol L–1)和0.89-38.1μmol L–1(平均值:8.8μmol L–1),崇明东滩盐沼生态系统间隙水中NO3–浓度远小于其他生态系统,而NH4+浓度远大于其他生态系统。此外,崇明东滩盐沼生态系统间隙水中NH4+、DSi和DIC浓度明显高于近岸海水,而NO2–、NO3–和DIP浓度低于近岸海水,尤其是NO3–浓度,因此,我们仅对间隙水交换的NH4+、DSi和DIC通量进行估算,这里间隙水交换输入近岸的NH4+通量可以近似等于DIN的通量。基于222Rn质量平衡模型,崇明东滩盐沼生态系统间隙水交换速率为37±35 cm d-1,进一步我们估算得到崇明东滩盐沼生态系统间隙水交换输入近岸的DIN、DSi和DIC通量分别为0.10、0.08和3.20 mol m–22 d–1,发现崇明东滩盐沼生态系统间隙水交换输入近岸的DIN和DSi通量介于除盐沼以外的其他生态系统SGD输入的DIN(0-0.68 mol m–22 d–1)和DSi(0-1.4 mol m–22 d–1)通量范围,并处于较低水平,而DIC通量明显高于除盐沼以外的其他生态系统SGD携带的DIC通量(0.13-2.0 mol m–22 d–1),表明盐沼生态系统通过间隙水交换的DIC等碳通量可能是海岸带蓝碳的重要输出。（3）沙质海滩生态系统:间隙水交换是向近海输送生源要素的重要途径,特别是在高渗透含水层中,如沙质海滩。沙质海滩是无冰海岸线的主要组成,其含水层具有很强的渗透性。基于222Rn对流扩散模型,我们估算了浙江嵊泗沙质海滩的间隙水交换速率为7.4–25.8（平均值:12.9±5.8）cm d-1,间隙水交换输送的DIN、DIP和DSi通量分别为（1.7±1.4）×10–2,（2.1±1.1）×10–4和（1.5±1.3）×10–22 mol m–22 d–1。嵊泗岛沙质海滩间隙水的Si/N比（0.92）和长江口沿岸地下水中的Si/N比（2.18）均明显高于长江口表层水体中的Si/N比（0.68）。此外,结合文献资料,SGD输入的营养盐是长江口营养盐的主要来源,这些具有较高Si/N比的间隙水（或地下水）通过SGD进入近岸水体可能会通过改变近岸水体中的浮游植物群落组成而影响近岸生态系统。通过比较全球范围内SGD输送的营养盐通量,这种间隙水交换或SGD输送的Si可以补偿由于人类活动（如大坝和水库的建设）而从河流源头减少的Si通量,因此我们认为通过间隙水交换或SGD输入的具有较高Si/N比的Si通量可能强烈影响邻近海域的Si收支和循环。该研究结果不仅有助于加深我们对生源要素循环过程的理解,也有助于理解相应的生态环境过程,如在人为活动背景下受河流影响的近岸水域有害藻华的发生。（4）岩溶生态系统:海蚀洞或者海底泉是地中海喀斯特海岸线的常见地貌,它可以将点源地下淡水和营养物质输送到近岸水域。我们首先用222Rn质量平衡模型分别对克罗地亚克尔卡河口受海蚀洞影响的一个典型岩溶生态系统（Zaton湾）上层水体和下层水体的SGD及其营养盐通量进行了量化,发现上层水体SGD及其营养盐通量远高于下层水体。对于上层水体,洪季SGD及其营养盐通量(SGD:0.29-0.40 m d-1;DIN:52 mmol m-22 d-1:DIP:0.27 mmol m-22 d-1)明显高于枯季(SGD:0.15 m d-1;DIN:22 mmol m-22 d-1;DIP:0.08 mmol m-22 d-1)。在Zaton湾,赤潮常发生在洪季,而在枯季则没有观测到。营养盐收支也表明SGD输送的DIN和DIP占到Zaton湾DIN和DIP来源的98%以上。这些具有高N/P比（190-320）的SGD携带的大量营养盐可能是触发并维持Zaton湾赤潮季节性爆发的主要因素。此外,将我们的新的结果与已有文献相结合,进一步估算了整个地中海喀斯特区域通过地下淡水输送进入地中海的营养盐通量。结果表明,地中海喀斯特区域通过地下淡水输入地中海的DIN和DIP通量分别占地中海沿岸河流输入的11-32%和1-6%。因此,本研究证明了地中海喀斯特区域通过海蚀洞等点源输入的地下淡水是地中海“新”营养盐的重要来源,其可能对寡营养盐结构的地中海生物地球化学循环产生重要影响。综上所述,本论文利用天然放射性核素222Rn示踪技术定量估算了海岸带典型红树林、盐沼、沙质海滩和岩溶生态系统的SGD或间隙水交换速率及其所携带的营养盐和碳等生源要素通量,进而评估了这些生态系统的营养盐和碳收支,结果表明,红树林和盐沼生态系统由于高固碳速率（能力）而表现出较高的碳输送,也就是说,相对于其他生态系统,SGD或者间隙水交换输入近岸的碳通量（如DIC和DOC等）对于红树林和盐沼生态系统更为显著,对海岸带蓝碳收支有着重要贡献。此外,SGD在这四种生态系统营养盐收支中有着不可忽视的贡献,同时也会对当地生态环境产生重要影响。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 陈小刚
导师: 杜金洲
关键词: 海底地下水排放,间隙水交换,氡同位素,海岸带典型生态系统,营养盐,源汇收支
来源: 华东师范大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑
专业: 海洋学,环境科学与资源利用
单位: 华东师范大学
基金: 国家自然科学基金委面上项目(项目编号:41576083,41376089),中国与克罗地亚科技合作委员会第 7 届例会项目(项目编号:7-12),广西科技重点研发计划项目(项目编号:2017AB43024),河口海岸学国家重点实验室开放基金(项目编号:SKLEC-KF201505),澳大利亚和克罗地亚访学期间得到国家留学基金管理委员会(资助编号,学号:201806140075),华东师范大学研究生出国(境)短期研修基金,河口海岸学国家重点实验室出国访学基金和澳大利亚研究理事会(Australian Research Council)项目(项目编号:FT170100327)
分类号: X171.1;P731.2
DOI: 10.27149/d.cnki.ghdsu.2019.000089
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