“条条江河通大海”，我们在小学或者初中的时候就了解到河流终归大海。然而，陆源物质进入海洋除了河流还有一个非常重要的途径——“海底地下水排放（SGD：Submarine Groundwater Discharge）”。SGD具有“隐蔽性”，并且很难量化，因此，在近海营养盐收支中常常被忽视。

近日，由来自瑞典、中国、澳大利亚、美国、德国、西班牙、韩国和日本等国家的14位SGD科学工作者共同合作，在《自然综述：地球与环境》（Nature Reviews Earth & Environment）杂志在线发表了题为《海底地下水排放对海岸带营养盐生物地球化学的影响》（Submarine groundwater discharge impacts on coastal nutrient biogeochemistry）的综述文章，这项研究的国际合作团队包括了西湖大学生态环境研究实验室（Eco-Environmental Research Laboratory）的陈小刚博士和李凌教授。

通过对全球200多个沿海区域SGD输送营养盐进行研究，发现这些区域SGD速率的中位数为6.5 cm d^–1，SGD输送的溶解无机氮（DIN）、溶解无机磷（DIP）和溶解硅（DSi）的通量（中位数）分别为6.0、0.10和7.8 mmol m^–2 d^–1。单位面积SGD输送的营养盐通量随着生态系统空间尺度的增加而降低，例如，陆架和边缘海SGD输送的营养盐通量显著低于河口、海湾和红树林等海岸带生态系统。

根据不同温度带划分，全球SGD营养盐的研究在热带、亚热带和温带地区的占比分别为27%、30%和32%，极地地区的研究仍然是一个缺口。从七大洲角度来看，亚洲有关SGD营养盐的研究占38%，其次是北美洲（33%）、欧洲（16%）和大洋洲（11%，主要是澳大利亚），南美洲和非洲只有极个别报道。因此，在南美洲、非洲以及高纬度典型区域或生态系统进行相关研究显然是非常有必要的。

图1. 全球不同生态系统SGD速率分布

图2. 基于不同空间尺度和不同生态系统的SGD营养盐通量

不论是砂质、淤泥质还是基岩海岸，SGD都是普遍存在的。砂质海岸通常由高渗透性沉积物组成，有效地将含水层与近岸水体连接在一起，其铵盐和溶解有机氮的浓度高于硝酸盐。淤泥质海岸通常有大量螃蟹洞（如盐沼、红树林），螃蟹活动显著促进了有氧矿化、硝酸盐还原以及地表水-地下水交换。基岩海岸SGD往往以淡水为主，相对于铵盐和溶解有机氮，硝酸盐浓度相对较高。

图3. 不同沿岸含水层（砂质、淤泥质和基岩）氮循环过程

河流通常被认为是沿海水域的主要营养盐来源，因此，SGD与河流进行比较为评估SGD的重要性提供了一个很好的参考。通过对全球200多个沿海区域SGD输送营养盐进行研究，发现其中约60%的区域SGD输送的营养盐超过了当地河流的贡献，并且有76%的区域氮磷比值（N/P）显著高于浮游植物生长需要，这些高N/P比值营养盐的大量输入改变了近海水体的营养盐结构，对海洋生态环境有着重要影响。

图4. 全球SGD和河流输送营养盐比较

图5. SGD与河流的营养盐限制和形态

该研究指出，对于不同的研究区域，SGD携带的营养盐可能是近岸生态系统的福音，也可能是祸根。比如，研究发现，SGD中的高N/P比的营养盐是中国茅尾海牡蛎养殖最重要的来源，合理的牡蛎养殖可以减轻茅尾海水体富营养化的负担（Chen et al., 2018）；也有研究发现，SGD是克罗地亚Zaton海湾赤潮季节性爆发的主要营养盐来源（Chen et al., 2020）。因此，要制定有效的海岸带地下水管理制度，就必须正确认识SGD对生态、社会和经济的综合影响。

图6. SGD的生物环境影响

日益加剧的人类活动和气候变化是关乎人类生存和发展的重大问题，是21世纪人类面临的最严峻的挑战之一。基于此，该研究最后提出8项SGD研究领域的挑战性科学难题，比如气候变化、海平面上升和土地利用等因素如何驱动地下河口生物地球化学循环过程等。

针对文章最后提出的科学难题，李凌教授团队已经开始着手进行研究工作。2020年，团队已经对黄海沿岸进行了2次野外系统观测，并且正在计划建立长期野外观测和实验站，结合室内实验、数值模拟和理论分析来推进对陆海相互作用以及全球水循环、生物地球化学循环的新认识，为有效解决海岸带生态环境问题（如赤潮爆发、海洋酸化等）提供科学依据和新思路。

图7. 盐城盐沼（互花米草）潮沟系统大量“涌泉”促进了盐沼和近海的物质交换

（2020年团队野外系统观测时拍摄）

图8. 穿过潮沟搬运采集到的地下水样品到船上

（2020年团队野外系统观测时拍摄）

参考文献：

Chen, X., Lao, Y., Wang, J., Du, J., Liang, M., & Yang, B. (2018). Submarine groundwater‐borne nutrients in a tropical bay (Maowei Sea, China) and their impacts on the oyster aquaculture. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 19(3), 932-951. https://doi.org/10.1002/2017GC007330

Chen, X., Cukrov, N., Santos, I. R., Rodellas, V., Cukrov, N., & Du, J. (2020). Karstic submarine groundwater discharge into the Mediterranean: Radon-based nutrient fluxes in an anchialine cave and a basin-wide upscaling. Geochimica et Cosmochimica Acta, 268, 467-484. https://doi.org/10.1016/j.gca.2019.08.019

Santos, I. R., Chen, X., Lecher, A. L., Sawyer, A. H., Moosdorf, N., Rodellas, V., Tamborski, J., Cho, H. M., Dimova, N., Sugimoto, R., Bonaglia, S., Li, H., Hajati, M. C., & Li, L. (2021). Submarine groundwater discharge impacts on coastal nutrient biogeochemistry. Nature Reviews Earth & Environment. 1-17. https://www.nature.com/articles/s43017-021-00152-0