南方科技大学
近日，《自然》子刊《自然评论地球与环境》（Nature Reviews Earth & Environment）发表论文“Submarine groundwater discharge impacts on coastal nutrient biogeochemistry”（海底地下水排泄对沿海营养物质生物地球化学的影响），回顾了全球海底地下水排泄（SGD）的研究进展，阐释了SGD潜在的生态环境效应，探讨了SGD对海洋及生物资源管理的影响。
该研究由来自瑞典哥德堡大学、南方科技大学、莱布尼茨热带海洋研究中心、西湖大学等13家水资源与环境领域国际顶尖团队合作完成。我校环境科学与工程学院教授李海龙为该论文共同作者。
海洋中营养物质的来源评估通常只考虑可见的来源，如地表河流、大气沉降、养殖以及点源排放等，但营养物质也会通过SGD进入海洋。然而由于SGD的隐蔽性以及难以监测和定量评估，在海洋水质管理中这一因素经常被忽略。因此，准确量化SGD携带的营养物质通量具有重大挑战，需要综合海洋学、水文学和生物地球化学等多学科技术手段才能实现。该研究通过调查包括我国大部分海域在内的全球200多个地点的地下水营养物质排放情况（图1），得出了几乎是惊人的结果，在大部分沿海地区(~ 60%)，SGD携带的营养物质入海超过河流输入（图2）。研究表明，全球地下水每年向海洋排放约1.4亿吨硅、4000万吨氮和900万吨磷。因此，SGD是海洋中营养物质一个非常重要的来源，在区域和全球尺度上SGD都是滨海生态系统功能和脆弱性的重要组成部分。
图1. 不同区域尺度SGD速率：(a) 全球尺度，(b) 美国夏威夷，(c) 地中海，(d) 美国东海岸，(e) 东亚，(f) 澳大利亚东部海岸
图2. 河流和SGD向海输入的营养物质。(a) 全球尺度评估结果，(b) 全球研究案例中SGD与河流营养物质通量比值
SGD由陆源淡水和循环海水（即从海中进入含水层后又流回到海洋中的海水）两部分组成。它是滨海含水层和海洋之间看不见的水文联系。除了向海洋或其他沿海系统(泻湖、湿地)提供淡水外，SGD也是这些生态系统营养物质的重要来源。因此，SGD在这些生态系统的维持以及这些生态系统经济和服务功能方面发挥着关键作用。许多湖泊和河流都与地下含水层相连，这种高度的连通性促使各国和欧洲立法保护这些依赖地下水的生态系统。该项研究表明，沿海海洋也与含水层高度相连，对沿海地下水的任何人为影响，例如抽水、施肥或城市污水渗入含水层，都会影响营养物质向海洋的排泄通量。所以，我们在管控沿海水质时，需要考虑地下含水层。例如，哥德堡大学的海洋化学家、论文的合著者Stefano Bonaglia讲述到波罗的海和其他许多沿海地区几十年来一直遭受着氮污染。
SGD对海洋生态环境是一把双刃剑，它对滨海生态系统可能是“福”，它可以提高海洋初级生产力、鱼类生产或珊瑚钙化，例如，澳大利亚的“旺奇洞”（英文Wonky Holes，指喀斯特地区海岸带地下淡水通过地下河在离岸很远的海里形成的泉眼）富含营养的地下水是鲈鱼等鱼类的热点地区，因此对渔业和旅游业非常重要。珊瑚礁可以吸收溶解在地下水中的碳酸盐促进珊瑚钙化和生长。另一方面，SGD对滨海生态系统也可能是“祸”，会加剧沿海水域富营养化、酸化、藻华或缺氧等（图3）。例如，在夏威夷海岸附近就可以看到这种营养物质的负面影响，因此美国最高法院最近立法裁定，必须更好地保护地下水，以保护沿海海洋免受伤害。
图3. SGD的生态环境效应。
正确理解通过SGD将人为产生的营养物质排放到海洋的过程对于沿海水域的管理至关重要。研究人员认为，由于SGD的隐蔽性及其通量的高度的时空变异性，决策者面临两种相反的风险：或忽视潜在的重要污染源，或在潜在的小污染源上浪费人财物力资源。此外，由于SGD在生态、经济和社会环境中的作用没有得到适当的约束限制，管理战略和政策无法发挥有效作用。论文作者强调管理地下水向海的排放是具有挑战性的，可能需要未来几十年的工作。
气候和土地利用变化将改变全球用水模式，进而导致海平面上升，迫使更多的海水渗入沿海含水层，并改变地下水的化学成分和通量。因此，这些变化将改变SGD携带的营养物入海通量，但与日俱增的人类活动如何影响SGD及其携带物质入海输入，目前还不清楚，亟待进一步研究。此外，SGD相对于河流来说流动缓慢，当前的污染物和营养物流动反映的是很久以前的过去的输入，而管理办法必须为未来几十年不断增加的污染负荷做好准备。总之，正确理解和掌握SGD在生态和社会经济环境中的作用，是制定有效的近岸海洋生态环境管控策略和政策的必要条件。
该研究得到了国家自然科学基金资助。
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