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GCA:砂质海岸地下水-海水相互作用增强了CO2向大气排放

2024-04-10

砂质海岸分布广泛,占全球无冰海岸线三分之一以上。传统观点认为,砂质海岸是生物地球化学反应的“沙漠地带”。潮汐驱动下周期性的海水-地下水交换是最重要的水文过程,尤其在高渗透性的砂质海滩,地下水-海水的快速混合交换,不仅控制地下水动力场分布,还影响地下水中物质的浓度、分布及迁移转化过程。然而,砂质海岸地下水碳的生物地球化学过程与碳通量的研究仍显不足。针对上述问题,我院王学静副教授与国内外研究者合作,以我国南海北部一典型砂质海岸为研究区,建立了地下水高精度监测与取样系统,通过对地下水长期监测与取样测试分析,揭示了潮汐驱动下砂质海岸地下水溶解碳的分布、影响因素及来源,量化了海底地下水排泄(SGD)驱动的CO2排放量。

研究结果表明,在陆源淡水区,水化学类型为HCO3-Ca-Mg型,溶解无机碳(DIC)和碱度(TA)主要来源于碳酸盐矿物溶解;在咸淡水混合带,地下水为Cl-Na型,DIC和TA产生了非保守添加,有氧呼吸、厌氧反应和混合作用是控制DIC和TA分布和动态的关键因素(图1)。高渗透性的砂质海岸有利于地下水CO2与大气间的垂向交换。通过沉积物-气界面的原位测量和间接评估,发现潮汐泵驱动砂滩地下水CO2通过沉积物-气界面脱气,脱气量约为研究区海-气界面CO2逸散量的22倍。虽然垂向(沉积物-气界面)脱气量普遍低于红树林等生态系统,但砂质海滩分布广泛,对大气的CO2贡献不容忽视。

横向上,地下水向海排泄携带碳、氮、磷等营养物质进入到邻近海域。一方面,SGD输入的溶解有机碳(DOC)矿化间接增加了海水CO2浓度,削弱海洋对大气CO2缓冲能力。另一方面,SGD输入的大量氮磷等营养物质促进了沿海水域的净初级生产,消耗了大气CO2。本研究考虑SGD输入的碳、氮、磷的耦合效应,发现SGD产生了净CO2通量,占海-气界面CO2脱气量的45%,是大气CO2重要的源(图2)。

SGD是水循环的重要组成部分,显著影响陆海过渡带碳循环和关键界面的CO2交换。本研究通过对砂质海岸地下水溶解碳的研究,取得了新的认识,即SGD直接通过潮间带沉积物-气界面、间接通过海-气界面脱气,是大气CO2的重要贡献者。全球气候变暖与气温升高将加剧有机碳分解和CO2的产生,地下水CO2分压也将持续增加。SGD作为大气CO2的重要来源需引起更多的关注。本研究揭示了SGD在温室气体排放中的作用,对正确评估海洋碳收支具有重要意义。

图1. 砂质海岸地下水不同形态碳及碳同位素的分布

图2. 砂质海岸地下水溶解碳的动态及与大气和邻近水体CO2交换概念图

        该成果以“Dissolved carbon dynamics and exchange in a high permeability beach aquifer”为题在国际著名地学期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上发表。本研究工作受到国家自然科学基金(42007170,42293262,42077173)等资助。

   文章信息:Zhang, Y., Guo, Y., Wang, J., Maher, D.T., Geng, X., Wang, Q., Xiao, K., Ding, H., Li, H., Zheng, C., Wang, Z. and Wang, X.*, 2024. Dissolved carbon dynamics and exchange in a high permeability beach aquifer. Geochimica et Cosmochimica Acta, 368: 64-75. https://doi.org/10.1016/j.gca.2024.01.014.




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