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.
