滨海含水层位于海-陆交界带中心，是海水与地下水及各种海陆源物质汇集并相互作用的场所。海水-地下水相互作用不但复杂，而且及其重要。其复杂性表现在受到众多非线性因素共同影响；其重要性表现在海滩污染的治理修复、湿地植被生长空间分布和陆源物质向海输送等过程。因此，受到海洋与陆地双重因素的影响，滨海含水层成为地球上物质与能量交换最频繁的地区之一。我院王学静副教授团队围绕海岸带地表水-地下水相互作用开展了长期研究，近期取得如下新进展。
（1）海水-地下水相互作用控制滨海砂质含水层中微量金属分带
海水-地下水相互作用改变含水层中发生的（生物）地球化学过程，进而影响地下水中的物质组成与含量及其向海排泄通量。微量金属元素虽然只占地下水化学组成的非常小一部分，但其中相当一部分具有毒理属性，并且随地下水向海排泄后对近岸海洋环境产生影响。为研究滨海含水层中微量金属的时空分布规律，本研究在广东省阳江市海岸建立了地下水分层监测系统（图1），对滨海砂质含水层地下水中金属元素（砷、钡、铬、镉、铁、锰、铅、锌）的时空分布特征及影响因素进行了探究。
图1. (a) 研究区位置，(b) 监测剖面位置图，(c) 监测剖面设置与采样点分布
研究结果显示，砂质含水层地下水中微量金属的分布具有明显的分带性（图2）：淡水带（freshwater zone）、淡水-咸水过渡带（freshwater-seawater transition zone）、潮汐驱动的咸水带（tide-driven saline water zone）以及密度驱动的咸水循环带（density-driven saline circulation zone）。淡水带中地下水的微量金属含量通常较低。在淡水-咸水过渡带中，受到盐度、pH及氧化还原梯度的影响，微量金属含量发生变化，这一区域内形成铁、锰、砷、钡含量的热点。由铁锰氢氧化物沉淀组成的“铁幕（Iron curtain）”深刻影响着淡水-咸水过渡带中微量金属的含量。在潮汐的驱动下，潮间带上部形成一个海水循环区域，这里称为潮汐驱动的咸水带。这一区域内微量金属的含量更易受到海洋环境及人类活动的影响，因而富集铬、锌等微量金属元素。由于海水与淡水密度的差异，在含水层底部发生循环海底地下水排泄过程，发生这一过程的区域称为密度驱动的咸水循环带，其中微量金属的含量往往高于周围区域。淡水-咸水过渡带显示出较高的生态风险，是生态环境研究中值得关注的区域。
图2. 沿海砂质含水层微量金属分带示意图. 其中Zone 1-4分别表示淡水带、淡水-咸水过渡带、潮汐驱动的咸水带以及密度驱动的咸水循环带，RSGD表示循环海底地下水排泄过程
与河流和养殖废水排放相比，海底地下水排泄携带的微量金属元素通量常常与之相当，甚至一些微量金属（如铁、锰、砷）通量超过二者，达到进入海湾总通量的一半以上（图3）。
图3 海底地下水排泄、废水排放及河流携带的微量金属通量
本研首次提出滨海含水层中微量金属的分布存在分带性的观点，强调海水-地下水相互作用对于滨海砂质含水层中微量金属循环的重要性，为海岸带水环境管理了提供科学依据。砂质含水层在全球广泛分布，本研究为进一步研究滨海砂质含水层中微量金属的迁移转化规律提供了参考。
该成果以“Seawater-Groundwater Interaction Governs Trace Metal Zonation in a Coastal Sandy Aquifer”为题在水文水资源领域国际顶级期刊《Water Resources Research》上发表。天津大学地球系统科学学院王学静副教授为论文通讯作者，中国地质大学（北京）博士生王贞岩为论文第一作者，合作者包括南方科技大学汪迁迁研究助理教授、李海龙讲席教授、郑春苗讲席教授，夏威夷大学马诺阿分校耿晓龙副教授等。
（2）地下水排泄和孔隙水交换是河口溶解碳的重要来源
地下淡水排泄和孔隙水交换是两种不同的海底地下水排泄动力机制，然而这两者对河口溶解碳输出贡献几乎没有报道。本研究基于稳定性和放射性同位素（2H、18O、222Rn、224Ra、228Th）示踪，量化了热带河口（广东阳江漠阳江）的陆源地下淡水排泄、孔隙水交换及其携带的溶解碳通量。通过δ18O构建的三端元混合模型，量化了河口处陆源地下淡水排泄通量为（3.2±0.2）×106 m3 d-1。基于224Ra/228Th不平衡法（图4），量化了河口处孔隙水交换量为11.3±0.14 cm d-1。
图4. 河口沉积物中总224Ra和228Th (a) 及224Ra/228Th (b) 的深度剖面图
陆源地下淡水排泄携带的溶解有机碳（DOC）和溶解无机碳（DIC）通量分别为（1.19±0.10）×107和（3.23±0.25）×105 mol d-1，扩展到整个河口尺度上孔隙水交换携带的DIC和DOC通量分别为（1.56±0.21）×105和（2.12±0.29）×105 mol d-1（图5）。陆源地下淡水排泄携带的DIC通量比孔隙水交换输出的DIC通量大两个数量级，是河流输出的DIC通量的三倍。陆源地下淡水排泄可以认为是DIC输出的重要贡献者，而孔隙水交换在DOC输出方面也发挥了重要作用。总的来说，这两种路径都向海洋输送了大量溶解碳，在陆地-海洋界面向海洋输送陆源碳方面发挥了重要作用。
图5. 陆源地下淡水排泄、孔隙水交换及河流携带的DIC及DOC通量
该成果以“Tracing terrestrial groundwater discharge and porewater exchange derived dissolved carbon export in a tropical estuary using multiple isotopes”为题在水文水资源领域国际顶级期刊《Journal of Hydrology》上发表。天津大学地球系统科学学院王学静副教授和南方科技大学李海龙讲席教授为论文通讯作者，南方科技大学汪迁迁研究助理教授为第一作者，合作者包括厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室蔡平河教授，华东师范大学河口海洋学国家重点实验室江山研究员等。
上述研究工作受到国家自然科学基金重大项目（41890852）、面上项目（42077173）、重点项目（42130703）等资助。
论文信息：
Zhenyan Wang, Qianqian Wang, Yifan Guo, Shengchao Yu, Kai Xiao, Yan Zhang, Hailong Li, Chunmiao Zheng, Xiaolong Geng, Xiaolang Zhang, Huijie Li, Xuejing Wang*. Seawater–Groundwater Interaction Governs Trace Metal Zonation in a Coastal Sandy Aquifer. Water Resources Research. 2023, 59(9), WR032828. https://doi.org/10.1029/2022WR032828
Qianqian Wang, Gang Tang, Shan Jiang, Xuejing Wang*, Kai Xiao, Shengchao Yu, Pinghe Cai, Xingxing Kuang, Hailong Li*. Tracing terrestrial groundwater discharge and porewater exchange derived dissolved carbon export in a tropical estuary using multiple isotopes, Journal of Hydrology. 2023, 622, 129648. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.129648
