全球岸滩侵蚀情况如何？轻微电流就可以解决沙滩侵蚀？

沙滩作为海岸线的重要组成部分，海岸侵蚀问题日益严重，传统上，人们用防波堤或填沙补滩来保护海岸，但这些方法要么造价高昂，要么只能维持几年效果，有没有更持久、更环保的办法呢？最近，一项发表在Nature上的研究给出了一种新思路。

全球海滩现状

在过去，科学家研究海岸线变化主要依靠实地测量或航拍照片，但这种方法成本高、覆盖范围有限，难以用于全球尺度的分析。直到卫星影响使得海量卫星数据的处理成为可能。

2018年，由荷兰代尔夫特理工大学和三角洲研究所等完成的一项发表Nature上的研究，他们分析了1984年至2016年间超过190万张Landsat卫星图像，并结合机器学习算法，绘制了全球沙滩的侵蚀和淤积情况，对全球沙滩的分布和变化趋势进行了精确评估。

首先，研究团队利用Sentinel-2卫星的2016年全球影像，训练了一个分类回归树CART模型，通过光谱特征自动识别沙滩，这一方法的准确率可高达96%。识别出沙滩后，研究团队利用1984–2016年的Landsat影像，每年合成一张无云图像，再通过水体指数NDWI和边缘检测技术，精确提取海岸线位置，计算岸滩侵蚀情况。

为了验证方法的可靠性，他们对比了美国、荷兰和澳大利亚的实测数据，发现卫星测得的侵蚀速率与实地测量误差仅2.3米，完全可以用于长期趋势分析。

基于33年的数据，研究团队将沙滩变化分为6类：严重淤积（>0.5米/年）、稳定（-0.5–0.5米/年）、轻度侵蚀（-1.0–-0.5米/年）、强烈侵蚀（-3.0–-1.0米/年）、严重侵蚀（-5.0–-3.0米/年）、极端侵蚀（<-5.0米/年）。

研究结果发现，全球31%的无冰海岸线是沙滩，但其中有24%正在以每年超过0.5米的速度后退，而28%的沙滩则在淤积扩张，剩下的48%相对稳定。

全球范围内，海滩的慢性侵蚀（<-0.5 米/年）呈逐年递减趋势，纬度变化相对较小。一般而言，每纬度有30%至40%的沙滩正在遭受侵蚀，赤道以南地区侵蚀程度相对较高，最高可达50%，这与亚马逊河口附近大规模土地流失有关。

全球各地的侵蚀速度都较为严重。全球约有7%的沙滩的侵蚀速度被归类为严重侵蚀，4%的沙滩海岸线的侵蚀速度超过5米/年，属于极端侵蚀，甚至有2%的沙滩海岸线的侵蚀速度超过10米/年。另一方面，全球有28%的沙滩淤积强度大于0.5米/年，有8%的沙滩经历了显著的淤积，年淤积强度达到3米/年。

在全球范围内，过去三十年，全球海滩平均每年增生0.33米，即在此期间共增生了3663平方公里。从大陆角度来看，澳大利亚和非洲是唯一出现净侵蚀的大陆，分别为-0.20米/年和-0.07米/年的侵蚀速度；其他所有大陆均呈现净增生，增生率最大的大陆是亚洲，年增加强度为1.27米/年。

图：全球沙质海岸线分布🔽

世界海岸线上的彩色圆点代表当地沙质海岸线的百分比（黄色为沙地，深棕色为非沙地）。右侧子图显示了每纬度沙质海岸线的相对出现情况，其中虚线显示了 Hayes 报告的沙质海岸线的纬度分布。下方子图显示了每经度沙质海岸线的相对出现情况。主图中弯曲的虚线灰色线代表我们分析中考虑的无冰海岸线的边界。带下划线的百分比表示每个大陆平均沙质海岸线的百分比。

图：全球海滩侵蚀和淤积热点🔽

红色（绿色）圆圈表示四种相关海岸线动态分类的侵蚀（淤积）（见图例）。右侧和底部的条形图分别显示了每纬度和经度上侵蚀（淤积）沙质海岸线的相对发生率。主图中显示的数字代表每个大陆所有沙质海岸线的平均变化率。

电流“粘合”沙滩的新方法

这项新的方法来自自然界珊瑚的启示，珊瑚礁是海洋中最坚固的“天然防波堤”，它们通过代谢海水中的钙离子和碳酸氢根，在体内沉淀出坚硬的骨骼。那能否用人工方法，直接在沙滩的砂粒之间沉淀类似的矿物，让松散的砂子变得坚固呢？

这项技术的关键在于电沉积技术，它是指通过电流触发海水中的化学反应，生成矿物沉淀的过程。具体过程原理如下：

在阴极施加电压，海水中的水分子或氧气被还原，产生氢氧根离子OH⁻，使局部海水变碱，pH上升，当电压为2.0V时，主要发生氧还原反应，当电压为4.0 V时，水直接被分解。

O₂ + 2H₂O + 2e⁻ → H₂O₂ + 2OH⁻（氧还原反应）

2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻（分解反应）

OH⁻可以与海水中的镁离子Mg²⁺结合，生成氢氧化镁Mg(OH)₂，也可以让海水中的碳酸氢根HCO₃⁻转化为碳酸根CO₃²⁻，进而与钙离子Ca²⁺结合，生成碳酸钙CaCO₃。这些矿物在砂粒之间的孔隙中生长，像“水泥”一样把砂子粘在一起。

研究实验了2.0 V、3.0 V、4.0 V三种电压，2.0 V低压时，主要生成碳酸钙CaCO₃，占比>60%，矿物沉淀较松散，胶结效果一般。当为4.0 V高压时，生成的氢氧化镁Mg(OH)₂占主导，占比超70%，而碳酸钙则减少，此时由于产生氢气泡的推动，矿物能深入砂层，影响范围可达电极直径的20倍。

当然，仍在实验室阶段，但它展现了电化学在环境工程中的巨大潜力，为解决岸滩侵蚀问题研究提供了一种全新的思路。

❓思考题：科学家用什么方法让松散的沙滩砂子变坚固？

A.浇灌普通水泥
B.用电流刺激海水生成矿物胶结砂子
C.埋入塑料网格
D.喷洒胶水

参考文献：Landivar Macias, A., Jacobsen, S.D. & Rotta Loria, A.F. Electrodeposition of calcareous cement from seawater in marine silica sands. Commun Earth Environ, 2024 DOI: 10.1038/s43247-024-01604-3