14个国家40个沿海河口生态系统，揭示地下水对碳排放的影响
海底地下水包括淡水地下水输送和潮汐活动导致的海水在海洋沉积物中再循环2个部分组成，它们随着潮起潮落，携带大量物质进入海洋，我们以为的海底地下水量很少，但实际上很大，约是地表河流的3-4倍，那么这么大的地下水排放量对海洋环境、碳循环又有什么样的影响呢？
陆地到海洋碳循环回路
全球碳循环是一个大的陆域和海洋的循环，长期以来，陆地到海洋的碳输送过程被忽略或者简化，为了探究陆地吸收的碳有多少通过水体进入海洋环境，研究团队通过质量守恒原理，计算了陆地→河流→河口→海洋的碳通量。
研究揭示了陆地到海洋的一条碳循环路线，碳从陆地生态系统出发，经过河流、湿地、河口、大陆架，最后抵达深海，这条陆地-海洋连续水体每年默默运送着海量碳元素，经计算，陆域约2.95±0.55亿吨碳/年会通过河流、地下水进入内陆水体，其中80%在运输途中以CO₂形式返回大气，剩余的20%约0.85±0.20亿吨碳/年能最终抵达海洋。
这个过程可以简化为3段，第一段陆地到内陆水体的短途循环，第二段河口或海岸带的中转站处理，第三段大陆架到海域的长途循环。
在陆地到内陆水体的短途碳循环，雨水冲刷土壤有机质、岩石风化产生的溶解碳等，会增加内陆河流中的溶解有机碳，溶解有机碳又经微生物分解，释放CO₂到空气中。由于人类活动如农业施肥、毁林增加土壤侵蚀等问题，造成了这段内陆碳运输量增加了6±4亿吨碳/年，相当于多增加了额外的60%碳排放。
内陆河流会流经河口，经过红树林、盐沼、海草床等重要的蓝碳生态系统，虽然这些蓝碳生态系统仅占海洋的0.2%，却贡献了海洋沉积物碳埋藏的 50%。在工业革命前，红树林、盐沼、海草床等蓝碳生态系统每年固定0.20±0.15亿吨碳/年，但人类活动已使其碳吸收能力下降 25-50%。而在海域，每年会释放0.65±0.30亿吨碳/年来自陆域输入的碳。
在工业革命前，由于陆域向海域每年输送0.85±0.20亿吨碳，而海洋排放量为0.65±0.30亿吨碳自陆域输入的碳，输入大于输出，导致此陆域多出的碳会溢出。由于工业革命等影响，大气CO₂浓度从280ppm升至420ppm，这个“碳回流”被部分抵消，海洋被迫吸收更多CO₂。
图：量化工业革命前化碳预算的方法🔽
a，根据“河流管道”模型23。b，根据海洋的经向碳运输24。c，根据本研究中的陆地-海洋水生连续体（简称：LOAC）碳循环模型。LOAC循环模型明确考虑了传统全球碳预算中忽略的LOAC部分。它将“陆地分为“陆生生态系统”和“内陆水域”，并增加了“河口和潮汐湿地和“大陆架水域”被忽视的贡献。
河口碳排放情况
河口是河流与海洋交汇的地方，比如长江口、珠江口等，由于淡水与海水在此混合，河口的盐度、水流和生物活动都非常活跃，这些特点让河口可以吸收、储存、释放大量的碳，影响全球气候变化。
在调查的62个河口中，有61个河口都是在向大气释放CO₂，排放量最高的是热带红树林河口，每年每平方米可释放56.5molCO₂。为什么河口基本都会释放CO₂呢？那是因为河口的“净异养性”，它们消耗的有机物比自身生产的还要多，剩下的就会以CO₂形式排出来。
除了CO₂，河口还会释放甲烷，沉积物中的微生物在缺氧环境下，会分解分解有机物产生甲烷。此外，红树林等植物根系会促进CH₄生成，并通过茎叶排放到空气中。淡水河口及低盐度河口与高盐度河口的排放量还不同，淡水河口的甲烷排放通常高于咸水河口，通常在落潮时候释放到大气中。
图：淡水和低盐地区河口🔽
图：高盐度区域🔽
河口到底是“碳源”还是“碳汇”？
看到上面的研究，有朋友就会有疑问了，河口都是碳源？不是还有红树林吗？红树林等河口蓝碳系统肯多功能会吸收二氧化碳的啊。如果你也有这个疑惑，那么恭喜你，你是认真在看了~~~🧐，上述的研究进考虑河口沉积物和水体的碳排放，没有综合考虑河口植被的影响。
那到底海岸植被和河口系统对温室气体的有什么影响呢？一项由耶鲁大学Judith A. Rosentreter领衔的国际团队在《自然·气候变化》发表的研究，探讨了河口和植被整体的海岸带到底是碳源还是碳汇的问题。
研究团队收集了1975-2020年间全球738个站点的观测数据，使用涡度协方差技术测量海岸植被与大气间CO₂的长期净交换，CH₄和N₂O综合水-气、沉积物-气、植物-气等多种界面的通量数据。
研究将全球海岸带分为10个区域（基于RECCAP2项目划分），并将生态系统分为三类河口（潮汐系统/三角洲、潟湖、峡湾）和三类海岸植被（红树林、盐沼、海草床）。通过非参数bootstrap统计方法，结合最新发布的全球生态系统面积数据，计算出各地区和各类型生态系统的温室气体通量。
研究发现，河口和沿海植被整体作为海洋的碳汇。海岸植被每年吸收6.01亿吨CO₂，而河口释放1.11亿吨CO₂，同时，红树林等植物根系释放的CH₄和N₂O会抵消10-20%的CO₂吸收效应，综合效应显示，海岸带每年净吸收3.89-4.43亿吨CO₂。
海洋碳汇3大热点区域，分别为东南亚、北美和非洲。东南亚作为全球最大的净碳汇区，年净吸收1.56亿吨CO₂，主要得益于广阔的红树林和海草床；北美作为第二大碳汇，年净吸收1.27亿吨CO₂，拥有大量峡湾，这也是意外发现峡湾实际上是CO₂的净吸收者。非洲作为第三大碳汇，年净吸收0.93亿吨CO₂。
图：陆地到海洋水生连续体(LOAC)的河口和沿海植被温室气体通量🔽
a)LOAC碳循环模型改编自Regnier等人6。绿色循环将陆地生态系统与开阔海洋连接起来。两个较短的循环将陆地生态系统与内陆水域(灰色)和沿海植被、河口和大陆架与开阔海洋(蓝色)连接起来。Faw表示潮汐湿地(盐沼和红树林)和潜流植被的CO2吸收，FEA表示河口排气。b)使用全球变暖潜势(GWP)计算沿海植被和河口地区20年和100年的全球中值【Q1/Q3】CO 2当量GHG通量。在这里，我们把海草包括在沿海植被通量(FAw)中，而在Regnier等人6中，海草和大型藻类作为淹没植被与潮间带涌现的红树林和盐沼泽分开。单位为每年二氧化碳排放量(CO2e)。
全球地下水排放量及其对海洋的影响
随着氡和镭同位素技术的发展，可以确定地下水排放量和路径。韩国首尔国立大学Guebuem Kim 教授团队，首次定量估算全球尺度地下水排放量，发现地下水排放流量比河流流量还要大。研究通过收集全球50 多个站点镭-228 观测数据，用海洋环流模型模拟镭-228 如何从海岸扩散到深海，减去已知来源如河流输入等的贡献，剩下的就是地下水排放带来的镭-228，进而估算全球地下水排放量。
研究发现，全球每年地下水排放量约12 万亿立方米，而河流输入量约3.5万亿立方米，是其3-4倍。地下水排放的空间分布并不均匀，70% 流向印度洋和太平洋，而大西洋仅占约30%。在组成上，90%以上的地下水排放都是海水，只有不到10%（0.01~10%）的淡水。
地下水从陆地渗入海底时，会携带大量溶解有机物等物质，这些物质进入海水后会与氧气发生化学反应，2024年《Nature》上的一项研究，通过对6个典型沿海系统，通过通过电子转移模型量化H₂S、NH₄⁺、DOC等消耗电子情况，量化了地下水排放在低潮或分层水域可导致溶解氧下降71–450μmol/L，低潮时，时潜在DO消耗达450 μmol/L，接近缺氧阈值，但由于与大气、风力等作用，缓解了这一现象。
一项究汇总了全球239个案例的研究中，在约 60% 的研地点，地下水排放的溶解无机氮通量超过河流输入量。全球地下水排放中位数溶解无机氮为6.0mmol/m2/天、溶解无机磷为0.1 mmol/m2/天和溶解硅酸盐为6.5mmol/m2/天。
淡水地下水排放携带陆源污染物如硝酸盐，而咸水地下水排放的氮以NH₄⁺和溶解有机氮为主，主要释放沉积物中再循环的营养盐。在75%的研究站点中，地下水排放的N:P比值超过Redfield比值16:1，最高达到12100:1，高N:P比可能促进硅藻生长，但过量氮也会引发有害藻华。
图：镭-228在全球海洋(南纬60°至北纬70°)的分布🔽
选择两个代表模型深度(18米和187米)来显示表面和温跃层内的分布。左侧面板上用点表示观测值。观测值取自土50米深度范围。右侧面板上用颜色阴影表示模拟的228Ra浓度。单位是原子米，转换系数为1dpm=4.36×10^6原子。请注意，颜色标度是以2为底的对数标度(即logz[228Ra])，以增加视觉效果。
地下水对沿海生态系统二氧化碳的影响
传统观点认为，陆域河流输入和海洋生物的呼吸作用是沿海CO₂的主要来源，而海底地下水的作用长期以来被忽视，为了探究全球沿海生态系统中地下水释放CO₂的机制及其对碳循环的影响，研究团队在14个国家的40个沿海站点，监测站点涵盖红树林、盐沼、潮滩、珊瑚礁等典型生他系统，探讨了地下水对沿海生态系统二氧化碳的影响。
监测结果发现，所有沿海生态系统层水CO₂普遍饱和，Pco₂均超大气水平17倍。潮汐河流、盐沼和红树林区域尤为严重，潮汐河流CO₂饱和程度超1900%，盐沼CO₂饱和程度超580%，红树林区域CO₂饱和程度超450%。而珊瑚礁和海草草甸的饱和程度相对较低，约为 110%
而沿海地下水携带的CO₂浓度，Pco₂比地表海水高出35倍，在运河和河口等地方甚至高出90倍！而红树林、盐沼及珊瑚礁等生态系统，富集程度中等，下水Pco₂比地表水高约25 倍。
通过测量地下水氡的稳定同位素²²²Rn浓度（地下水示踪剂）和CO₂浓度，发现²²²Rn与Pco₂显著正相关，氡越多，CO₂也越多，表明地下水与CO₂浓度显著相关。在在红树林、盐沼、潮滩、河口和运河这些地方，潮汐对CO₂的调控扮演者重要角色，涨潮时，海水被压入地下，退潮时，富含CO₂的地下水被挤出，这些区域源源不断地向海洋输送CO₂。
之前的研究得认为CO 2受生物活动的强烈控制，这项研究涵盖了多个潮汐时间尺度，发现潮汐驱动的地下水排放也是近岸水域CO2动态的主要驱动因素。
通过计算，全球平均地下水排放CO₂通量约为148 ± 226mmol/m²/day¹，潮汐河流最高。全球平均水-气CO₂通量约80 ± 133mmol/m²/day¹，潮汐河流和盐沼的水-气CO₂通量最高。
这想研究首次在多类生态系统中证实地下水排放是CO₂的关键来源，揭示了这些区域潮汐泵吸是CO₂动态的主控因素，而非生物活动主导。
图：地下水排放SGD得出的和水-空气 CO 2通量汇总（单位：mmol/m2/day）🔽
不同生态系统类型的SGD 衍生 CO 2 通量和水-空气 CO 2通量的平均值（中位数） 。棕色圆圈表示地表水接收的SGD 衍生 CO 2通量。蓝色圆圈表示水-空气 CO 2通量。箭头表示 SGD 衍生 CO 2通量（底部）和水-空气 CO 2通量（顶部）。圆圈和箭头大小定性表示通量的值。
❓思考题：潮汐如何推动海底地下水释放CO₂？
A.涨潮时海水压力将CO₂挤入地下
B.退潮时陆地淡水冲刷带走沉积物中的CO₂
C.潮汐泵吸使地下水与海水交替循环，释放富CO₂孔隙水
D.月球的引力直接分解海底岩石产生CO₂
正确答案：（点击查看）
C.
解析：潮汐泵吸指涨潮时海水渗入陆地含水层，退潮时地下水携沉积物中积累的CO₂回流海洋（如拧毛巾挤水）。这一物理过程是CO₂释放的主要驱动力，尤其在潮差大的区域。
研究证实了海底地下水是海岸碳循环的重要组成部分，红树林和盐沼虽然能固碳，但地下水排放可能抵消其碳封存潜力。
参考文献：Groundwater releases CO2 to diverse global coastal ecosystems.Science Advances，10 Jan 2025，Vol 11, Issue 2，DOI: 10.1126/sciadv.adr3240