多核素示踪海底地下水排放对长江口外低氧形成的贡献

Submarine Groundwater Discharge (SGD) could significantly reduce the concentration of dissolved oxygen (DO), which is a possible mechanism of seasonal hypoxia formation in coastal and estuarine oceans. In this study, we are proposing to use multi-isotope technique to quantitatively assess how SGD directly contributes the formation of hypoxia off the Yangtze River Estuary (YRE). We will firstly portray the distributions, structure and variation patterns of low DO water mass on different timescales. Multi-isotopes distributions are then used to locate the significant SGD area, to see if it matches with the hypoxia area. By using the mass balance model of multi-isotopes, SGD fluxes on both seasonal and daily timescales could be calculated. Based on the SGD derived DO fluxes, one can easily estimate the direct contribution of SGD to hypoxia formation. In this project, we will mainly focus on the linkage between SGD and hypoxia phenomenon. Results obtained here will be helpful to open a brand new perspective to better understand the formation and variation of hypoxia off the YRE.

海底地下水排放（SGD）能显著降低受排海域的溶解氧（DO）含量，是近岸、河口海域季节性低氧现象的潜在成因机制。本项目拟以长江口外低氧区为研究区域，利用天然镭、氡等多核素示踪技术，定量评估SGD对低氧形成的“直接贡献”。首先，阐明长江口外低氧水团的分布特征、空间结构及其在多时间尺度上的变化规律；其次，利用多核素示踪技术确定SGD的显著区域，剖析其与低氧区的对应关系；最终借助同位素模型量化低氧区中不同时间尺度上的SGD通量，并评估由其携带入海的DO对低氧形成的“直接贡献”。本项目聚焦SGD与低氧现象的内在耦合关系，研究结果将为全面认识长江口外低氧现象的形成及变动机制提供新的视角。

本项目以长江口为重点研究区域，聚焦海底地下水排放过程（SGD）对低氧形成的贡献，明确了长江口底层水体溶解氧（DO）、222Rn活度水平及季节分布特征，剖析了222Rn与DO的相关关系；刻画了长江口222Rn各源、汇项的通量，借助222Rn质量平衡模型估算了不同季节长江口SGD通量，进而量化了SGD对长江口低氧形成的直接贡献，阐明了SGD对低氧成因的可能贡献机制。相关工作发表学术论文22篇，包括Nature Communications、GCA、GRL、ESR、LO-Letters等顶尖论文多篇。培育新增立项NSFC联合基金重点项目1项。得到如下几点主要认识： .（1）刻画了在长江口及其邻近海域DO含量的空间分布格局，首次同时观测到藻华、涌升流和中层低氧现象。发现了长江口中上层水体中条带状低氧区的存在，而且中层低氧具有自陡峭坡面海域离岸扩展的趋势，形成舌状的低氧水团。上升流和跃层共同决定了低氧水体的上边界；同时，跃层强度和浮游植物生物量（现场颗粒有机碳生产）控制着低氧区内部低氧强度的空间变化。.（2）阐明了长江口SGD通量的季节性特征，发现夏季（7-8月份）长江口SGD通量范围在0.017±0.009 m3/m2/day 到 0.029±0.004 m3/m2/day之间，约为冬季SGD通量的8-11倍。秋季SGD通量和夏季相当。SGD和DO存在负相关关系，即夏季SGD最高时DO含量最低，而冬季SGD最低时DO含量最高。对比长江口SGD和DO的空间分布情况可以看出，高SGD通量区与长江口夏季低氧区的位置相重合。该区域位于扬子沙席，这里埋藏的发育旺盛的古河道为地下水的交换提供了通道。. （3）提出了SGD对低氧成因的贡献机制可能包括直接贡献和间接贡献。直接贡献是指低溶解氧含量SGD的排放稀释了研究海域水体的DO，促进低氧的形成；间接贡献包括SGD携带还原性物质和营养盐入海后，通过氧化还原反应耗氧或是促进海域的初级生产，随后通过有机物降解过程耗氧。定量计算的结果表明，夏季SGD排放所导致的耗氧速率为135 mg/（m2 d）。