珊瑚礁区海底地下水排泄的环境效应及其珊瑚记录研究进展

姜伟，杨浩丹，吴星媛，余克服*，许慎栋，王英辉

(1.广西大学 海洋学院，广西 南宁 530004；2.广西南海珊瑚礁研究重点实验室，广西 南宁 530004；3.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)，广东 珠海 519080)

1 引言

作为海洋中生物多样性最高和资源最为丰富的生态系统，珊瑚礁承担着极其重要的资源与生态功能[1]，为全球数亿人提供食物供给、休闲旅游、海岸保护等服务[2-3]。同时，作为对全球变化与人类活动最为敏感的生态系统之一[4]，珊瑚礁面临着包括气候恶化、水体污染和过度捕捞在内的前所未有的多重压力[5-6]，在全球范围内发生了严重退化。因此，珊瑚礁退化的驱动因素及机制一直是国际上研究的热点问题[7-8]。珊瑚礁退化被认为是由一系列独立和相互作用的局部及全球因素所共同驱动的[9]。虽然气候异常导致的珊瑚热白化被公认为全球范围内珊瑚礁退化的主要因素[10]，但像纬度相对较高的南海北部海域，珊瑚礁退化往往是由局部的驱动因素主导的[1,11]。

作为海岸带陆海相互作用的关键过程，海底地下水排泄（Submarine Groundwater Discharge，SGD）是海岸带生物地球化学循环的一个重要源过程[12]。SGD的研究虽然早在19 世纪就已经开始，但由于其受限于不易现场调查观测，而且对SGD 的研究还需要海洋科学、地下水科学以及地球化学等多个领域学者的共同合作，因此，直到20 世纪末，人们才逐渐认识到SGD 对沿海海域物质来源的巨大贡献[13]。在一些海岸或海湾，SGD 甚至已经成为营养物质和重金属元素等陆源物质向海洋输送的最重要通道[14]。

近年来，珊瑚礁海域的SGD 对珊瑚礁生态系统具有极为显著的潜在负面影响[15-16]，因此得到了越来越多的关注[16-23]。以“submarine groundwater discharge”和“coral reef”作为共同关键词在Web of Science 上共检索到110 篇文献。最早的文献出现在1997 年，自2012 年之后，尤其是2017 年以来珊瑚礁区SGD 的研究论文数量迅速增长（图1）。但从全球范围内来看，珊瑚礁区SGD 的相关研究较为有限。其中，准确描述SGD 所携带物质排放的时间地点的分布模式和深入了解SGD 所携带物质的来源和供应，进而对自然或人为活动可能造成的影响进行有效评估成为相关研究的主要方向。因此，对SGD 通量的长时间序列和高分辨率变化记录的研究显得尤其重要[23]。而作为热带海洋中理想的古环境记录载体，珊瑚礁区的大型滨珊瑚骨骼中记录的地球化学信号恰好可以用来反演SGD 通量的历史变化，并已经广泛应用于全球各个珊瑚礁海域[24-26]。

图1 珊瑚礁区SGD 研究文献分布(关键词：“submarine groundwater discharge”和“coral reef”，统计于2019 年10 月30 日)Fig.1 The record of published articles about SGD in coral reefs (key words:“submarine groundwater discharge” and “coral reef”,according to statistics obtained on October 30th,2019)

为了深入了解珊瑚礁区SGD 的历史变化记录及其环境意义，本文将结合全球已有的研究并以南海北部主要珊瑚礁区为例，系统介绍珊瑚礁区的SGD 珊瑚记录的研究案例、替代指标及其局限性，并对SGD 及其携带物质对珊瑚礁发育和退化的潜在影响进行了总结。

2 南海北部珊瑚礁退化驱动因素

在过去的几十年中，全球珊瑚礁发生了严重退化，而气候异常导致的珊瑚热白化已经成为全球范围内珊瑚礁退化的主要因素[10]。虽然在南海也出现了珊瑚热白化的历史记录[27-28]，但总体而言，南海北部珊瑚礁分布位于世界珊瑚礁分布北缘，离赤道较远，受厄尔尼诺等异常气候的影响相对较小。此外，健康的珊瑚礁应对自然气候变化时具有非常强的弹性和自然恢复能力[29-30]。例如，三亚野猪岛珊瑚礁在2010年遭遇了升温和台风的双重影响，活造礁石珊瑚覆盖率从80%降低到30%，但仅在1 年之后就发生了自然恢复[31]。值得注意的是，南海北部由于其地处相对高纬度的亚热带海域，在全球变暖的气候背景下甚至可能成为未来的“珊瑚避难所”[32-34]。由此可见，引起南海北部珊瑚礁退化的主要驱动因素并不是全球气候变化引发的升温，而是逐渐加剧的人类活动[1]。

这些人类活动主要包括：（1）过度捕捞导致的珊瑚礁生态系统内的草食性生物量大幅度减少，进而致使珊瑚礁生态系统的严重失衡[11,35-36]；（2）采挖珊瑚等活动，直接减少了珊瑚礁资源量，间接地破坏了礁盘[11,35-36]；（3）海湾的养殖鱼排、近岸的养殖池塘和深水网箱养殖等造成的水质污染和生物资源浪费[37]；（4）未经处理的生活和农业污水的排放也影响着近岸区域的水质环境[11,36]，特别是营养盐太多会引起生态系统失衡以及生物侵蚀，阻碍珊瑚的自然恢复[37-40]；（5）海洋工程（挖泥和抛泥）和土壤侵蚀等造成的水质退化等[35-36]。

20 世纪90 年代以后，随着珊瑚礁自然保护区（如三亚、徐闻珊瑚礁自然保护区等）的建立和珊瑚礁立法保护的出现，以过度捕捞、采挖珊瑚和海洋工程为代表的人类活动对珊瑚礁的影响得到较为有效的遏制[11]，但南海北部近岸主要珊瑚礁区活珊瑚覆盖度仍然处于快速下降趋势[1,35]。根据国家海洋局南海分局发布的《2016 年南海区海洋环境状况公报》[41]，南海近岸局部海域污染严重，部分水体呈富营养化状态，所监测的近岸海域典型生态系统中，半数处于亚健康状况。因此，南海北部珊瑚礁所面临的形势依然十分严峻。在当前珊瑚礁所面临的各类威胁中，通过地表和地下径流输入到近海海域的陆源物质，尤其是与流域施肥和污水排放相关的过量营养物质，被认为对珊瑚礁的退化起着不容忽视的作用[6,42-46]，也极有可能是南海北部珊瑚礁快速退化的主要驱动因素[17-18]。

3 珊瑚礁区SGD 特征及环境效应

作为全球水循环的重要组成部分，SGD 是海洋中水及营养物质的重要来源之一（图2），同时也是各类污染物从陆地向海洋输送的一个重要而隐蔽的通道[13]。除了输入丰富的营养物质以外，SGD 还可以改变近海海洋环境中的总碱、可溶无机碳含量以及海水pH 等[17,47-48]。由于SGD 在许多近岸海域具有比地表径流更高的营养物质、碳及金属元素含量[48-53]，更高的氮/磷比例[53-57]以及与地表径流相当的通量[14,53,58-60]，因而其对珊瑚礁生态系统的多样性具有十分显著的影响[15-16]。尽管SGD 本身就具有非常丰富的营养物质，人类活动还可以进一步提高SGD 的营养物质水平[53,61]。此外，与受到降水驱动的河流[62]不同的是，SGD 受地下河口与近海之间的水文梯度驱动，也就是受到潮汐的调节[17,48,63]。由于潮汐的驱动，受到SGD 影响的近海海洋系统在1 天或者半天的时间尺度上经常可以观测到富含营养物质的SGD 的脉冲信号，进而导致短期的营养物质水平变率提高[64]。

图2 珊瑚礁区SGD 示意图（以火山岛屿为例）Fig.2 Schematic diagram of SGD in coral reefs (a case of volcanic island)

研究证实，许多近海海域的富营养化和藻类暴发性繁殖，均与当地SGD 输送的营养物质具有非常密切的关系[65-70]。而过量的营养物质输入正是珊瑚礁退化的最主要驱动因素之一[15,40]。一方面，营养盐过量会刺激藻类大量繁殖而导致富营养化，使得珊瑚失去与大型藻类的竞争优势，严重阻碍珊瑚礁的自然恢复[39-40]；另一方面，大型藻类的大量繁殖也会促进侵蚀性无脊椎动物和内岩生微生物的生长，进而导致珊瑚生物侵蚀加剧[15,38,40,64,71-72]。此外，SGD 与近岸海洋酸化[17,73]也具有密切的联系，而这些也会严重制约珊瑚礁的生长[64,74]。一般来说，珊瑚礁区的pCO2的变异性会由于SGD 所携带的营养物质对光合作用/呼吸作用的刺激而增强[46]。

尽管SGD 养分输入也会驱动生物初级生产力增强[75]，进而可以影响海水的化学组成，但在SGD 营养物质非常丰富或SGD 通量很高的系统中，地下水化学组成可以压倒生物过程而在改变海水化学组成过程中占据主导地位[47]。实际上，营养元素和pH 的相互作用对珊瑚礁关键生态功能的影响还需要根据不同珊瑚礁海域的特点进行评估[76]。总之，由于珊瑚礁主要位于寡营养盐区域，过量营养物质成分的输入会导致珊瑚礁碳酸钙骨架逐渐被藻类所取代[74,77]，进而导致珊瑚礁的退化[47,78]。此外，最近的一项研究指出SGD 还可以通过控制营养盐水平，盐度以及潜在的病原体来源等因素显著降低珊瑚的健康水平和恢复能力，甚至导致珊瑚疾病的爆发[79]。

珊瑚礁区SGD 在全球各个海域都得到了广泛的关注，如太平洋[17,21,23,48,64,79-82]、澳大利亚[73,83-84]、中北美洲及加勒比海海域[85-87]等。但在南海北部海域，除了少数研究以外[17-18]，大部分研究并非专门针对珊瑚礁区SGD 对珊瑚礁生态系统的潜在影响，而是其研究区域恰好处于珊瑚礁区。由于受限于不易现场观测和历史数据极度缺乏，目前珊瑚礁区SGD 的相关研究主要聚焦于特定时间内珊瑚礁区SGD 所携带的丰富营养物质和pCO2等[17-18,20,84]对海水化学的影响，而关注到SGD 长时间序列动态变化[88]的研究则十分缺乏[26]。

4 珊瑚礁区SGD 的代用指标研究进展

作为SGD 的主要特征元素，钡[24,89-92]和稀土元素[25,93-98]的相关研究已经较为成熟。幸运的是，珊瑚礁海域的表层海水钡和稀土元素的时间序列变化已经被证实可以从各个海域的珊瑚文石骨骼中得到，诸如，北太平洋海域[25,99]、东大西洋海域[24,100]、南海[101-104]、南太平洋海域[105]、大堡礁海域[106]和西印度洋海域[107]。比较特殊的是，在没有较大入海河流而只有SGD 的海域，珊瑚记录的表层海水钡和稀土元素含量变化与当地SGD 通量具有十分显著的相关性（图3）[24-26]，并被应用于SGD 通量年际变化历史的重建（图4a）。因此，根据珊瑚地球化学指标来重建局部海域的SGD 具有较强的可操作性。值得注意的是，海水中的溶解物质除了与新鲜的SGD 有关[108]，还与海水在沉积物中的再循环有关。

实际上，在SGD 的常用研究方法中，镭[59]和氡[109]同位素示踪法应用最为广泛，同时也是大尺度评估海底地下水排泄最为有效的方法[13]。珊瑚礁海域具有较低的放射性水平[110-111]，因此，极少有人关注珊瑚骨骼的放射性水平。但是，近年来已有研究精确地测量了珊瑚文石骨骼中的镭等放射性核素含量[112-113]，这使得利用珊瑚文石骨骼中的镭等放射性核素含量来反演表层海水中的含量在时间序列上的变化，进而来重建局部海域SGD 通量的变化历史成为可能。

近年来，由于SGD 输入的氮元素在珊瑚礁生态系统中的重要地位，珊瑚骨骼有机质中的 δ15N（CSδ15N）被成功用于重建珊瑚礁海域氮元素来源和供应的长时间序列的动态变化记录[88,114-116]。原始珊瑚礁通过洋流、河流和地下水输入以及大气沉降从周围地区收集包括氮在内的外部营养物质[117]。由于SGD携带的氮（δ15N 富集）[118]，生物固定的氮（δ15N 亏损）[119]，以及深海来源的氮（δ15N 具有定值，如南大洋约为7‰）[120]均具有鲜明的特征，该方法可以有效地对不同来源的氮进行区别。Erler 等[88]成功地将该方法应用于南太平洋热带岛屿，利用长时间序列的CS-δ15N重建了过去1 个世纪左右与农业有关的SGD 氮输入变化历史（图4b）。此外，CS-δ15N 还被成功用于追踪珊瑚礁生态系统中SGD 的空间分布[121-124]。

5 存在问题

图3 南海北部三亚海域珊瑚稀土元素（REE）与钙（Ca）比值和控制SGD 的降雨量相关关系（a，数据（3 年滑动平均）来源于文献[26]）; 加勒比海尤卡坦半岛海域珊瑚钡（Ba）与Ca 比值和控制SGD 的降雨量相关关系(b，数据来源于文献[24]）Fig.3 The correlation between coral REE/Ca and SGD-associatived precipitation near Sanya in the northern South China Sea (a,data(3-year running average) from reference [26]); the correlation between coral Ba/Ca and SGD-associatived precipitation near Yucatan Peninsula in the Caribbean (b,data from reference [24])

图4 基于珊瑚稀土元素重建的南海北部海南岛三亚海域SGD 通量年际变化历史（a，XL1 为珊瑚代号，数据来源于文献[26]）; 南太平洋拉罗汤加岛珊瑚骨骼有机质中δ15N 记录的SGD 氮输入变化历史（b，RO1 和RL1 分别为珊瑚代号，两个黑色箭头分别代表两次农业繁荣时期的开端，青色背景代表δ15N 高值时期，数据来源于文献[88]）Fig.4 The reconstructed annual variations of SGD flux near Sanya of Hainan Island in the northern South China Sea based on coral REE(a,XL1:coral label,data from reference [26]); the input record of N based on δ15N in coral skeleton organic material in the Rarotonga,South Pacific (b,RO1 and RL1:coral label.The black arrows show the start of two agricultural booms.The cyan background represents the elevated period of δ15N,data from reference [88])

首先，以南海北部为代表的近岸珊瑚礁SGD 得到的关注极为有限。在全球范围内，SGD 约占淡水入海总量的6%～10%，其中，仅1/3 的SGD 来自于热带的大型岛屿[52]。但是，前人的研究却主要聚焦于热带岛屿[21,23,54,61,63,75,84,88,125]，而对人为活动更为频繁，同时面临的威胁也更大的近岸珊瑚礁的关注很少。例如，南海北部珊瑚礁分布位于世界珊瑚礁分布的北缘，受到异常气候的影响不是特别显著，逐渐加剧的人类活动是南海北部珊瑚礁退化的主要驱动因素[1]。目前，该海域珊瑚礁区的SGD 研究较为薄弱，少数已有研究主要聚焦于特定时间内珊瑚礁区SGD 的通量及其所携带的物质[17-18]。

其次，极其缺乏直接或间接的SGD 长时间序列动态变化的历史记录。由于具有容易现场监测和相关历史数据丰富的特点，地表径流所携带物质对珊瑚礁生态系统的影响以及珊瑚对其记录与响应等相关研究较为充分[15,42-43,46,101,105-106,126-129]。值得注意的是，我国生态环境部（2018 年之后）/国家海洋局（2018 年之前）及其下属机构每年发布的海洋环境状况公报都重点关注入海河流污染物排放的监测，但却从未涉及海底地下水排放[130-131]。实际上，20 世纪60 年代以来的旅游业和农业的快速发展已经导致近海含水层受到了人为污染的影响[132-133]。然而，由于现有的数据资料有限，无法描述SGD 所携带物质排放的时间地点的分布模式，进而无法对人为活动造成的影响进行有效评估。总之，我们对南海北部珊瑚礁SGD 所携带物质的来源和供应的了解存在严重不足，尤其是极度缺乏SGD长时间序列的动态变化记录。事实上，全球范围内SGD 长时间序列的动态变化记录也是极为稀少的。

6 结论与展望

珊瑚礁在礁体建造的过程（如珊瑚生长）和分解的过程（如生物侵蚀）之间保持平衡[38]。珊瑚的生长和生物侵蚀都对受到SGD 改造的水体化学变化十分敏感，如富营养化[15,74]和海水酸化[74,134-136]。虽然评估特定时间内SGD 对于理解近海生物地球化学过程具有非常重要的意义[21,60,137]，但由于缺乏直接或间接的测量数据，使得评估过去几年到几十年乃至上百年的SGD 极为困难。显然，这些不足严重妨碍了我们对SGD 对珊瑚礁影响机制及其关键过程的深入理解。因此，开展珊瑚礁区SGD 在时间序列上的变化历史及其对珊瑚礁的环境效应方面的研究具有十分重要的科学意义。而珊瑚文石骨骼的地球化学指标则是记录邻近海域SGD 的天然理想载体。基于此，可以利用珊瑚礁区的大型滨珊瑚骨骼地球化学指标，重建珊瑚礁区SGD 长时间序列动态变化历史记录。一方面能够填补珊瑚礁海域SGD 长期动态变化历史的研究空白，理解SGD 携带物质对于珊瑚礁生物地球化学过程的影响，并对SGD 对珊瑚礁的潜在影响以及人类活动在其中所扮演的角色进行有效评估；另一方面，深入了解珊瑚礁的物质来源与动态，可以进一步掌握珊瑚礁在全球变化背景下的适应能力，并为珊瑚礁生态系统的保护和修复提供科学依据。