波罗的海大规模水文地球化学与同位素观测数据集揭示海底地下水排放对近岸生物地球化学循环的影响

《Scientific Data》：Large scale hydrogeochemical and isotopic observations in the Baltic Sea system

本刊推荐：为厘清海底地下水排放(SGD)对近岸生物地球化学循环的贡献，研究人员通过船基巡航和陆基采样，系统获取了波罗的海水柱及陆地端元的氢氧同位素(δ18OH2O、δ2HH2O)、镭同位素(224Ra、223Ra)、溶解无机碳(DIC)及甲烷等35个参数的高分辨率数据。该数据集为量化SGD驱动的营养盐输运和碳循环提供了关键基准，对低氧环境生物地球化学研究具有重要参考价值。

　　

在陆地与海洋交汇的过渡地带，近岸系统如同高效的反应器，调控着水分和元素在陆海间的输送通量。这些区域的生物地球化学功能依赖于河流输入、海底地下水排放（Submarine Groundwater Discharge, SGD）、沉积物-水界面交换和大气沉降等多种过程的动态调节。然而，日益增加的人类活动导致过量营养盐、碳、金属和温室气体涌入近海，引发水体富营养化、海岸带酸化和缺氧等严峻的环境问题。特别是SGD，其输送的营养盐和溶解无机碳（Dissolved Inorganic Carbon, DIC）浓度往往高于河流输入，可能成为驱动近岸生态问题的关键因素。因此，精确解析水体和溶解化学物质的来源及输送路径，对于解决近岸水环境质量问题至关重要。

波罗的海作为大型半封闭陆缘海，其强烈的物理化学梯度（尤其是盐度、溶解氧及相关元素含量）和有限的水体交换特征，使其成为研究上述过程的天然实验室。受限于与北海的水体交换以及大量的淡水输入，该海域从最北部的波的尼亚湾到斯喀基拉拉克海峡形成了约2000公里长的盐度梯度（盐度范围约2至34）。这种受限的交换也导致表层水体滞留时间长达20-30年。此外，在约40-80米深度存在的永久性盐跃层强烈抑制了垂向混合，使得波罗的海深层大面积水体长期处于缺氧/厌氧状态。这种独特的水文结构、支持缺氧硫化条件发展的深水盆地以及显著的人为影响，共同导致了长期的水质问题，如富营养化和缺氧，进而显著改变了生物地球化学循环过程。

尽管波罗的海因其长期的水质问题已被广泛研究，但现有的监测计划通常侧重于富营养化的主要来源（如河流营养盐输入）及其影响（如溶解氧水平、鱼类状况）。这些监测计划依赖于固定站位的重复观测，而缺乏对整个区域进行大规模同步观测的视角。此外，在波罗的海地区，地下水示踪剂数据（如镭同位素、²²²Rn）仅见于少数局部尺度的研究。SGD已被认为是影响波罗的海水体及生物地球化学收支的关键但尚未被充分量化的因素。

为解决上述知识空白，由哥德堡大学Tristan McKenzie领衔的国际研究团队在《Scientific Data》上发表了题为“Large scale hydrogeochemical and isotopic observations in the Baltic Sea system”的数据论文，报告了两次大规模波罗的海考察中获得的水文地球化学和同位素观测数据集。该研究通过2023年9月10日至10月3日搭乘R/V Skagerak研究船进行的约5000公里航迹的船基观测，以及2024年5月和8月进行的陆基端元采样，系统采集了包括连续监测的水文参数、pH、²²²Rn以及542个离散水样（来自水柱、垂直剖面和气象数据）。陆基观测则包括来自海滩地下水（77个）、近岸表层水（47个）和近海岸河流（46个）的离散样品。

关键技术方法

研究团队采用了多平台、多参数的综合性观测策略。船基巡航期间，利用船载Ferrybox系统连续监测表层水（约4米深度）的水温、电导率、盐度、溶解氧饱和度等水文参数，并采用CONTROS HydroFIA pH分析仪和RAD7测氡仪分别测量pH（总量标度）和²²²Rn活度。通过Sea-Bird SBE 911 CTD仪和采水器在69个站点获取了垂直剖面和离散深层水样。陆基采样则使用YSI ProDSS水质仪测量现场参数。对离散样品分析了短寿命镭同位素（²²⁴Ra, ²²³Ra）、营养盐（DIN, DIP, DSi）、DIC、总碱度（Total Alkalinity, TA）、溶解有机碳（Dissolved Organic Carbon, DOC）、总溶解氮（Total Dissolved Nitrogen, TDN）、甲烷（CH₄）以及多种稳定同位素（δ¹⁸O_H2O, δ²H_H2O, δ¹³C_DIC, δ¹³C_CH4, δ¹³C_CO2）。数据分析中采用了严格的质量控制程序，包括数据匹配、单位转换以及基于TEOS-10方程的状态量计算。

研究结果

大规模空间分布与端元特征

数据集揭示了波罗的海全海域从北到南（纬度53.35°N至65.88°N）强烈的盐度梯度（表层水盐度约2至34）以及其他水文地球化学参数的空间异质性。陆地端元（河流、海滩地下水和近岸表层水）的特征显示，与开阔海域相比，这些端元通常具有显著不同的化学组成，例如海滩地下水表现出更高的营养盐和DIC浓度，凸显了SGD作为陆源物质输入通道的潜在重要性。

水体层化与低氧环境生物地球化学

CTD垂直剖面清晰地刻画了波罗的海的层化结构，特别是约40-80米深度存在的永久性盐跃层。该层化结构阻碍了垂向混合，导致深层大面积水体处于缺氧/厌氧状态。对94个低氧深层水样品的特殊处理和分析，揭示了在这些特殊环境中营养盐（如硅酸盐）、DIC和甲烷等参数的垂向分布和转化过程，为理解海底-水柱耦合的生物地球化学循环提供了关键见解。

地下水示踪剂的空间格局

²²²Rn的连续表面调查和短寿命镭同位素（²²⁴Ra, ²²³Ra）的离散测量，提供了识别地下水输入及其时空动态的高分辨率数据。数据显示，在近岸区域，特别是在与陆基海滩断面对齐的船基断面站位的近岸端，这些示踪剂的活度通常较高，表明存在活跃的SGD过程。这些数据为后续定量评估SGD驱动的横向营养物质输运（如利用²²⁴Ra估算近岸营养盐通量）和垂向混合（如利用镭同位素量化垂向混合和海底硅酸盐通量）奠定了基础。

碳物种与稳定同位素组成

对DIC、TA、DOC、CH₄及其碳稳定同位素（δ¹³C_DIC, δ¹³C_CH4, δ¹³C_CO2）的系统分析，为了解波罗的海碳循环的多过程调控提供了丰富信息。不同水团和端元中这些参数的差异，有助于区分有机质矿化、水体混合、大气交换以及可能的甲烷厌氧氧化等过程对碳库的相对贡献。水同位素（δ¹⁸O_H2O, δ²H_H2O）则作为有效的水团示踪剂，辅助解析不同来源水体（如淡水输入、海水）的混合比例。

研究结论与意义

本研究产生的综合数据集是迄今为止对波罗的海系统进行的最为全面的水文地球化学和同位素观测之一。该数据集通过同步获取大范围空间覆盖和高分辨率垂向剖面，显著增强了对波罗的海，特别是其低氧环境中生物地球化学过程的理解。数据产品遵循可查找、可访问、可互操作和可重用（FAIR）原则，包含七个可公开访问的CSV文件，涵盖了船基连续观测、气象数据、CTD剖面以及船基和陆基离散样品分析结果。

该数据集的价值不仅限于波罗的海区域研究。它为解决海岸带水文（如SGD）、海洋生物地球化学、海底-水柱耦合等广泛议题提供了宝贵资源。由于在低氧环境中此类数据的稀缺性，本数据集对于与北海、黑海、地中海等其他沿海海域的比较研究乃至全球尺度上的相关研究都具有重要参考价值。研究团队已利用该数据集开展了初步分析，例如量化垂向混合和海底硅通量，以及估算横向营养盐通量，相关成果已形成独立的研究论文。该数据集的发布将为全球科研界进一步探索近岸系统物质循环、评估人类活动影响以及构建相关数值模型提供坚实的数据基础。