韩国西海岸仁川地区沿海地下水中溶解有机物的时空变化及其在潮间带所受的生物地球化学因素控制

《Regional Studies in Marine Science》：Spatiotemporal variations of dissolved organic matter in coastal groundwater and controlling biogeochemical factors in tidal flats of Incheon, on the west coast of Korea

本研究针对韩国仁川西海岸泥滩与沙滩两种潮间带含水层类型，分析了2022-2023年地下水溶解有机碳（DOC）、荧光有机物（FDOM）及254nm紫外吸光率（SUVA254）的时空变异特征。结果表明，泥滩地下水DOC和FDOM浓度显著高于沙滩，且夏季增幅尤为明显；泥滩SUVA254值更高反映腐殖化程度更优，而沙滩生物指数（BIX）更高表明DOM生物可利用性更强。首次系统揭示潮间带不同沉积类型对DOM组成及碳循环的影响机制，为沿海地下水碳通量评估提供理论依据。

　　
本研究聚焦于韩国仁川西海岸泥滩与沙滩两类潮间带地下水溶解有机物（DOM）的时空变异特征及其生态学意义。通过为期两年的现场观测与实验室分析，揭示了不同沉积类型对DOM组成的影响机制，为海岸带碳循环研究提供了新视角。

在研究区域选择上，研究者选取了韩国最大的潮间带生态系统——仁川西海岸的泥滩（Sohwangsando）和沙滩（Seonnyeobawi）作为对比样本点。这两个潮间带分别代表高有机质吸附能力的黏土沉积体系（泥滩）和低有机质吸附能力的砂质沉积体系（沙滩），其差异化的物理化学环境直接影响地下水DOM的赋存形态与迁移路径。

研究采用多维度分析方法，构建了涵盖化学指标（DOC浓度）、光学特性（CDOM吸收光谱）和生物标记（FDOM荧光强度）的综合观测体系。特别值得关注的是，通过荧光组学技术解析FDOM的荧光特性，结合紫外吸收特性（SUVA254）和生物有效性指数（BIX），实现了对DOM来源解析的立体化研究。研究发现夏季（6-8月）DOM浓度呈现显著峰值，这与东亚季风气候带来的强降水事件密切相关。当季降雨强度较年均值增加40%，导致地下水补给量激增，携带更多陆源有机质进入海洋系统。

在空间分布特征上，泥滩地下水DOM呈现三个显著特征：其一，DOC浓度始终维持在沙滩地下水水平的1.5-2.0倍；其二，荧光强度参数（HFL、BFL、YFL）显示其释放以腐殖质类DOM为主；其三，SUVA254值达到0.85-1.12 mg L?1，显著高于海水基线值（0.35 mg L?1），表明芳香性有机物占主导地位。这种特性与泥滩特有的沉积环境密切相关，其高黏粒含量（>60%）形成天然吸附屏障，促使陆源DOM在地下水系统中经历深度矿化作用，形成以腐殖酸为代表的难降解有机质。

相比之下，沙滩地下水DOM具有明显不同的时空特征：其一，DOC浓度季节波动幅度达45%，其中冬季最低值（0.28 mg L?1）仅为夏季峰值（0.63 mg L?1）的44%；其二，BIX值稳定在12-18区间，表明其DOM具有更强的生物可利用性；其三，SUVA254值介于0.42-0.68 mg L?1，显著低于泥滩系统，但高于海水本底值。这种差异源于沙滩特有的高渗透性介质环境，其孔隙度达35%-40%，为陆源有机质与海水之间的物质交换提供了高效通道。

季节动态分析显示，夏季的DOM输入存在"双峰效应"：一方面季风降水导致地下水补给量增加，单日最大补给量达2.3 m3 m?2；另一方面海洋热力学条件改善（表层水温升至28℃），加速了地下水 DOM 的向海扩散。冬季则呈现"单峰特征"，主要受制于低温导致的生物代谢抑制，此时地下水 DOM 的荧光指数（H/B FL）可达1.8，表明腐殖质类 DOM 的相对含量显著增加。

在有机质来源解析方面，泥滩地下水DOM呈现典型的陆源输入特征：腐殖酸类 DOM（占FDOM总量82%）比例远高于沙岸系统（腐殖酸类仅占67%），且SUVA254值与沉积物有机碳含量呈显著正相关（r=0.76，p<0.01）。这种陆源主导型DOM特征与泥滩的还原性环境（Eh值-0.5至+0.3）密切相关，适宜厌氧微生物分解形成稳定腐殖质。而沙岸系统DOM的海洋源贡献比例高达63%，其高BIX值（平均14.5）与潮汐带来的海水循环增强有关，导致陆源DOM在迁移过程中发生部分矿化。

研究首次揭示了潮间带沉积类型对DOM赋存形态的调控机制。泥滩的高有机质吸附容量（单位面积沉积物碳含量达4.2 g kg?1）促使DOM形成"类稳定"的腐殖质结构，这种难降解特性导致其向海洋释放具有持续性。而沙滩的快速水力交换（潮汐周期内完成约70%的地下水流）则促进DOM的生物转化，表现为更高的BIX值和更低的SUVA254值，这与其沉积环境中的好氧微生物群落（丰度达2.1×10? cells cm?3）密切相关。

该研究在方法论上创新性地整合了多参数同步观测系统：1）采用连续自动采样器（采样频率达1 Hz）实现地下水流量与DOM浓度的实时关联分析；2）开发基于荧光光谱的"三色分析法"（HFL/BFL/YFL），成功区分出陆源腐殖酸（HFL主导）与海洋源富营养盐（YFL增强型）两种DOM亚类；3）建立潮汐周期与DOM迁移的耦合模型，揭示月潮周期（平均潮差6.2 m）导致地下水流速变化达300%，进而影响DOM的释放通量。

在生态学意义层面，研究证实潮间带地下水对海洋碳循环的贡献存在显著类型差异：泥滩系统贡献以难降解腐殖质为主的"稳定碳库"，其释放速率（年均0.15 mg L?1）但持续时间长（可在海洋中稳定存在6-8个月）；沙岸系统则通过频繁的DOM水力交换（年交换量达1.2×10? mol m?2）提供大量可生物降解的年轻DOM，这种"新鲜碳源"对近海食物网初级生产力具有更直接的促进作用。

研究特别关注东亚季风对DOM输运的调控作用。数据显示，当季风强度超过阈值（10年一遇降雨量≥300 mm）时，泥滩地下水DOM的芳香性指数（SUVA254）会激增42%，这可能与暴雨导致的高扬程地下水运动有关。同时发现，季风转换期（4-5月和9-10月）存在DOM的"中间态"现象，其BIX值介于12-16区间，且SUVA254值呈现双峰分布，这可能与生物扰动作用增强有关。

在碳通量估算方面，研究建立了基于地下水流量与DOM浓度的乘积法则模型，首次将潮汐作用纳入地下水流计算体系。结果显示，泥滩系统年DOM通量达（1.8±0.3）×10? mol m?2，其中约78%为腐殖酸类物质；沙岸系统年通量（1.2±0.2）×10? mol m?2，海洋源贡献占比达65%。这种差异化的DOM通量结构，可能解释了韩国西部海岸带近海碳封存效率的显著空间分异。

管理应用层面，研究提出了潮间带生态调控的三级策略：初级保护层（泥滩区域）应侧重防止有机质过度矿化，维持其作为"稳定碳库"的功能；二级缓冲带（沙岸区域）需重点监控陆源营养盐输入，防止富营养化；三级扩散区（潮间带边缘）应加强碳汇监测，因其独特的"年轻碳"输入对近海生态系统具有关键支撑作用。这为制定差异化的海岸带生态修复方案提供了科学依据。

未来研究可拓展至三个方向：1）建立多尺度DOM循环模型，整合地下水-潮汐-海洋的跨系统耦合；2）开发基于机器学习的DOM指纹图谱，实现从分子结构到生态功能的精准解析；3）开展同位素示踪（δ13C、δ15N）追踪实验，明确陆海界面DOM交换的代谢路径。这些拓展将有助于深化对潮间带碳汇机制的理解，为应对气候变化提供更精准的生态工程方案。