海岸含水层溶质通量对海洋化学组成的关键贡献及其对全球碳循环的调控作用

本研究揭示了长期海底地下水排放(SGD)作为钙和碱度的重要来源，同时移除钠和钾的关键作用。通过元素与同位素预算分析，研究人员发现SGD通量与河流输入相当，且受海平面变化动态调控——下降期增强输入而上升期抑制。该发现重塑了海洋化学组成认知，为理解碳循环与长期气候调节机制提供了新视角。

　　

海洋作为地球最大的碳库，其化学组成直接影响全球碳循环与气候变化。传统认知中，河流输入与热液系统被视为海洋元素通量的主要来源，而海岸含水层的地下水排放(SGD)长期被低估。这种认知空白导致对海洋钙、镁等关键元素收支平衡的解释存在偏差，进而影响对碳封存机制和气候反馈效应的准确评估。

以色列魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)的Yael Kiro团队在《Nature Communications》发表的研究，通过整合全球60项研究的2600个海岸含水层数据点，首次量化了长期SGD对海洋化学组成的贡献。研究发现密度驱动的海水循环（即长期SGD）通过阳离子交换反应显著改变溶质通量：每升循环水可富集6.5mM钙(Ca²⁺)同时移除11mM钠(Na⁺)，其年通量达960km³，与全球河流输入量级相当。这种通量变化通过调控碱度输入直接影响海洋碳酸盐饱和度，进而可能成为冰期-间冰期气候波动的潜在调节器。

研究采用多元素蒙特卡洛模拟和期望最大化算法等关键技术，通过分析Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺、Sr²⁺及⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、δ²⁶Mg同位素系统，构建了包含10种海洋化学过程的稳态模型。数据来源于全球海岸含水层采样，涵盖不同岩性和水文条件的地下水化学组成。

长期SGD化学特征
通过对比淡水-咸水过渡带与近岸地下水的元素富集/亏损模式，研究发现90%的含水层呈现Ca²⁺/Sr²⁺富集与Na⁺/K⁺亏损特征。阳离子交换反应遵循(△Ca²⁺+△Mg²⁺)=-(△Na⁺+△K⁺)的化学计量关系，而偏离此趋势的样本暗示了碳酸盐溶解或粘土矿物形成等附加过程。

通量计算与验证
多元素预算分析显示，长期SGD每年向海洋输送4.9Tmol钙，同时移除7.8Tmol钠。该通量使钙的海洋停留时间从0.9Ma缩短至0.5Ma。通过镭同位素模型验证，发现计算结果与Luijendijk等估算的含水层通量高度吻合，支持方法的可靠性。

气候调节机制
海平面变化通过改变含水层水力梯度调控SGD通量：末次盛冰期海平面下降120米时，SGD驱动的钙通量可能增加50%。这种负反馈机制可在冰期增强碱度输入促进CO₂封存，而在间冰期减少通量缓解酸化，形成天然的气候稳定器。

这项研究从根本上改变了人们对海洋元素循环的认知框架，将海岸含水层提升为与河流、热液系统并列的第三大海洋化学调节器。其揭示的海平面-地下水-碳循环耦合机制，为理解地质历史时期的碳同位素异常事件提供了新思路。在当前海平面上升背景下，研究结果警示SGD通量衰减可能削弱海洋的天然固碳能力，这对预测未来气候变化趋势具有重要科学价值。