超强台风“八重山”过境后沿海岛屿地下水中与地表水中营养物质及溶解有机质短期变化的对比

《Marine Environmental Research》：Contrasting Short-Term Changes in Nutrients and Dissolved Organic Matter in Groundwater and Surface Water on a Coastal Island Following Super Typhoon Yagi

　　摘要
沿海岛屿的地下水是人类活动的重要水源，同时也会影响邻近海域的养分与碳循环。然而，它对极端气候事件的短期响应机制至今仍不甚明了。本研究在超强台风“雅吉”（编号2411）来临之前及之后3–5天内，从中国南方的东海岛采集了19份地下水样本和4份地表池塘水样本。通过相关性分析、回归分析及配对检验，研究了其中的养分、溶解有机碳、有色及荧光溶解有机物，以及地形和土地利用数据。台风来临前，地下水中硝酸盐氮和硅酸盐浓度较高，而SRP和DOC浓度较低。硝酸盐氮与耕地面积相关，SRP与海拔和森林覆盖率相关，DOC与受湿地影响的低地环境相关，这表明地下水的水化学特性和溶解有机物组成原本就受地形、土地利用及地下过程的影响，台风后的短期变化是在此基础之上产生的。相比之下，地表池塘水的硝酸盐氮和硅酸盐浓度较低，但DOC浓度较高，说明其水文系统更为开放，溶解有机物含量更高。台风过后，地下水中大部分养分的变动较小，DOC和荧光溶解有机物略有上升，部分养分和类蛋白荧光溶解有机物的数值则趋于一致。而地表池塘水则出现更大变化，盐度、硝酸盐氮显著上升，硅酸盐、DOC和类蛋白荧光溶解有机物显著下降。此外，溶解有机物的组成趋向于更芳香且更腐殖化的特征，具体表现为350纳米处的紫外吸收值和腐殖化指数上升，同时DOC、CDOM和FDOM之间的关联也更强。这些结果表明，地下水与地表池塘水在台风前的后水化学和溶解有机物组成变化存在显著差异。

引言
地下水是地球上最大的可利用淡水储库，在淡水供应和水生生物地球化学过程中起着关键作用。然而，在沿海岛屿上，由于淡水储存量有限且陆海相互作用强烈，地下水系统往往更为脆弱。人为压力会进一步加剧这种脆弱性，而在热带和亚热带地区，台风及带来的强降雨会迅速改变地下水的补给、水化学条件以及与地表水的连通性。这些综合因素会显著改变地下水的水化学性质和物质迁移，从而影响水质及邻近的沿海生态系统。在受这些干扰影响的水化学参数中，养分和溶解有机物尤其重要，因为它们能够反映水源变化、生物地球化学过程以及地下水与地表水之间的相互作用。在沿海地区，地下水还能通过海底地下水排放将溶解的养分和有机物输送到邻近海域，进而影响沿海地区的生物地球化学循环和碳平衡。与地表水相比，由于持续的反硝化作用、陆地来源的氮在氧化性地下环境中的积累以及长时间的水岩作用促进硅酸盐矿物风化，地下水通常含有更高的氮和硅酸盐浓度。此外，快速发展的沿海经济活动，尤其是污水排放和粪便投入，会进一步升高地下水中硝酸盐的浓度，在某些沿海地区，硝酸盐甚至可能成为主要来源，威胁饮用水质量。尽管海底地下水排放在空间和时间上存在较大变异性，但它已被公认为是向沿海海洋输送养分的重要途径，其输送量可能与河流径流和大气沉降相当，甚至更大，从而维持初级生产力，但也可能加剧接收水域的富营养化和污染风险。相比传统的溶质指标，结合检测溶解有机碳、有色溶解有机物和荧光溶解有机物，可以更全面地了解水中溶解有机物的来源、含量、组成、转化过程及其迁移规律。溶解有机物还与氮循环密切相关，通过矿化、反硝化过程以及作为反硝化作用的生物可利用碳源发挥作用，因此其光学和荧光特性有助于了解地下水系统中硝酸盐的来源和转化动态。除了海底地下水排放作为溶解有机物向沿海水域输送的途径外，以往的研究还深入探讨了地下水溶解有机物的浓度、组成、反应性以及在含水层中的转化过程。不过，尽管已有诸多研究，但对于台风前后沿海岛屿地下水与地表水系统中养分浓度及溶解有机物数量和组成的短期变化，仍缺乏深入认识。尤其是，目前尚不清楚台风后的变化是整体水化学格局的重构，还是仅在原有空间结构基础上产生的选择性扰动。对于沿海岛屿而言，这一问题尤为重要，因为地形、土地利用和水分连通性共同决定了地下水与地表水对短期极端事件的响应方式。已有研究表明，台风及其带来的强降雨和强风会通过改变补给、径流、盐度结构及水分连通性，迅速改变沿海地下水与地表水系统的水文和水化学状况。这类事件引发的扰动会改变水化学成分和生物活动，从而导致溶解物质的稀释、冲刷、混合以及重新分布，进而影响这些相连的沿海水系统中的养分可用性和有机物动态。对于小型湖泊、水库和池塘而言，由于它们更直接地受到降雨、径流和短期混合的影响，其盐度、养分状况以及溶解有机物数量和组成的变化会比地下水更为迅速且空间差异更大。不过，现有研究主要集中在水文响应和风暴引发的物质输送方面，而对于台风前后沿海岛屿地下水与地表水中养分和溶解有机物的短期耦合变化，仍缺乏足够的研究。在人类活动加剧和气候变暖的背景下，这一不确定性对沿海岛屿而言愈发重要，因为预计热带气旋将带来更强的降雨和更多强风暴，进一步加剧短期水文和水化学扰动。为填补这一研究空白，我们选择了中国南海西北部易受台风侵袭的东海岛作为研究对象，该岛具有强烈的陆海相互作用、高度依赖浅层地下水以及日益严重的人为压力。通过对比超强台风“雅吉”来临前后的数据，本研究旨在：①分析台风前地下水中养分和溶解有机物与地表池塘水之间的差异；②研究台风后的短期变化情况；③探讨地形、土地利用和水分连通性如何影响这些变化规律。

研究区域
东海岛是中国第五大岛屿，位于中国南方广东省湛江市东南部，地理坐标为北纬20°54′–21°08′，东经110°09′–110°33′，面积约为286平方公里。该岛地形较为平坦，海拔在0至60米之间，整体呈现东高西低的趋势。东海岛属于北亚热带季风气候区，气候温暖湿润，年平均降水量为1400–1800毫米。

地下水与地表水采样点的土地利用状况
地下水与地表水采样点周围的土地利用以森林和耕地为主。平均而言，森林覆盖了36.91%的陆地面积，其次是耕地（32.51%）、水体（16.30%）和湿地（9.05%）。人工表面仅占4.01%，草地占比极低（1.40%），而灌木丛、苔原、裸地以及永久性冰雪则不存在。在各个采样点中，耕地占比相对较高。

台风来临前地下水中与地表池塘水中不同的水化学及溶解有机物背景
在超强台风“雅吉”来临之前，东海岛的地下水和地表水已经表现出明显不同的水化学及溶解有机物特征。虽然大多数地下水样本接近淡水，但 breakpoint分析显示，海拔与盐度之间的关系在大约16米处存在一个阈值变化。在海拔低于16米的区域，地下水盐度随海拔升高而显著下降，而在海拔较高的区域则无明显变化。

结论
本研究表明，在超强台风“雅吉”来临之前，东海岛的地下水和地表池塘水具有截然不同的水化学及溶解有机物背景：地下水表现为缓冲性强、养分丰富但溶解有机物含量较低的特性，而地表池塘水则处于水文更开放、溶解有机物含量更高的状态。台风过后，地下水整体结构保持稳定，仅有有限的、选择性的短期变化，这可能也反映了其响应的延迟或缓冲特性。