利用综合地球化学和同位素示踪技术解析印度乌瓦里海岸喀斯特含水层中的SGD路径

《Marine Pollution Bulletin》：Unravelling SGD pathways in karst aquifer at Uvari coast of India using integrated geochemical and isotopic tracers

　　•通过综合地球化学方法对新鲜海底地下水与循环海底地下水进行了评估。•氡（222Rn）、盐度-电导率梯度以及营养物质通量是重要的水文地球化学示踪剂。•雨季前后嘅分析表明，海底地下水强度存在显著的季节性变化。•喀斯特通道会增强蒂鲁内尔维利海岸线上的地下水排放。•由海底地下水驱动的营养物质通量（溶解无机氮和溶解无机磷）在沿海生物地球化学过程当中起着重要作用。

引言
海底地下水排放指的是地下水从沿海含水层穿过大陆边缘流入海洋的过程。这一过程包括新鲜海底地下水排放和循环海底地下水排放两类（Taniguchi等人，2002年；Burnett等人，2007年；Santos等人，2021年）。新鲜海底地下水排放会将淡水及陆地来源的溶质，包括营养物质，带入沿海水域，而循环海底地下水排放则是海水在沿海沉积物中循环流动，进而导致溶解成分的重新分布，并影响整体体积流量。越来越多的研究认为，海底地下水排放是营养物质从陆地向海洋输送的重要途径，可与大气沉降和河流输入共同发挥作用（Dulaiova等人，2008年；Wang等人，2018年；Santos等人，2021年）。流经地下河口的地下水会经历多种生物地球化学变化，如矿物溶解、有机物再矿化以及氧化还原反应，这些过程会在地下水进入沿海环境之前改变其中的营养物质浓度。因此，海底地下水排放能够携带大量溶解无机氮和溶解无机磷，从而改变沿海地区的营养物质状况以及氮磷比值（Moore，2010年；Zhang等人，2020年）。全球范围内，由海底地下水排放带来的营养物质通量被认为与河流输入相当，甚至更为可观，这凸显了其在沿海生物地球化学循环中的重要性（Slomp和Van Cappellen，2007年；B?ttcher等人，2024年）。

与海底地下水排放相关的较高营养物质输入会显著影响沿海生态系统，提升初级生产力，同时可能引发富营养化和有害藻华现象。这些现象可能导致水体缺氧以及海洋栖息地退化，从而带来生态和经济损失（Anderson等人，2002年；Kroeger等人，2007年；Zhang等人，2022年）。因此，了解海底地下水排放的规模及其变化规律，以及与之相关的营养物质通量，对于实现有效的沿海管理至关重要。

海底地下水排放的规模和空间分布受当地水文地质条件的强烈制约（Sekar和Perumal，2025年）。尤其是喀斯特含水层系统，由于其高渗透性以及发达的通道网络，发挥着极为重要的作用。喀斯特系统是由石灰岩和白云石等碳酸盐岩经过长期溶解作用形成的，这类岩石会形成相互连接的裂隙、通道和洞穴，从而促进地下水的快速流动（González-Ramón等人，2021年；Savatier等人，2023年；Gao等人，2023年）。这些特征使得淡水及溶解物质能够高效地从内陆地区输送到沿海区域（Foley，2018年）。碳酸盐矿物的溶解过程可表示为方程式（1）：CaCO3+H2O+CO2?Ca2++2HCO3，这一过程会形成次生孔隙，进一步促进地下水的流动。正因如此，喀斯特含水层常常成为海底地下水排放及相关营养物质通量的重要通道（Zhu等人，2025年）。氡（222Rn）是一种天然存在的放射性惰性气体，由镭226的衰变产生，它极易溶于地下水，其分布情况受岩性、地质结构以及补给动态等因素的影响（Arjun等人，2025年；Nalukudiparambil等人，2021年）。氡的空间和季节性变化反映了地下水的停留时间以及地下水流动过程，因此可作为研究地下水与地表水相互作用的可靠示踪剂（Sajeev等人，2023年）。

喀斯特系统还具有异质性，其裂隙和通道的水力传导系数各不相同，这就导致某些区域的地下水流动迅速且湍急，而其他区域的流动则较为缓慢（Andreo等人，2018年；Pavlidou等人，2014年）。此外，自源补给和外来补给这两种地下水补给方式的存在，进一步增加了该系统的复杂性（Ponta等人，2022年；Martín-Rodríguez等人，2023年）。

印度南部的阿扬库拉姆地区的乌瓦里海岸拥有独特的水文地质条件，同时也存在着发育成熟的喀斯特含水层系统。这里有一口著名的“奇迹之井”，在降雨期间能够储存大量水（见补充视频1），这一现象引发了广泛关注。这口井的高产出水能力以及快速的补给速度，表明该地区存在发达的地下通道，有助于地下水的流动。这类系统即便在干旱时期也能储存大量水资源，因而可充当高效的储水层和物质输送通道（Ford和Williams，2007年）。不过，喀斯特地貌在地面往往并不十分明显，这可能导致人们低估其在地下水流动及沿海相互作用中的作用（Barlow Kameta，2019年；Ponta等人，2022年）。

2021年雨季期间，阿扬库拉姆地区的一口高产井被发现，它能迅速吸收楠比亚尔运河带来的大量洪水而不会溢出，这一现象引起了人们的极大关注。后续研究认为，这种现象的背后是该地区存在由钙质砂岩和石灰岩地层中的相互连接的通道及溶解作用所构成的喀斯特含水层系统（印度马德拉斯理工学院新闻稿，2022年2月18日）。地球物理和水文地质研究也证实，这类系统能够作为高效的地下排水通道，促进地下水的快速流动与补给（Mookiah等人，2023年）。这一自然机制体现了喀斯特控导的流动在增强地下水补给、降低洪水风险以及可能缓解沿海含水层海水入侵方面的作用（Parise等人，2015年）。

尽管海底地下水排放已被视为一种重要的水文和生物地球化学过程，但在复杂的喀斯特环境中，对其进行定量分析和特征描述依然面临诸多挑战。氡（222Rn）这类地球化学示踪剂有助于识别和量化海底地下水排放量（Kamaraj等人，2025年）。此外，电导率也可作为辅助示踪剂，用于区分淡水与海水的混合过程。基于此，本研究旨在：（1）探究水文地质因素和季节性因素对印度南部乌瓦里海岸地区沿海喀斯特含水层中海底地下水排放动态的影响；（2）研究氡活性与电导率之间的关系，将其作为判断海底地下水排放的指标；（3）通过氡质量平衡法来量化海底地下水排放量及其相关的营养物质通量。

研究区域
本研究是在印度泰米尔纳德邦蒂西亚扬维莱地区的阿扬库拉姆镇所在的乌瓦里海岸开展的（见图1a）。该研究区域的纬度范围在北纬8°15′26.30″至北纬8°20′00.64″之间，经度范围在东经77°50′55.28″至东经77°58′07.43″之间。由于地表水资源较为匮乏，这里的地下水是居民生活和农业生产的最主要水源（Dennis等人，2025年；Mookiah等人，2023年）。

该地区属于热带气候，气温最高可达38摄氏度。

物理化学特性与水化学分区
各种物理化学参数可以划分出地下水、孔隙水以及海水的不同状态，同时也反映出陆地与海洋交界处逐渐加剧的混合过程（见图3）。这里的地下水样本具有较低的电导率（324–1975 μS/cm）和极低的盐度（<3 PSU），说明该系统以淡水为主，海洋影响较小。而海水样本的电导率则要高得多（21,764–38,654 μS/cm），盐度也在较高水平（约26–34 PSU），显示出典型的海洋环境特征。孔隙水……

结论
印度南部乌瓦里海岸地区的海底地下水排放受喀斯特水文地质条件控制。通过综合运用氡（222Rn）、水化学参数、营养物质数据以及统计分析方法，可以有效地区分地下水、孔隙水与海水系统，同时也能证实地下河口中存在地下水与海水之间的活跃混合现象。氡含量与盐度之间存在负相关关系（r ≈ ?0.86），这一关系通过方差分析得到了验证（p < 0.05）。

CRediT作者贡献说明
Selvam Sekar：撰写——初稿撰写、验证、监督、软件使用、正式分析、数据整理、概念构建。Baalamurugan Arumugam：撰写——审稿与编辑、软件使用、正式分析、数据整理。Muthukumar Perumal：撰写——审稿与编辑、可视化处理、验证、资源获取、调查工作、正式分析。Priyadarsi D. Roy：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、调查工作、正式分析。Sivakumar Muthu：验证、资源获取、正式分析。

资金支持
本研究没有获得任何资金支持。

利益冲突声明
作者们声明不存在任何利益冲突。

致谢
第一作者衷心感谢DST-SERB-ECR项目（项目编号ECR/2018/001749）提供的资金支持，感谢印度政府提供的RAD7型氡检测仪，同时也感谢通过环境与森林部下属的国家海底地下水排放计划，由特里凡得琅的国家地球科学研究中心提供的HANNA HI98194型多参数水质检测仪。此外，作者们还要感谢中央地下水委员会为海底地下水排放研究项目提供的二手数据支持。所有人

Selvam Sekar|Baalamurugan Arumugam|Muthukumar Perumal|Priyadarsi D. Roy|Sivakumar Muthu|Nandhakumar Sundaramoorthy