高盐度红树林含水层的水文动力学：澳大利亚西部干旱区的潮汐影响、咸水入侵与气候扰动

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Hydrological Dynamics in a Hypersaline Mangrove Aquifer: Tidal Influence, Saltwater Intrusion, and Climatic Perturbations in Arid Western Australia

　　

摘要
干旱海岸湿地常容纳高盐度地下水透镜体，但控制这些系统的水文动力学仍研究不足。我们调查了西澳大利亚埃克斯穆夫湾一处红树林 / 盐滩含水层中的海岸地下水与潮汐相互作用，利用 2022 年至 2025 年三年间来自 415 米内陆断面（transect）的高频地下水位、温度和盐度观测数据，并结合地球化学、同位素和生态水文测量。沉积物分析和水锤试验揭示极低的水力传导率（<10?? m/s），表明这是一个垂直混合受限的半承压含水层。频谱分析显示半日 M2 潮汐分潮在内陆迅速衰减，指数阻尼长度约为 487 米，有效水力扩散率约为 16.7 m2/s，证明潮汐强迫主要通过压力扩散而非直接潮汐泵抽传播。地下水持续保持高盐度（40-90 ppt），对潮汐或降雨反应可忽略不计。地球化学相（以氯化钠为主）和稳定同位素定义了从海水开始的蒸发趋势（δ18O/δ2H 斜率 = 4.37），确认高盐度透镜体源于海洋输入的渐进蒸发浓缩。逻辑模型表明，当海岸水位超过当地地面高度约 0.15 米时，高盐度地下水（>70 ppt）会在盐滩表面局部、间歇性地出露，表明这是压力驱动的土壤湿润而非直接潮汐淹没。对无瓣海桑（Avicennia marina）的茎流测量显示，在浅层高盐度地下水和地表盐度升高的时期，茎流量降低。干旱盐滩含水层表现为水文隔离、蒸发主导的系统，限制地下水交换，并对红树林的存留以及在海平面上升背景下潜在的内陆迁移施加强烈的生态水文控制。

引言
海岸潮间带湿地，包括红树林和盐沼，占据水文极端环境，其中水分可用性和盐度动态决定了生态系统组成和存留（Adame 等人，2020; Lovelock 等人，2016; Reef 和 Lovelock，2015）。在干旱和半干旱地区，相对于降雨的高蒸发促进了低渗透沉积物下高盐度地下水透镜体的形成，通常由薄弱透水层与潮汐水分隔开（Frind，1982; Wood 等人，2002; Yechieli 和 Sivan，2011）。这些浓卤水颠覆了传统的吉本 - 赫茨伯格（Ghyben-Herzberg）关系（即海水位于较淡水层之下），创造了高盐度地下水位于下方并与潮汐或大气降水输入周期性相互作用的条件的环境（Michael 等人，2005）。虽然淡水地下水 - 海洋海岸界面已得到广泛研究，但对海洋水与高盐度地下水之间的界面了解甚少。高盐度透镜体还能塑造生态水文功能：它们限制根系吸水（Reef 等人，2015），抑制苗木招募（Ball，2002），驱动地表盐壳形成，并控制地下溶质运移（Bathmann 等人，2021）。因此，理解高盐度透镜体的形成和运动对于预测海岸湿地对气候变化和海平面上升的长期脆弱性，以及管理干旱海岸区的水资源至关重要。

海岸高盐度地下水（比海洋更咸的水）存在于具有不同干旱程度的多种环境中，包括干旱的尼罗河三角洲（van Engelen 等人，2018），亚热带的密西西比三角洲（Hanor 和 Mercer，2010），以及澳大利亚热带伯德金三角洲（Fass 等人，2007）。高盐度透镜体的来源各异，范围从底层地质中盐岩溶解、海水的大气蒸发浓缩，到红树林蒸腾及伴随的卤水排斥（Fass 等人，2007）。地质卤水代表长寿命、受构造控制的特征，在很大程度上独立于现代地表条件而持续存在。相比之下，由蒸发或红树林蒸腾产生的活跃维持卤水不断再生，因此可能对气候变化、潮汐淹没和植被动态的变化作出迅速反应，导致强烈的时间变异性以及与上覆水体的增强相互作用。

在澳大利亚西北部皮尔巴拉海岸沿线，红树林在年降雨量低（<300 毫米）、高蒸发和高盐度地下水的条件下持续存在（Bathmann 等人，2021）。盐滩（也称盐原或盐盘）是该地区常见的地貌特征，覆盖潮间带的 25-34%（Hickey 等人，2025）。这种类型的海岸景观也见于阿拉伯半岛、波斯湾以及中南美洲。盐滩 - 红树林系统中的潮间带代表了一个动态盐度界面，陆地、海洋和大气过程在此交汇。虽然此类干旱气候的长期干燥期导致可用水分的渐进蒸发浓缩，但在海岸环境中，风暴和风暴潮可以输送较淡的脉冲或突破保护性沉积物屏障，迅速改变盐度梯度和地下水流路径（Cartwright 等人，2004; Prihantono 等人，2023; Wilson 等人，2011）。由此发展的高盐度、水文封闭系统可以创造垂直分层的卤水透镜体，由于密度差异抑制了对流和混合，它们抵抗分散，因此可持续数十年。这些系统对海平面、气候变率或土地利用的小幅变化高度敏感，可能对地下水质量和相关生态系统的健康（如红树林、盐沼和海草草甸）产生潜在的重大影响。

盐滩是平坦的、盐壳覆盖的、富含蒸发岩的潮上带泥滩（常由蓝藻类殖民），是具有复杂盐度结构的水文地质系统（Yechieli 和 Wood，2002）。这些环境通常由细粒的、富含蒸发岩的沉积物组成，如泥灰岩、石膏和石盐，这严重限制了垂直渗透性并促进由毛细管通量和蒸发浓缩主导的浅层地下水系统（Patterson 和 Kinsman，1981; Wood 等人，2002）。因此，盐滩中的地下水通常呈高盐度，并可能由于密度效应和混合受限而表现出强烈的垂直分层。在干旱海岸盐滩中，地下水动力学不仅受蒸发和补给影响，还受潮汐强迫影响。即使适度的潮汐振幅也能通过浅层无压含水层向内陆传递压力信号，导致水位周期性波动以及海洋水和高盐度水团的混合（Heiss 等人，2022）。这些效应可能被存在弱透水层（如粘土或泥灰岩）所放大或调节，后者限制了垂直和横向流动（Wang 等人，2025）。在某些系统中，这导致地下盐度的会合振荡，即由于累积潮汐压力效应，流体界面在双周到月度的时间尺度上移动（Kohout，1960; Wilson 等人，2015）。

高盐度表层土壤、有限的淡水输入和高温施加了生理压力，限制了盐滩中红树林苗木的建立和存活（Dhawi 等人，2026; Dos Reis-Neto 等人，2013）。在干旱红树林系统中，成功的招募可能依赖于罕见的水文机遇窗口，如台风后淡水脉冲或异常湿润的季节，这些暂时降低盐度并创造适合建立和生长的更好条件。盐滩中缺乏定期淡水冲刷导致持久盐壳和升高的渗透压力，抑制传播体活力和早期根系穿透（Reef 等人，2015）。理解苗木招募的生态水文限制对于预测未来气候和海平面情景下红树林的韧性和恢复至关重要（Lovelock 等人，2021）。

本研究考察了西澳大利亚埃克斯穆夫湾一处高盐度盐滩 - 红树林系统的地下水动力学。利用地下水位和盐度的高分辨率时间序列，辅以水文化学和地球物理分析，我们探讨了控制盐滩含水层中盐度结构、潮汐传播和补给行为的机制。高盐度地下水塑造了红树林和其他盐生植物的生态生理，影响根区盐度、蒸腾甚至碳动态。盐滩向陆地从红树林延伸，可能为因海平面上升而退缩（陆向扩张）的红树林森林提供栖息地，然而近地表高盐度透镜体的存在可能会阻碍这种扩张。我们的研究结果旨在改善对这些极端环境如何运作、植被如何在长期盐度压力下持续存在，以及盐滩含水层可能如何响应正在进行的气候和海平面变化的理解。

章节片段
野外地点
研究于 2022 年 8 月至 2025 年 7 月在西澳大利亚西北部埃克斯穆夫湾吉拉利亚湾的红树林和盐滩进行（图 1）。埃克斯穆夫湾是一个浅水、半封闭的海湾，长约 75 公里，深度不足 20 米，西面和南面毗邻低起伏的半岛。该湾位于卡纳封盆地（Carnarvon Basin）的近岸部分，下伏钙屑岩岩性单元，覆盖着晚全新世页岩和砂岩沉积物。

土壤水力传导率
对采集岩芯进行的粒度分析结果作为科泽尼 - 卡曼（Kozeny-Carman）方程的输入，返回极低的水力传导率值（<10?? m/s，图 4）。此外，在时间序列期间通过霍尔斯列夫（Horslev）方法进行的两次水锤试验进一步测试了水力，得出水力传导率为 5.6 × 10?? m/s，其中在扰动（如井安装和抽水，例如 2024 年 11 月，图 5）后，水位需要近一周才能恢复。两者之间的差异

讨论
我们的结果表明，埃克斯穆夫湾的盐滩 - 红树林含水层以极低的水力传导率、潮汐信号在盐滩横向的快速衰减以及密度分层高盐度透镜体的持续性为特征。这些特征共同定义了一个与开阔海洋基本脱钩的地下水系统，其动力学主要由蒸发浓缩和罕见的气候扰动控制。半日 M2 潮汐的扩散长度

结论
干旱盐滩 - 红树林含水层可以作为强烈承压、蒸发主导的系统运行，其中低渗透性的分层沉积物结构限制地下水运动，潮汐影响主要作为水压传递，而非通过大量水体交换。在埃克斯穆夫湾南部的潮间带地点，这种水文地质结构支持了一个源自海洋、与沿海海洋基本隔离的持续高盐度地下水透镜体，但

CRediT 作者贡献声明
Amy Stone：写作 – 审阅与编辑，可视化，方法论。Ian Cartwright：写作 – 审阅与编辑，验证，方法论，概念化。Rachelle Pierson：资源，方法论，调查。Ruth Reef：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，项目管理，方法论，调查，资金获取，形式分析，数据管理，概念化。Sharyn Hickey：写作 – 审阅与编辑，可视化，方法论。

未引用的参考文献
Dare 等人，2012; Dos Reis-Neto 等人，2013.

利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争财务利益或个人关系。

致谢
本研究由澳大利亚研究理事会发现奖（DP220102873）资助，授予 RR、AMM 和 CEL。本研究是在国家计算基础设施（NCI）提供的资源和服务协助下完成的，该设施由澳大利亚政府支持。工作是在西澳大利亚公园与野生动物部许可证 CE007268 下进行的。我们感谢现已关闭的吉拉利亚站（Giralia Station）的 Denver 和 Jennifer 在早期阶段提供的后勤支持。

Ruth Reef|Ashley M. Matheny|Catherine E. Lovelock|Prudence V. Perry|Sharyn M. Hickey|Amy Stone|Rachelle Pierson|Ian Cartwright
澳大利亚维多利亚州克莱顿莫纳什大学地球、大气与环境学院，邮编 3800