珊瑚礁區海底地下水排泄的環境效應及其珊瑚記錄研究進展

姜偉，楊浩丹，吳星媛，余克服*，許慎棟，王英輝

(1.廣西大學 海洋學院，廣西 南寧 530004；2.廣西南海珊瑚礁研究重點實驗室，廣西 南寧 530004；3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海)，廣東 珠海 519080)

1 引言

作為海洋中生物多樣性最高和資源最為豐富的生態系統，珊瑚礁承擔著極其重要的資源與生態功能[1]，為全球數億人提供食物供給、休閑旅游、海岸保護等服務[2-3]。同時，作為對全球變化與人類活動最為敏感的生態系統之一[4]，珊瑚礁面臨著包括氣候惡化、水體污染和過度捕撈在內的前所未有的多重壓力[5-6]，在全球范圍內發生了嚴重退化。因此，珊瑚礁退化的驅動因素及機制一直是國際上研究的熱點問題[7-8]。珊瑚礁退化被認為是由一系列獨立和相互作用的局部及全球因素所共同驅動的[9]。雖然氣候異常導致的珊瑚熱白化被公認為全球范圍內珊瑚礁退化的主要因素[10]，但像緯度相對較高的南海北部海域，珊瑚礁退化往往是由局部的驅動因素主導的[1,11]。

作為海岸帶陸海相互作用的關鍵過程，海底地下水排泄（Submarine Groundwater Discharge，SGD）是海岸帶生物地球化學循環的一個重要源過程[12]。SGD的研究雖然早在19 世紀就已經開始，但由于其受限于不易現場調查觀測，而且對SGD 的研究還需要海洋科學、地下水科學以及地球化學等多個領域學者的共同合作，因此，直到20 世紀末，人們才逐漸認識到SGD 對沿海海域物質來源的巨大貢獻[13]。在一些海岸或海灣，SGD 甚至已經成為營養物質和重金屬元素等陸源物質向海洋輸送的最重要通道[14]。

近年來，珊瑚礁海域的SGD 對珊瑚礁生態系統具有極為顯著的潛在負面影響[15-16]，因此得到了越來越多的關注[16-23]。以“submarine groundwater discharge”和“coral reef”作為共同關鍵詞在Web of Science 上共檢索到110 篇文獻。最早的文獻出現在1997 年，自2012 年之后，尤其是2017 年以來珊瑚礁區SGD 的研究論文數量迅速增長（圖1）。但從全球范圍內來看，珊瑚礁區SGD 的相關研究較為有限。其中，準確描述SGD 所攜帶物質排放的時間地點的分布模式和深入了解SGD 所攜帶物質的來源和供應，進而對自然或人為活動可能造成的影響進行有效評估成為相關研究的主要方向。因此，對SGD 通量的長時間序列和高分辨率變化記錄的研究顯得尤其重要[23]。而作為熱帶海洋中理想的古環境記錄載體，珊瑚礁區的大型濱珊瑚骨骼中記錄的地球化學信號恰好可以用來反演SGD 通量的歷史變化，并已經廣泛應用于全球各個珊瑚礁海域[24-26]。

圖1 珊瑚礁區SGD 研究文獻分布(關鍵詞：“submarine groundwater discharge”和“coral reef”，統計于2019 年10 月30 日)Fig.1 The record of published articles about SGD in coral reefs (key words:“submarine groundwater discharge” and “coral reef”,according to statistics obtained on October 30th,2019)

為了深入了解珊瑚礁區SGD 的歷史變化記錄及其環境意義，本文將結合全球已有的研究并以南海北部主要珊瑚礁區為例，系統介紹珊瑚礁區的SGD 珊瑚記錄的研究案例、替代指標及其局限性，并對SGD 及其攜帶物質對珊瑚礁發育和退化的潛在影響進行了總結。

2 南海北部珊瑚礁退化驅動因素

在過去的幾十年中，全球珊瑚礁發生了嚴重退化，而氣候異常導致的珊瑚熱白化已經成為全球范圍內珊瑚礁退化的主要因素[10]。雖然在南海也出現了珊瑚熱白化的歷史記錄[27-28]，但總體而言，南海北部珊瑚礁分布位于世界珊瑚礁分布北緣，離赤道較遠，受厄爾尼諾等異常氣候的影響相對較小。此外，健康的珊瑚礁應對自然氣候變化時具有非常強的彈性和自然恢復能力[29-30]。例如，三亞野豬島珊瑚礁在2010年遭遇了升溫和臺風的雙重影響，活造礁石珊瑚覆蓋率從80%降低到30%，但僅在1 年之后就發生了自然恢復[31]。值得注意的是，南海北部由于其地處相對高緯度的亞熱帶海域，在全球變暖的氣候背景下甚至可能成為未來的“珊瑚避難所”[32-34]。由此可見，引起南海北部珊瑚礁退化的主要驅動因素并不是全球氣候變化引發的升溫，而是逐漸加劇的人類活動[1]。

這些人類活動主要包括：（1）過度捕撈導致的珊瑚礁生態系統內的草食性生物量大幅度減少，進而致使珊瑚礁生態系統的嚴重失衡[11,35-36]；（2）采挖珊瑚等活動，直接減少了珊瑚礁資源量，間接地破壞了礁盤[11,35-36]；（3）海灣的養殖魚排、近岸的養殖池塘和深水網箱養殖等造成的水質污染和生物資源浪費[37]；（4）未經處理的生活和農業污水的排放也影響著近岸區域的水質環境[11,36]，特別是營養鹽太多會引起生態系統失衡以及生物侵蝕，阻礙珊瑚的自然恢復[37-40]；（5）海洋工程（挖泥和拋泥）和土壤侵蝕等造成的水質退化等[35-36]。

20 世紀90 年代以后，隨著珊瑚礁自然保護區（如三亞、徐聞珊瑚礁自然保護區等）的建立和珊瑚礁立法保護的出現，以過度捕撈、采挖珊瑚和海洋工程為代表的人類活動對珊瑚礁的影響得到較為有效的遏制[11]，但南海北部近岸主要珊瑚礁區活珊瑚覆蓋度仍然處于快速下降趨勢[1,35]。根據國家海洋局南海分局發布的《2016 年南海區海洋環境狀況公報》[41]，南海近岸局部海域污染嚴重，部分水體呈富營養化狀態，所監測的近岸海域典型生態系統中，半數處于亞健康狀況。因此，南海北部珊瑚礁所面臨的形勢依然十分嚴峻。在當前珊瑚礁所面臨的各類威脅中，通過地表和地下徑流輸入到近海海域的陸源物質，尤其是與流域施肥和污水排放相關的過量營養物質，被認為對珊瑚礁的退化起著不容忽視的作用[6,42-46]，也極有可能是南海北部珊瑚礁快速退化的主要驅動因素[17-18]。

3 珊瑚礁區SGD 特征及環境效應

作為全球水循環的重要組成部分，SGD 是海洋中水及營養物質的重要來源之一（圖2），同時也是各類污染物從陸地向海洋輸送的一個重要而隱蔽的通道[13]。除了輸入豐富的營養物質以外，SGD 還可以改變近海海洋環境中的總堿、可溶無機碳含量以及海水pH 等[17,47-48]。由于SGD 在許多近岸海域具有比地表徑流更高的營養物質、碳及金屬元素含量[48-53]，更高的氮/磷比例[53-57]以及與地表徑流相當的通量[14,53,58-60]，因而其對珊瑚礁生態系統的多樣性具有十分顯著的影響[15-16]。盡管SGD 本身就具有非常豐富的營養物質，人類活動還可以進一步提高SGD 的營養物質水平[53,61]。此外，與受到降水驅動的河流[62]不同的是，SGD 受地下河口與近海之間的水文梯度驅動，也就是受到潮汐的調節[17,48,63]。由于潮汐的驅動，受到SGD 影響的近海海洋系統在1 天或者半天的時間尺度上經常可以觀測到富含營養物質的SGD 的脈沖信號，進而導致短期的營養物質水平變率提高[64]。

圖2 珊瑚礁區SGD 示意圖（以火山島嶼為例）Fig.2 Schematic diagram of SGD in coral reefs (a case of volcanic island)

研究證實，許多近海海域的富營養化和藻類暴發性繁殖，均與當地SGD 輸送的營養物質具有非常密切的關系[65-70]。而過量的營養物質輸入正是珊瑚礁退化的最主要驅動因素之一[15,40]。一方面，營養鹽過量會刺激藻類大量繁殖而導致富營養化，使得珊瑚失去與大型藻類的競爭優勢，嚴重阻礙珊瑚礁的自然恢復[39-40]；另一方面，大型藻類的大量繁殖也會促進侵蝕性無脊椎動物和內巖生微生物的生長，進而導致珊瑚生物侵蝕加劇[15,38,40,64,71-72]。此外，SGD 與近岸海洋酸化[17,73]也具有密切的聯系，而這些也會嚴重制約珊瑚礁的生長[64,74]。一般來說，珊瑚礁區的pCO2的變異性會由于SGD 所攜帶的營養物質對光合作用/呼吸作用的刺激而增強[46]。

盡管SGD 養分輸入也會驅動生物初級生產力增強[75]，進而可以影響海水的化學組成，但在SGD 營養物質非常豐富或SGD 通量很高的系統中，地下水化學組成可以壓倒生物過程而在改變海水化學組成過程中占據主導地位[47]。實際上，營養元素和pH 的相互作用對珊瑚礁關鍵生態功能的影響還需要根據不同珊瑚礁海域的特點進行評估[76]。總之，由于珊瑚礁主要位于寡營養鹽區域，過量營養物質成分的輸入會導致珊瑚礁碳酸鈣骨架逐漸被藻類所取代[74,77]，進而導致珊瑚礁的退化[47,78]。此外，最近的一項研究指出SGD 還可以通過控制營養鹽水平，鹽度以及潛在的病原體來源等因素顯著降低珊瑚的健康水平和恢復能力，甚至導致珊瑚疾病的爆發[79]。

珊瑚礁區SGD 在全球各個海域都得到了廣泛的關注，如太平洋[17,21,23,48,64,79-82]、澳大利亞[73,83-84]、中北美洲及加勒比海海域[85-87]等。但在南海北部海域，除了少數研究以外[17-18]，大部分研究并非專門針對珊瑚礁區SGD 對珊瑚礁生態系統的潛在影響，而是其研究區域恰好處于珊瑚礁區。由于受限于不易現場觀測和歷史數據極度缺乏，目前珊瑚礁區SGD 的相關研究主要聚焦于特定時間內珊瑚礁區SGD 所攜帶的豐富營養物質和pCO2等[17-18,20,84]對海水化學的影響，而關注到SGD 長時間序列動態變化[88]的研究則十分缺乏[26]。

4 珊瑚礁區SGD 的代用指標研究進展

作為SGD 的主要特征元素，鋇[24,89-92]和稀土元素[25,93-98]的相關研究已經較為成熟。幸運的是，珊瑚礁海域的表層海水鋇和稀土元素的時間序列變化已經被證實可以從各個海域的珊瑚文石骨骼中得到，諸如，北太平洋海域[25,99]、東大西洋海域[24,100]、南海[101-104]、南太平洋海域[105]、大堡礁海域[106]和西印度洋海域[107]。比較特殊的是，在沒有較大入海河流而只有SGD 的海域，珊瑚記錄的表層海水鋇和稀土元素含量變化與當地SGD 通量具有十分顯著的相關性（圖3）[24-26]，并被應用于SGD 通量年際變化歷史的重建（圖4a）。因此，根據珊瑚地球化學指標來重建局部海域的SGD 具有較強的可操作性。值得注意的是，海水中的溶解物質除了與新鮮的SGD 有關[108]，還與海水在沉積物中的再循環有關。

實際上，在SGD 的常用研究方法中，鐳[59]和氡[109]同位素示蹤法應用最為廣泛，同時也是大尺度評估海底地下水排泄最為有效的方法[13]。珊瑚礁海域具有較低的放射性水平[110-111]，因此，極少有人關注珊瑚骨骼的放射性水平。但是，近年來已有研究精確地測量了珊瑚文石骨骼中的鐳等放射性核素含量[112-113]，這使得利用珊瑚文石骨骼中的鐳等放射性核素含量來反演表層海水中的含量在時間序列上的變化，進而來重建局部海域SGD 通量的變化歷史成為可能。

近年來，由于SGD 輸入的氮元素在珊瑚礁生態系統中的重要地位，珊瑚骨骼有機質中的 δ15N（CSδ15N）被成功用于重建珊瑚礁海域氮元素來源和供應的長時間序列的動態變化記錄[88,114-116]。原始珊瑚礁通過洋流、河流和地下水輸入以及大氣沉降從周圍地區收集包括氮在內的外部營養物質[117]。由于SGD攜帶的氮（δ15N 富集）[118]，生物固定的氮（δ15N 虧損）[119]，以及深海來源的氮（δ15N 具有定值，如南大洋約為7‰）[120]均具有鮮明的特征，該方法可以有效地對不同來源的氮進行區別。Erler 等[88]成功地將該方法應用于南太平洋熱帶島嶼，利用長時間序列的CS-δ15N重建了過去1 個世紀左右與農業有關的SGD 氮輸入變化歷史（圖4b）。此外，CS-δ15N 還被成功用于追蹤珊瑚礁生態系統中SGD 的空間分布[121-124]。

5 存在問題

圖3 南海北部三亞海域珊瑚稀土元素（REE）與鈣（Ca）比值和控制SGD 的降雨量相關關系（a，數據（3 年滑動平均）來源于文獻[26]）; 加勒比海尤卡坦半島海域珊瑚鋇（Ba）與Ca 比值和控制SGD 的降雨量相關關系(b，數據來源于文獻[24]）Fig.3 The correlation between coral REE/Ca and SGD-associatived precipitation near Sanya in the northern South China Sea (a,data(3-year running average) from reference [26]); the correlation between coral Ba/Ca and SGD-associatived precipitation near Yucatan Peninsula in the Caribbean (b,data from reference [24])

圖4 基于珊瑚稀土元素重建的南海北部海南島三亞海域SGD 通量年際變化歷史（a，XL1 為珊瑚代號，數據來源于文獻[26]）; 南太平洋拉羅湯加島珊瑚骨骼有機質中δ15N 記錄的SGD 氮輸入變化歷史（b，RO1 和RL1 分別為珊瑚代號，兩個黑色箭頭分別代表兩次農業繁榮時期的開端，青色背景代表δ15N 高值時期，數據來源于文獻[88]）Fig.4 The reconstructed annual variations of SGD flux near Sanya of Hainan Island in the northern South China Sea based on coral REE(a,XL1:coral label,data from reference [26]); the input record of N based on δ15N in coral skeleton organic material in the Rarotonga,South Pacific (b,RO1 and RL1:coral label.The black arrows show the start of two agricultural booms.The cyan background represents the elevated period of δ15N,data from reference [88])

首先，以南海北部為代表的近岸珊瑚礁SGD 得到的關注極為有限。在全球范圍內，SGD 約占淡水入海總量的6%～10%，其中，僅1/3 的SGD 來自于熱帶的大型島嶼[52]。但是，前人的研究卻主要聚焦于熱帶島嶼[21,23,54,61,63,75,84,88,125]，而對人為活動更為頻繁，同時面臨的威脅也更大的近岸珊瑚礁的關注很少。例如，南海北部珊瑚礁分布位于世界珊瑚礁分布的北緣，受到異常氣候的影響不是特別顯著，逐漸加劇的人類活動是南海北部珊瑚礁退化的主要驅動因素[1]。目前，該海域珊瑚礁區的SGD 研究較為薄弱，少數已有研究主要聚焦于特定時間內珊瑚礁區SGD 的通量及其所攜帶的物質[17-18]。

其次，極其缺乏直接或間接的SGD 長時間序列動態變化的歷史記錄。由于具有容易現場監測和相關歷史數據豐富的特點，地表徑流所攜帶物質對珊瑚礁生態系統的影響以及珊瑚對其記錄與響應等相關研究較為充分[15,42-43,46,101,105-106,126-129]。值得注意的是，我國生態環境部（2018 年之后）/國家海洋局（2018 年之前）及其下屬機構每年發布的海洋環境狀況公報都重點關注入海河流污染物排放的監測，但卻從未涉及海底地下水排放[130-131]。實際上，20 世紀60 年代以來的旅游業和農業的快速發展已經導致近海含水層受到了人為污染的影響[132-133]。然而，由于現有的數據資料有限，無法描述SGD 所攜帶物質排放的時間地點的分布模式，進而無法對人為活動造成的影響進行有效評估。總之，我們對南海北部珊瑚礁SGD 所攜帶物質的來源和供應的了解存在嚴重不足，尤其是極度缺乏SGD長時間序列的動態變化記錄。事實上，全球范圍內SGD 長時間序列的動態變化記錄也是極為稀少的。

6 結論與展望

珊瑚礁在礁體建造的過程（如珊瑚生長）和分解的過程（如生物侵蝕）之間保持平衡[38]。珊瑚的生長和生物侵蝕都對受到SGD 改造的水體化學變化十分敏感，如富營養化[15,74]和海水酸化[74,134-136]。雖然評估特定時間內SGD 對于理解近海生物地球化學過程具有非常重要的意義[21,60,137]，但由于缺乏直接或間接的測量數據，使得評估過去幾年到幾十年乃至上百年的SGD 極為困難。顯然，這些不足嚴重妨礙了我們對SGD 對珊瑚礁影響機制及其關鍵過程的深入理解。因此，開展珊瑚礁區SGD 在時間序列上的變化歷史及其對珊瑚礁的環境效應方面的研究具有十分重要的科學意義。而珊瑚文石骨骼的地球化學指標則是記錄鄰近海域SGD 的天然理想載體。基于此，可以利用珊瑚礁區的大型濱珊瑚骨骼地球化學指標，重建珊瑚礁區SGD 長時間序列動態變化歷史記錄。一方面能夠填補珊瑚礁海域SGD 長期動態變化歷史的研究空白，理解SGD 攜帶物質對于珊瑚礁生物地球化學過程的影響，并對SGD 對珊瑚礁的潛在影響以及人類活動在其中所扮演的角色進行有效評估；另一方面，深入了解珊瑚礁的物質來源與動態，可以進一步掌握珊瑚礁在全球變化背景下的適應能力，并為珊瑚礁生態系統的保護和修復提供科學依據。