海底地下水排泄(Submarine Groundwater Discharge，SGD)作为海陆相互作用的重要过程日益受到水文学界以及生物地球化学界的关注和重视。目前，相关研究工作主要集中在SGD在营养盐的输运及其对海洋生态环境的影响;而SGD在近海碳循环中的作用则尚少涉猎。此外，在地下水排泄入海的过程中，很多物质经历了与地表河口类似的生物地球化学反应和改性，因此，地下河口(STE)是研究物质生物地球化学过程的重要区域，对于准确评估SGD输送的物质通量至关重要。但是目前关于地下河口中碳酸盐体系的行为及其控制因素的相关研究鲜有报道。由此，本论文的研究目标主要有二，即：　　 (1)评估SGD所载带的溶解无机碳(DIC)对陆架系统无机碳循环的影响;　　 (2)地下河口中碳酸盐体系的生物地球化学过程。　　 为了更好的理解SGD在碳的输运及其生物地球化学过程中的作用，本论文进行了大量的对比研究，包括不同类型的陆架系统之间的对比，如南海北部陆架区(NSCS以河流为主导的陆架区)和佛罗里达西南陆架区(SWFS以地下水为主导的陆架区)之间的比较;也包括了地表河口与地下河口之间的对比，并在美国马萨诸塞州科德角瓦库伊特湾的一个地下河口进行了时间序列采样。　　 南海北部陆架区由世界主要大河-珠江主导，该地区沉积物以砂质碎屑和花岗岩为主，2008年6-7月我们测量了海水四种镭同位素(223Ra、224Ra、226Ra、228Ra)活度，和相关碳酸盐体系参数。为了界定与之对应的地下水端元，我们分别于2008年12月和2010年10月在沿海地区进行了两次地下水采样。研究结果表明南海北部陆架区镭同位素的分布主要受控于珠江冲淡水和沿岸上升流。长寿命镭同位素(228Ra和226Ra)在河流冲淡水中含量较高，而在远岸表层和次表层海水/上升流区含量较低。但是短寿命镭同位素(224Ra和223Ra)在次表层海水/上升流区和河流冲淡水中含量较高，而在远岸表层水中含量较低。为了估算SGD通量，我们采用了两种独立的数学方法进行计算。第一种方法是应用总碱度(TAlk)和镭同位素建立三端元混合模型，得到南海北部陆架地区的SGD通量为(2.3-3.7)×108 m3·d-1。第二种方法是建立228Ra和226Ra的质量守恒模型，得到了与方法一几乎一致的结果，即SGD通量为(2.2-3.7)×108 m3·d-1。该通量相当于珠江入海通量的12-21％。尽管与河流相比，SGD的水流量相对较小，但由于SGD主要来自海源地下水（再循环的海水），含有相对较高的各种溶解性物质，因此，由SGD带来的各种物质的通量可能是非常可观的。我们估算了该地区SGD输入的DIC通量为(153-347)×109 mol·a-1，相当于河流DIC输出通量的23-53％。如果将该通量除以该区域海岸线长度，则DIC单位海岸线长度通量为(5-11)×108 mol·km-1·a-1。SGD的磷酸盐通量为(3-68)×107 mol·a-1，这些磷酸盐可能会为陆架地区带来0.2-6.3mmol·C·m-2·d-1的新生产力。而这些生产力最多可消耗由SGD带来DIC通量的11％。由此可知，SGD在南海北部陆架地区的碳收支平衡中起着非常重要的作用。　　 佛罗里达西南陆架区以地下水为主导，地表径流输入较少，沉积物以碳酸盐为主。同样，我们利用226Ra质量守恒原理估算了该地区2009年7月和10月的SGD通量（海源+陆源地下水），分别为(14±8)×107和(12±7)×107 m3·d-1，其中的陆源地下水（淡水）流量大约占SGD总量的15％。陆源地下水流量分别相当于7月和10月当地河流总流量的128％和279％。我们采样期间处于雨季，陆架水体226Ra-DIC，226Ra-TAlk之间均存在显著的正相关性，表明该季节DIC和TAlk受地下水排泄的影响。由镭质量守恒计算所得到的SGD通量，结合实测地下水端元点的DIC和TAlk浓度，我们可以计算出2009年7月和10月SGD在佛罗里达西南陆架区输送的DIC通量分别为(4.9±2.4)×108和(4.2±2.1)×108 mol·d-1，TAlk通量分别为(3.5±1.6)×108和(3.1±1.4)×108 mol·d-1。如果将DIC通量除以该地区的海岸线长度(210km)，则可得单位海岸线长度上的DIC通量为(7-9)×108 mol·km-1·a-1。佛罗里达西南陆架区由SGD带来的平均DIC和TAlk通量，相当于当地河流输入总量的8-16倍。根据2009年雨季陆架研究区的DIC收支，也表明SGD是佛罗里达西南陆架区DIC的主要来源，而DIC的主要输出是与墨西哥湾水的混合。因此，由SGD所带来的DIC是佛罗里达西南陆架区碳收支和碳循环的重要组成部分。　　 为了更好的理解地下河口中碳酸盐系统的生物地球化学过程，2009年5月-2010年6月，我们在科德角瓦库伊特湾进行了月际时间序列采样。需要指出的是，在采样期间，研究区域受到厄尔尼诺和北大西洋涛动的影响，使得该地区具有较高的海平面高度。此外，我们于2008年12月和2010年10月在南海北部陆架区地下河口进行了两次采样。这两个地下河口的CO2分压(pCO2，9-61 matm)都远高于大气pCO2(～0.39 matm)，与表层海水相比都表现出较高的DIC/TAlk比值(～＞1)，这表明SGD可能会增加海水DIC/TAlk比值，进而降低其对大气CO2的缓冲能力。虽然瓦库伊特湾和南海北部陆架区地下河口均是以砂质碎屑岩为主的含水层，但是DIC和TAlk却表现出完全不同的行为。南海北部陆架区陆源地下水中的DIC(平均4002μmol·L-1)和TAlk浓度(平均3301μmol·L-1)均高于海水，并且在与入侵海水混合的过程中产生了添加。高DIC、高TAlk以及添加过程可能是由强烈微生物活动引起的有机质降解所致。地下水中NH4+和DIC具有良好的正相关性(R2=0.90，n=9)，也可以进一步证明该点。中等盐度区存在DIC和TAlk的最大释放量，可能是由于碳酸钙溶解、好氧呼吸、反硝化和锰还原等过程引起。　　 在瓦库伊特湾地下河口中，DIC和TAlk都与盐度呈正相关，表明陆源地下水中DIC和TAlk低于海源地下水。DIC在中等盐度区保守混合占主导，高盐度区则有添加;而对于TAlk，在中盐度区其行为随季节变化（有些季节表现为保守混合，而有些季节则表现为去除过程），但在高盐度区表现为添加。中盐度区TAlk的去除过程，可能是由于在pH和溶解氧(DO)梯度的驱动下，铁锰氧化产生H+所造成。而在高盐度区TAlk和DIC的添加作用，可能是由于入侵海水经过沉积物进入地下河口时带来丰富的有机质，产生各种成岩反应所致。我们的研究结果表明，2010年6月该地区地下河口高盐度区DIC的添加量，大约有54％来自好氧呼吸，40％来自反硝化，6％来自锰的还原反应。此外，我们还观测到2009年11月陆源地下水存在一些异常高的DIC和TAlk值，这可能是由于某个淡水源的入渗和现场有机质的降解所致。通过月际时间序列采样，我们发现，与地下河口的中盐度区域(盐度5-10)相比，陆源地下水DIC和TAlk存在较小的月时间变化(9-34％)。在地下河口的混合区，SGD的量级及其与海水之间的相互作用，都会对沉积物-水界面处的物质通量产生影响。对比季节性变化，夏、秋季（水力梯度小），地下河口表现为瓦库伊特湾TAlk的弱源或弱汇;冬、春季（水力梯度大），地下河口始终表现为瓦库伊特湾TAlk的源。对于DIC而言，在所有的季节，地下河口都是湾水DIC的源。我们通过近似的计算得知，瓦库伊特湾海底地下水排泄的DIC月平均通量为87 mol·m-1·month-1，TAlk的月平均通量为24 mol·m-1·month-1。DIC通量大于TAlk通量说明SGD输入近海的DIC主要是游离CO2。根据瓦库伊特湾地下河口DIC和TAlk的收支模型显示，地下河口中DIC的年添加量为419 mol·m-1·a-1，相当于地下水DIC入海通量的19％;地下河口TAlk的年输入量与其输出量相当，因此就年平均变化来看，TAlk在地下河口混合带中中盐度区的去除量和高盐度区的添加量是相当的。在瓦库伊特湾，水力梯度受控于季节性的海水位变化，从而驱动地下河口陆源地下水和海源地下水盐度混合带的移动。随着气候变化，例如我们的采样年份受到厄尔尼诺的影响，海水面上升，地下河口的盐度界面会向陆地方向移动，从而增加了海源地下水的通量，促进了DIC在地下水高盐区的添加作用。但是地下河口中TAlk的去除和添加量相当，说明海底地下水排泄的TAlk通量是由陆源地下水主导的，因此海水位的上升对海源地下水的TAlk输出通量影响不大。与海源地下水相比，陆源地下水的入海通量及其中的DIC、TAlk浓度月变化差异性较小。因此，海水位上升将会增加SGD的DIC通量，但是对TAlk输出通量影响不大。使得排放到瓦库伊特湾的SGD通量将会更大、SGD载带的游离CO2通量将会更高，从而进一步提高湾水的DIC/TAlk比值，削弱湾水对大气CO2的缓冲能力。　　 综上所述，南海北部陆架区（河流主导）和佛罗里达西南陆架区（地下水主导）SGD都具有显著的、并且数量相当的DIC通量，说明SGD是近岸海水重要的DIC来源。地下河口中碳酸盐系统的时空变化剧烈，受到复杂的生物地球化学过程调控。