图 两种主要的渗透陆架沉积物形式:硅酸盐砂(上图)和碳酸盐砂(下图)（来自Huettel et al.(2003)）

      首先，沙质沉积物中存在快速的水渗透及其携带的外部有机质和营养成分进入。沙质沉积物具有对水流的高渗透性特征，在潮汐、波浪和洋流等外力驱动下造成沙质沉积物中的压力波动，驱动上覆水与沙质沉积物的交换，导致孔隙水在沉积物中的分散混合，其发生速度可能是分子扩散的数倍。在上覆水与孔隙水的快速交换下，沙质沉积物充当于过滤系统，可以将上覆水中携带的氧气、悬浮颗粒、细菌、溶解有机质和营养盐吸附在孔隙中，研究表明，浅海大陆架在底流的作用下沙质沉积物的溶质通量可提高10倍。这部分进入沙质沉积物的外源物质改变了原有的氧化还原环境，并驱动了各生地化过程的发生。

      具体来说，氧气的供应改变了原有沉积物中的氧化还原环境，促进内部有机颗粒的降解，为碳氮生地化循环过程提供底物。比如沙质沉积物对浮游生物降解的能力随着沉积物渗透性的增加而增加。此外，上覆水与孔隙水的交换与沉积物内部的生地化反应的相互作用可能造成渗透层内复杂的三维地球化学空间结构，水体的平流会增强内部的浓度梯度，而扩散过程则起到消散和均匀化的作用。

       第二，近岸沙质沉积物中发现存在大量的底栖生物和微生物，是沙质沉积物物质循环过程的重要参与者。沙滩由于沙质海岸动态的、物理上不稳定的环境，往往缺乏大型动物物种，平均每个海滩有1到40个大型物种，全世界总共有100到1000个。然而，在每个海滩上那些鲜为人知的小型生物（小型底栖生物，meiofauna）能达到100多种，主要包括线虫、羽形虫和涡虫等，全世界有1000到10000种。此外，在沙滩中微藻以及各类微生物——细菌、真菌、纤毛虫等，同样也是种类丰富的。在潮汐的作用下，富氧水周期性冲刷的开放性孔隙网络结构和随之而来的动态化学作用支持了近岸沙滩内的物种多样性，而这些微生物和微型动物在沙质沉积物中有机物矿化，各营养物质循环过程中扮演重要角色。

      第三，颗粒物有机质含量与其粒径大小呈负相关关系，颗粒越大，有机质含量越少，粒径约10-20 μm的颗粒有机碳含量为1-5%，当粒径大于200 μm时有机碳含量低于0.05%。由于沙质沉积物通常由大粒径的石英砂或碳酸盐砂颗粒组成，通常具有较低的有机质含量，因此过往研究认为沙滩不存在活跃的生物地球化学过程。但现有研究发现，颗粒有机质的可降解性却与其粒径成正相关关系，大颗粒有机质含量虽然较低，但其可降解性却高于小颗粒有机质。比如，粒度小于100 μm时，降解常数为0.01-0.5 y^-1，而粒度为大于 200μm时，降解常数为0.05-3.5 y^-1。这种与传统认知相反的现象表明，沙质沉积物可能是地球化学循环的重要场所，其重要性远远超过以往的设想。

      第四，沙质沉积物的有机质输入不仅来自于上覆水体的生产和截留，底栖生物的初级生产是沙质沉积物有机质的重要来源之一。在浅水的边缘海区域，由于水体浊度较低，光渗透深度较大， 0.1%的表层光可到达海底，而这部分光可支持底栖环境中藻类和利用光的细菌的生长。研究发现大约30%的大陆架海床（总面积约为3.4 x 10 ⁸ km²）会发生显著的底栖生物初级生产过程。

      有限的实测数据表明沙质沉积物底栖初级生产速率的范围从接近零到大于800 mg C m^-2 d^-1，平均值为230 mg C m^-2 d^-1。基于平均值估计全球的底栖生物初级生产速率为2.9 x 10 ¹⁴ g C y^-1 (0.3 Gt y^-1)。而C. duarte得出海草(大部分生长在砂质沉积物上)的生产速率为0.6 Gt y^-1。沙质沉积物的底栖生产与海草生产相当，说明沙质沉积物中底栖生物的生产是重要的有机质来源。虽然这些估算存在很大不确定性，但它们的大小表明了底栖生物的生产对沙质沉积物的生物地球化学循环的具有潜在重要性。

      足够的证据表明沙质沉积物在地球系统生地化循环过程中具有重要的地位，越来越多的研究开始关注沙质沉积物中的元素生地化循环，探索其中的碳氮过程机制、环境调控机理及其生态与气候效应是未来的重要科学问题。

图 高潮(a)和低潮(b)期间沙质沉积物海底地下水排放及可能的相关氮循环过程示意图(改编自 Santos et al. (2021))。

本文来源：南海海洋资源利用国家重点实验室