研究簡(jiǎn)介:測(cè)量沉積物-水界面的O2通量是評(píng)估水生環(huán)境中底質(zhì)生產(chǎn)和有機(jī)物礦化的關(guān)鍵方法，對(duì)于理解水生環(huán)境中各種規(guī)模的生物地球化學(xué)循環(huán)的調(diào)控至關(guān)重要。傳統(tǒng)的底質(zhì)O2交換測(cè)量方法，如室內(nèi)孵化室和垂直O(jiān)2微輪廓的解釋，存在一些限制和潛在問題。例如孵化室可能會(huì)阻礙自然水動(dòng)力流動(dòng)，并且可能無法準(zhǔn)確反映自然底質(zhì)生物群落的密度和行為。微輪廓測(cè)量雖然能提供詳細(xì)的O2深度分布，但可能無法準(zhǔn)確反映較大尺度上的水平變異性，且難以從微輪廓中量化動(dòng)物對(duì)O2通量的貢獻(xiàn)。作為一種新興的非侵入性技術(shù)，渦動(dòng)相關(guān)測(cè)量技術(shù)在水生環(huán)境中被引入，用于測(cè)量沉積物-水界面的垂直O(jiān)2通量。與傳統(tǒng)方法相比，渦動(dòng)相關(guān)測(cè)量技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，如在真正的原位條件下進(jìn)行測(cè)量，對(duì)沉積物、環(huán)境光條件或海底邊界層流動(dòng)的干擾最小。渦動(dòng)相關(guān)測(cè)量技術(shù)可以在沉積物表面更大范圍內(nèi)集成數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)通量方法相比，能更精確地解析小尺度的垂直速度和O2濃度的波動(dòng)，這些波動(dòng)共同形成了渦動(dòng)通量信號(hào)。鑒于渦動(dòng)相關(guān)測(cè)量技術(shù)在水生環(huán)境中的新穎性，研究人員指出需要進(jìn)一步研究該技術(shù)的幾個(gè)方面，尤其是其精確度。這項(xiàng)技術(shù)能否準(zhǔn)確測(cè)量小通量，這對(duì)于全球海洋中超過90%的水域（水深超過250米）的沉積物來說尤其重要，因?yàn)檫@些區(qū)域雖然O2攝取率較低，但卻占據(jù)了全球底質(zhì)碳礦化的大部分。

Unisense水沉積物界面研究系統(tǒng)的應(yīng)用

unisense渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)被用于測(cè)量深海沉積物中的氧氣攝取率。渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)的核心包括一個(gè)聲學(xué)多普勒測(cè)速儀（ADV）和一個(gè)快速響應(yīng)的氧氣微電極，它們被直接安裝在一個(gè)放大器上。渦動(dòng)系統(tǒng)上使用的是Clark型的氧氣微電極，具有內(nèi)部參考和保護(hù)陰極，外尖端直徑約為5微米，能夠在約0.2秒內(nèi)捕捉到氧氣濃度的突然變化。渦動(dòng)相關(guān)組件被附加到一個(gè)自由下落的沉積物分析儀器上。在海底，遙控潛水器（ROV）將分析儀器定位，使渦動(dòng)相關(guān)儀器指向水流方向。渦動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)通過將8赫茲數(shù)據(jù)降采樣到1赫茲來減少噪聲，并計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)記錄周期的垂直渦動(dòng)通量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

渦旋相關(guān)通量與海底室通量之間的優(yōu)異一致性是本研究的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)。證明了今天可用的渦旋相關(guān)儀器是精確的，甚至可以用可接受的精度和準(zhǔn)確度解決小通量。這一結(jié)果的重要性得到了強(qiáng)調(diào)，因?yàn)榇蠹s1 mmol m–2 d–1數(shù)量級(jí)的O2通量在全球海洋中占主導(dǎo)地位，并且在沿海淺水區(qū)域是普遍存在的，光合作用產(chǎn)生的O2可以間歇性地抵消呼吸過程。這些結(jié)果對(duì)于將來將渦旋相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于其他溶質(zhì)的底部通量非常有希望，這些溶質(zhì)的微型傳感器已經(jīng)存在或可以開發(fā)，并且已知底部通量明顯小于O2的通量。

圖1、(A)貼附在自由下落的沉積物剖面儀角上的渦旋相關(guān)儀器。該儀器的笨重結(jié)構(gòu)阻止了某些流向的渦旋相關(guān)數(shù)據(jù)的未受干擾的記錄。(B)清澈的底部水域中渦旋相關(guān)儀器的近景。僅使用平均流速大于1厘米/秒且從紅色區(qū)域指向坐標(biāo)系中心的渦旋相關(guān)數(shù)據(jù)來計(jì)算通量。渦旋相關(guān)儀器包括(a)聲學(xué)多普勒測(cè)流儀(ADV)、(b)放大器和(c)快速響應(yīng)的O2微電極。

圖2、三個(gè)連續(xù)的13.5分鐘爆發(fā)的渦旋相關(guān)數(shù)據(jù)。(A)原始8赫茲速度數(shù)據(jù)（x、y、z）。可見的高頻噪聲源于底部水域中的低粒子濃度。(B)原始8赫茲O2濃度數(shù)據(jù)。(C)ADV記錄的每個(gè)爆發(fā)開始和結(jié)束時(shí)沉積物表面上方的速度和O2濃度的測(cè)量高度。(D)每個(gè)爆發(fā)的推導(dǎo)O2通量（柱形）和相關(guān)的累積通量（線）。

圖3、海底室中測(cè)量到的O2濃度（點(diǎn)），在其最終下降到海底時(shí)，當(dāng)ROV水平移動(dòng)時(shí)，實(shí)際孵育期間以及初始恢復(fù)期間測(cè)量。涵蓋了21.1和17.6小時(shí)周期的線性擬合（線）被用于通量提取。

圖4、七個(gè)代表性的O2微剖面（點(diǎn)），穿透深度從0.26到1.20厘米不等。擴(kuò)散邊界層中的梯度（綠線）用于估算O2通量。使用PROFILE剖面解釋軟件產(chǎn)生剖面擬合（藍(lán)線）、O2消耗率作為深度函數(shù)（藍(lán)色階梯曲線）和替代通量估計(jì)。在這7個(gè)剖面中，兩種擬合方法的均值一致，誤差不超過8%。

圖5、使用原位室、渦旋相關(guān)技術(shù)以及垂直沉積物剖面確定的平均O2通量

結(jié)論與展望

研究人員在日本相模灣的一個(gè)深海地點(diǎn)進(jìn)行了氧的渦流相關(guān)技術(shù)測(cè)量，并將其與原位室和垂直沉積物微剖面相比較，以確定沉積物-水界面的小氧通量。在這個(gè)1450米的深海地點(diǎn)，測(cè)得的平均氧攝取通量分別為：1.62±0.23(SE,n=7)mmol m–2 d–1，1.65±0.33(n=2)mmol m–2 d–1，和1.43±0.15(n=25)mmol m–2 d–1。渦流相關(guān)通量與室內(nèi)通量之間的非常好的一致性，為渦流相關(guān)技術(shù)提供了一個(gè)新的重要驗(yàn)證。這表明了今天可用的渦流相關(guān)儀器是精確的，甚至可以準(zhǔn)確地解析非常小的底棲氧通量。給出渦流通量的垂直速度和氧濃度的相關(guān)波動(dòng)的平均值為0.074 cm s–1和0.049μM。后者僅占底層水的平均氧濃度59μM的0.08%。這些特定的波動(dòng)是平均值，即使記錄到了更小的變化也有助于渦流通量的形成。研究結(jié)果表明，渦流相關(guān)技術(shù)是一種高度吸引人的替代傳統(tǒng)通量方法，可用于測(cè)量甚至非常小的底棲氧通量。應(yīng)用unisense渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)的部署和使用，使研究人員能夠在幾乎沒有干擾的原位條件下，精確測(cè)量深海沉積物的氧氣攝取率，這對(duì)于理解深海環(huán)境中的生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要意義。