研究簡(jiǎn)介:測量沉積物-水界面的O2通量是評估水生環(huán)境中底質(zhì)生產(chǎn)和有機物礦化的關(guān)鍵方法，對于理解水生環(huán)境中各種規模的生物地球化學(xué)循環(huán)的調控至關(guān)重要。傳統的底質(zhì)O2交換測量方法，如室內孵化室和垂直O2微輪廓的解釋?zhuān)嬖谝恍┫拗坪蜐撛趩?wèn)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(wú)法準確反映自然底質(zhì)生物群落的密度和行為。微輪廓測量雖然能提供詳細的O2深度分布，但可能無(wú)法準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O2通量的貢獻。作為一種新興的非侵入性技術(shù)，渦動(dòng)相關(guān)測量技術(shù)在水生環(huán)境中被引入，用于測量沉積物-水界面的垂直O2通量。與傳統方法相比，渦動(dòng)相關(guān)測量技術(shù)具有顯著(zhù)優(yōu)勢，如在真正的原位條件下進(jìn)行測量，對沉積物、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)測量技術(shù)可以在沉積物表面更大范圍內集成數據，與傳統通量方法相比，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。鑒于渦動(dòng)相關(guān)測量技術(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。這項技術(shù)能否準確測量小通量，這對于全球海洋中超過(guò)90%的水域（水深超過(guò)250米）的沉積物來(lái)說(shuō)尤其重要，因為這些區域雖然O2攝取率較低，但卻占據了全球底質(zhì)碳礦化的大部分。

Unisense水沉積物界面研究系統的應用

unisense渦動(dòng)相關(guān)系統被用于測量深海沉積物中的氧氣攝取率。渦動(dòng)相關(guān)系統的核心包括一個(gè)聲學(xué)多普勒測速儀（ADV）和一個(gè)快速響應的氧氣微電極，它們被直接安裝在一個(gè)放大器上。渦動(dòng)系統上使用的是Clark型的氧氣微電極，具有內部參考和保護陰極，外尖端直徑約為5微米，能夠在約0.2秒內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)數據通過(guò)將8赫茲數據降采樣到1赫茲來(lái)減少噪聲，并計算每個(gè)數據記錄周期的垂直渦動(dòng)通量。

實(shí)驗結果

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。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確度解決小通量。這一結果的重要性得到了強調，因為大約1 mmol m–2 d–1數量級的O2通量在全球海洋中占主導地位，并且在沿海淺水區域是普遍存在的，光合作用產(chǎn)生的O2可以間歇性地抵消呼吸過(guò)程。這些結果對于將來(lái)將渦旋相關(guān)技術(shù)應用于其他溶質(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(kāi)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。該儀器的笨重結構阻止了某些流向的渦旋相關(guān)數據的未受干擾的記錄。(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/秒且從紅色區域指向坐標系中心的渦旋相關(guān)數據來(lái)計算通量。渦旋相關(guān)儀器包括(a)聲學(xué)多普勒測流儀(ADV)、(b)放大器和(c)快速響應的O2微電極。

圖2、三個(gè)連續的13.5分鐘爆發(fā)的渦旋相關(guān)數據。(A)原始8赫茲速度數據（x、y、z）?？梢?jiàn)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濃度數據。(C)ADV記錄的每個(gè)爆發(fā)開(kāi)始和結束時(shí)沉積物表面上方的速度和O2濃度的測量高度。(D)每個(gè)爆發(fā)的推導O2通量（柱形）和相關(guān)的累積通量（線(xiàn)）。

圖3、海底室中測量到的O2濃度（點(diǎn)），在其最終下降到海底時(shí)，當ROV水平移動(dòng)時(shí)，實(shí)際孵育期間以及初始恢復期間測量。涵蓋了21.1和17.6小時(shí)周期的線(xiàn)性擬合（線(xiàn)）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。擴散邊界層中的梯度（綠線(xiàn)）用于估算O2通量。使用PROFILE剖面解釋軟件產(chǎn)生剖面擬合（藍線(xiàn)）、O2消耗率作為深度函數（藍色階梯曲線(xiàn)）和替代通量估計。在這7個(gè)剖面中，兩種擬合方法的均值一致，誤差不超過(guò)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。研究結果表明，渦流相關(guān)技術(shù)是一種高度吸引人的替代傳統通量方法，可用于測量甚至非常小的底棲氧通量。應用unisense渦動(dòng)相關(guān)系統的部署和使用，使研究人員能夠在幾乎沒(méi)有干擾的原位條件下，精確測量深海沉積物的氧氣攝取率，這對于理解深海環(huán)境中的生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要意義。