研究简介:测量沉积物-水界面的O2通量是评估水生环境中底质生产和有机物矿化的关键方法，对于理解水生环境中各种规模的生物地球化学循环的调控至关重要。传统的底质O2交换测量方法，如室内孵化室和垂直O2微轮廓的解释，存在一些限制和潜在问题。例如孵化室可能会阻碍自然水动力流动，并且可能无法准确反映自然底质生物群落的密度和行为。微轮廓测量虽然能提供详细的O2深度分布，但可能无法准确反映较大尺度上的水平变异性，且难以从微轮廓中量化动物对O2通量的贡献。作为一种新兴的非侵入性技术，涡动相关测量技术在水生环境中被引入，用于测量沉积物-水界面的垂直O2通量。与传统方法相比，涡动相关测量技术具有显著优势，如在真正的原位条件下进行测量，对沉积物、环境光条件或海底边界层流动的干扰最小。涡动相关测量技术可以在沉积物表面更大范围内集成数据，与传统通量方法相比，能更精确地解析小尺度的垂直速度和O2浓度的波动，这些波动共同形成了涡动通量信号。鉴于涡动相关测量技术在水生环境中的新颖性，研究人员指出需要进一步研究该技术的几个方面，尤其是其精确度。这项技术能否准确测量小通量，这对于全球海洋中超过90%的水域（水深超过250米）的沉积物来说尤其重要，因为这些区域虽然O2摄取率较低，但却占据了全球底质碳矿化的大部分。


Unisense水沉积物界面研究系统的应用


unisense涡动相关系统被用于测量深海沉积物中的氧气摄取率。涡动相关系统的核心包括一个声学多普勒测速仪（ADV）和一个快速响应的氧气微电极，它们被直接安装在一个放大器上。涡动系统上使用的是Clark型的氧气微电极，具有内部参考和保护阴极，外尖端直径约为5微米，能够在约0.2秒内捕捉到氧气浓度的突然变化。涡动相关组件被附加到一个自由下落的沉积物分析仪器上。在海底，遥控潜水器（ROV）将分析仪器定位，使涡动相关仪器指向水流方向。涡动相关数据通过将8赫兹数据降采样到1赫兹来减少噪声，并计算每个数据记录周期的垂直涡动通量。


实验结果


涡旋相关通量与海底室通量之间的优异一致性是本研究的一个重要发现。证明了今天可用的涡旋相关仪器是精确的，甚至可以用可接受的精度和准确度解决小通量。这一结果的重要性得到了强调，因为大约1 mmol m–2 d–1数量级的O2通量在全球海洋中占主导地位，并且在沿海浅水区域是普遍存在的，光合作用产生的O2可以间歇性地抵消呼吸过程。这些结果对于将来将涡旋相关技术应用于其他溶质的底部通量非常有希望，这些溶质的微型传感器已经存在或可以开发，并且已知底部通量明显小于O2的通量。

图1、(A)贴附在自由下落的沉积物剖面仪角上的涡旋相关仪器。该仪器的笨重结构阻止了某些流向的涡旋相关数据的未受干扰的记录。(B)清澈的底部水域中涡旋相关仪器的近景。仅使用平均流速大于1厘米/秒且从红色区域指向坐标系中心的涡旋相关数据来计算通量。涡旋相关仪器包括(a)声学多普勒测流仪(ADV)、(b)放大器和(c)快速响应的O2微电极。

图2、三个连续的13.5分钟爆发的涡旋相关数据。(A)原始8赫兹速度数据（x、y、z）。可见的高频噪声源于底部水域中的低粒子浓度。(B)原始8赫兹O2浓度数据。(C)ADV记录的每个爆发开始和结束时沉积物表面上方的速度和O2浓度的测量高度。(D)每个爆发的推导O2通量（柱形）和相关的累积通量（线）。

图3、海底室中测量到的O2浓度（点），在其最终下降到海底时，当ROV水平移动时，实际孵育期间以及初始恢复期间测量。涵盖了21.1和17.6小时周期的线性拟合（线）被用于通量提取。

图4、七个代表性的O2微剖面（点），穿透深度从0.26到1.20厘米不等。扩散边界层中的梯度（绿线）用于估算O2通量。使用PROFILE剖面解释软件产生剖面拟合（蓝线）、O2消耗率作为深度函数（蓝色阶梯曲线）和替代通量估计。在这7个剖面中，两种拟合方法的均值一致，误差不超过8%。

图5、使用原位室、涡旋相关技术以及垂直沉积物剖面确定的平均O2通量


结论与展望


研究人员在日本相模湾的一个深海地点进行了氧的涡流相关技术测量，并将其与原位室和垂直沉积物微剖面相比较，以确定沉积物-水界面的小氧通量。在这个1450米的深海地点，测得的平均氧摄取通量分别为：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。涡流相关通量与室内通量之间的非常好的一致性，为涡流相关技术提供了一个新的重要验证。这表明了今天可用的涡流相关仪器是精确的，甚至可以准确地解析非常小的底栖氧通量。给出涡流通量的垂直速度和氧浓度的相关波动的平均值为0.074 cm s–1和0.049µM。后者仅占底层水的平均氧浓度59µM的0.08%。这些特定的波动是平均值，即使记录到了更小的变化也有助于涡流通量的形成。研究结果表明，涡流相关技术是一种高度吸引人的替代传统通量方法，可用于测量甚至非常小的底栖氧通量。应用unisense涡动相关系统的部署和使用，使研究人员能够在几乎没有干扰的原位条件下，精确测量深海沉积物的氧气摄取率，这对于理解深海环境中的生物地球化学循环具有重要意义。