海岸带区域内，穿过沉积物-海水界面的溶解氧通量是研究水体环境内生物地球化学循环周转的重要指标。由于传统采样方法存在局限性，原位观测仪器布放难度较大，因此砾石海滩环境下的溶解氧通量研究还较少。利用非侵入性的涡动相关技术对青岛汇泉湾潮间带砾石基底的底栖溶解氧通量做出评估。涡动相关原位观测结果表明，在一个涨潮期内溶解氧通量变换范围为-16.7888±5.0～+49.3344±3.7mmol O2/m2/d。不稳定的通量结果表明近海潮间带底栖溶解氧通量在涨潮时段主要受波浪作用影响呈现出极为复杂的变化形式。频谱分析表明汇泉湾潮间带底栖溶解氧主要受东南向波浪作用控制，0.093～0.279 Hz(对应时间间隔为3.58～10.75s)频带为其主要贡献频段。通过对不同时刻累加共谱的比较分析，可以推断波浪作用和破碎波作用分别在涨潮期前后对底栖溶解氧通量变化起着主导推进作用。此项研究也表明涡动相关技术可应用于近海潮间带底栖溶解氧观测，为从宏观到微观研究海岸带生物地球化学进程研究提供了新的观测手段。


海床是水体与沉积物间地球化学和生物进程紧密耦合的区域。沿海近岸的沉积物-海水界面既是有机质成岩作用的重要场所，也是溶质和颗粒物交换循环的活跃地带。因此，界面间的溶解氧通量作为地球化学反应中的重要参数，是评估海底边界层碳矿化和初级生产的关键指标之一。准确测定溶解氧通量对研究不同时空尺度上生物地球化学循环与生态系统活性至关重要。


传统上，一般使用底栖通量室或微电极剖面法原位测量底边界层溶解氧通量。底栖培养室技术是将开口箱体嵌入到表层沉积物以下，使得已知面积区域的沉积物及其上覆水体在海底呈封闭状态，同时通过嵌入传感器对封闭上覆水中的如O2、H2S等化学元素浓度进行实时跟踪采样或测量。该方法会封闭区域沉积物与上覆水，影响水体自然流动和水结组分的自然交换，使外界动力环境变化无法在封闭的箱室系统中再现。微电极剖面技术是采用步进马达，将溶解氧微电极以微米为单位从上覆水开始缓慢穿过沉积物-水界面逐步刺入沉积物中，检测不同深度位置的氧浓度，获得垂直方向氧浓度剖面分布信息，实现沉积物-水界面扩散边界层中的变化过程测量。这一方法虽然垂直分辨率很高，但仅能获取一维梯度溶解氧通量信息，无法反映远离氧微电极穿透区域的生物扰动和灌洗作用的影响；并且由于微电极尖端非常细，在实际观测应用中极易导致微电极的损坏。近年来，日本及欧美许多发达国家相继将大气科学中的涡动相关概念应用于水底边界层界面，利用溶解氧微电极测量距海底15～30cm固定一点的氧浓度，同时使用多普勒矢量流速仪(Acoustic Doppler Velocimeter，ADV)对溶解氧浓度测点位置的水流垂向流速进行测量，之后将二者以极高的频率进行拟合计算氧通量。涡动相关技术既没有封闭沉积物水体，也没有将微电极插入沉积物，因此可以获得无人为干扰的原位数据。


美国弗吉尼亚大学利用涡动相关系统分别在海草区、海冰区和珊瑚礁区实施了测量，对特殊底质区域的溶解氧通量释放过程进行了研究；瑞士联邦水体科学与技术研究所科学家使用涡动相关方法探讨了阿尔卑纳赫湖受湖震影响的水体氧输运机理。目前，国内外底栖氧通量研究领域的重点主要集中在河口或湖泊有机物沉积区，对坚硬底质区氧通量的研究还未见报道，这主要是由于在坚硬底质区难以进行采样和仪器布放操作。青岛市沿岸具有典型的砾石海滩，遍布藻类及底栖生物，氧交换速率是评估该区域生物代谢活动的重要参数。利用涡动相关技术在青岛汇泉湾砾石海滩对底栖溶解氧通量进行了测量和评估。通过对不同时刻累加共谱的比较分析，推断出波浪作用和破碎波作用分别在涨潮期前后对底栖溶解氧通量变化起着主导推进作用。


1、方法


1.1研究区概况


研究区位于胶州湾以东的汇泉湾(见图1)。汇泉湾西侧、北侧、东侧三面环山，以喇叭状向西南方向开口与黄海相连。海湾高潮时海岸线宽约1.5km，岸滩走向西北-南东，最大面积为1.24km2，平均水深7m。由于山体阻挡了北向来风，因此湾内主要受SSE向风浪影响。汇泉湾为典型的砂质海岸，自西北向东南沉积物类型由细砾、粗砂、中砂、细砂依次分布变化。海湾潮汐类型属正规半日潮，潮流半日周期往复运动，涨潮时流向为顺时针方向，退潮时流向为逆时针方向。汇泉湾内0～2cm表层沉积物中叶绿素a含量在1.73～5.71μg/g，2～5cm沉积物中叶绿素a含量在0.51～4.32μg/g范围内。

图1研究区域地形图(黑色星号为测点区域)

图2(A)涡动相关系统现场布设情况;(B)测点位置情况;(C)长有贻贝类生物的砾石;(D)长有藻类生物的砾石


测点位置位于汇泉湾东侧中潮带(36°03′06.38"N，120°20′23.36"E)，满潮水深将近3.5m。测点附近沉积物类型主要为细砂，砂体之上布有长满贻贝类和藻类生物的砾石(见图2)。


1.2涡动相关系统集成与布设


从使用便捷、拆装简易、运行安全的角度出发，我们将涡动相关系统设计为小型可拆卸式坐底观测平台，平台主要包含溶解氧微电极、声学多普勒流速仪、温盐深仪三个部分。框架采用结构稳定的三角框架，集成了不同的传感器进行组合检测。选用挪威Nortek公司生产的声学多普勒流速仪(Acoustic Doppler Velocimeter，ADV)测量固定点三维流速；丹麦Unisense公司生产的溶解氧微电极作为溶解氧传感器(型号OX-100 fast)，尖端直径90～110μm，90%响应时间＜2s，测量精度可达0.3μmol/L；并装配了一台意大利IDRONAUT公司生产的CTD多参数水质仪(型号:OCEAN SEVEN 304Plus)获取海水深度、温度和电导率信息，为后期分析氧通量数据提供依据和参考。


2016年6月4日上午11:00，在汇泉湾东侧潮间带进行了涡动相关系统观测实验。海流数据模块、溶解氧数据模块和温盐深数据模块都被固定在三角支架上(见图2)，微电极尖端指向ADV测量区域，测点距沉积物表面24cm，CTD安装位置稍高，距沉积物表面55cm。观测过程中，ADV以16Hz的预设频率和20min的预设周期进行间歇采样，循环周期包括15min持续采样时间和5min间歇时间；微电极以16Hz频率进行连续采样；CTD以8Hz的预设频率进行连续采样。


布设按照原定计划于低潮时(上午10:20)开始进行，安放三角支架时特别地将其开口方向正对海流主流速方向以避免支架脚对海流的干扰。数据采集初始阶段，由于潮水并未完全淹没测点及传感器，因此所测数据无效，将这部分数据归为“空采数据”，在后期处理中予以剔除。实验原计划水下工作10～12h，以获取完整潮汐涨落周期内溶解氧通量变化数据，但由于中途数据记录发生故障，系统采集被迫中止。综合以上两点，本次观测采集到了从上午11:20～下午15:00约4h的有效数据。据国家海洋局北海预报中心当日发布的潮汐预报，当日涨潮期为上午10:18～下午15:36，由此可见本次采集数据基本覆盖了涨潮期。


1.3氧通量的计算方法


1.3.1基本原理

根据Reynolds分解理论，在流体力学研究中常常对溶质浓度和流速做出如下分解:

经过几十年来科学家对水底边界层中悬浮颗粒和相关物质迁移的研究，发现可以通过三维溶质质量守恒方程来确定其分布状态，即溶质(例如溶解氧)在均匀水底边界层中满足:


公式(4)表示在高度h处测得的溶解氧垂向通量等于沉积物-海水界面垂向通量与厚度为h的水体内溶解氧源汇效应之和(w为垂向流速)。当测量点位距沉积物-海水界面很近(即h很小)时，源汇效应项也可以忽略不计。那么就有:

公式(5)表示可以用沉积物-海水界面以上可忽略高度的一点的溶解氧垂向通量近似代表界面通量。


1.3.2数据处理分析


为简化数据处理，首先将采集到的16Hz频率数据转换为8Hz数据，并对溶解氧和海流流速数据进行了去尖峰滤波、去噪滤波处理，对流速数据进行了倾斜校正。之后，使用滑动平均方法进行湍流波动计算。为选择出合适的滤波窗口长度Nr，采用累加计算方法，将初始窗口长度设为1，并逐渐增大窗口长度，反复计算滑动平均值、波动值和通量值，当窗口长度增大到一定程度后，通量值达到近乎稳定(见图3)，以上午12:00～12:15这一数据段为例，将3000个数据点(对应时间为6.25min)作为最终的滤波窗口长度，以此计算湍流波动值C′和u′。随后对每个数据段分别计算两个波动值的互相关函数(见图4)，以下午13:00～13:15这一数据段为例，湍流波动值C′与u′的最大互相关出现在第7175点位置，距7200点的中心位置偏差了25个数据点(对应时间为3.125s)，因此将溶解氧浓度和垂向波动速度时间序列相对移动25个数据点，使最大互相关值位于中心位置。随后根据式(6)计算功率谱密度并进行频率响应校正。

最后计算出每个15min时间段内的溶解氧通量。