2.2沉积物-海水界面水母消亡模拟观测


在室内模拟实验的第1天和第2天，培养箱水面结了一层薄膜,海蜇的大小无明显变化。第3天，海蜇块的分解速率加快,培养箱水面形成一层膜,水体散发出一股恶臭味，表明大量的氨释放到水体中，主要是微生物分解起着主要作用。第4天，随着块体逐渐变小,海水表面薄膜渐变成红色,同时恶臭味加剧。第5天至第6天，海蜇块体消失,水体中只剩一些絮状体时,恶臭味逐渐变淡。室内模拟实验的观测表明，水母组织的分解过程一般需要4～6 d。

图6沉积物-水界面剖面溶解氧分布的时间序列观测结果


图6是将切割的水母快放入观测水槽后，从第1天至第5天期间沉积物-海水附件两维溶解氧变化序列图像。图7是从图6中的溶解氧两维分布图像中提取3.2 cm A处黑线的一维溶解氧垂直梯度变化。

图7抽取黑线A处的溶解氧垂直梯度变化。


从图6和7的溶解氧分布变化过程可以看出初期溶解氧渗透到沉积物表层的深度约为2～30 mm，在沉积物表层形成了一个厚度为2～30 mm的界面扩散边界层(DBL)。在沉积物表面的上覆水区存在一个耗氧区域，高度约80～150 mm，这是因为在沉积物界面表层生存着大量的细菌和微生物，这些细菌和微生物的新陈代谢活动消耗水体中的氧，在上覆水区域内溶解氧较低，在上覆水区域到海水-空气界面的区域内溶解氧的垂直分布呈饱和氧的分布，总体上剖面的垂直方向溶解氧的分布范围为10～4 mg/L。


但是随着水母组织的分解，在垂直方向上使得沉积物-海底附近的低氧区逐渐变成无氧区，同时消耗大量水体中的溶解氧，贫氧区在垂直方向上将逐渐向水体空间迁移，第3天使得水体空间呈现大面积的贫氧区，表明水母组织在降解过程中产生一系列的化学反应并消耗大量的溶解氧，形成局部范围内大面积的贫氧区，改变了沉积物-界面及水体空间溶解氧的分布范围。图8是沉积物-水界面和沉积物-水界面上部15 mm处的水平方向溶解氧的分布变化的时间序列观测结果，可以观察到第2天在沉积物-水界面的水平方向溶解氧含量整体平均减少了3.5 mg/L,第3天沉积物-水界面就成为贫氧区域。在沉积物-水界面上部15 mm处，水平方向上溶解氧含量在整体水平方向整体呈下降趋势，第1天平均下降6.8 mg/L，第2天下降2.5 mg/L，第3天下降3 mg/L。本模拟实验表明水母组织在海底降解过程中，在两天内可以使得沉积物-水界面附近从初期的低氧变为贫氧区，并且使得贫氧区由上覆水空降向水体空间整体迁移，在3d后可导致水体空间形成贫氧区。

((a)是沉积物-水界面(黑线B)的溶解氧水平分布，(b)是位于沉积物-水界面上15 mm处(黑线C)的溶解氧水平分布

图8在沉积物-水界面(黑线B)和沉积物-水界面上部15 mm(黑线C)处的溶解氧水平空间分布


结合图7和8的观测结果可以看出，第1天内，沉积物-海水界面的溶解氧消耗速率为0.15 mg·L-1·h-1，第2天溶解氧的消耗速率增加为0.04 mg·L-1·h-1。在近海底的水体空间内，第1天的溶解氧消耗速率为0.28 mg·L-1·h-1，第2天为0.14 mg·L-1·h-1，第3天为0.13 mg·L-1·h-1，表明不同区域溶解氧的消耗呈动态分布，在第1天消耗溶解氧最高，使水体中的溶解氧梯度发改变；在第2天和第3天持续消耗水体中的溶解氧，在垂直方向上和水平方向上使得水体呈缺氧状态；第4天在水体空间形成一个贫氧区，改变了海底区域的溶解氧分布体系。


模拟观测结果表明，水母在消亡过程中的2～3 d内会导致沉积物-水界面空间的海水溶解氧发生剧烈变化，使得沉积物-海水界面附近海水溶解氧含量下降，形成严重缺氧区，并且缺氧区向水体空间扩散，如果大规模水母爆发，其消亡将改变依靠水体溶解氧相关的沉积物-海水界面附近的生物群的生存环境，可导致海底微生物群的缺氧而窒息死亡，对沉积物-海水界面附近生态环境造成严重的影响。


3结语


本文介绍了一种基于八乙基卟啉铂和香豆素的光强比率测量传感膜制备，该传感膜在低溶解氧的测量中具有较好的灵敏度和稳定性。利用3CCD构建了基于比率法的两维溶解氧观测系统，该系统可以对沉积物-水界面的溶解氧两维动态分进行实时观测，其空间分辨率可达0.52 mm，为研究缺氧-有氧界面附近的动态变化过程提供了新的观测手段。


在实验室对水母在海底消亡过程进行了模拟观测研究，观测结果表明，在水母水母消亡前沉积物表面的上覆水区存在一个耗氧区域，高度约80～150 mm，在上覆水区域到海水-空气界面的区域内溶解氧垂直分布呈饱和氧的分布。在置入水母的第16 h后，水母消亡将消耗溶解氧，使得沉积物-水界面溶解氧开始下降。在2～3 d内会导致沉积物-水界面空间的海水溶解氧发生剧烈变化，在沉积物-海水界面附近逐渐形成严重缺氧区。第1天内，沉积物-海水界面的溶解氧消耗速率为0.15 mg·L-1·h-1，第2天溶解氧的消耗速率为0.04 mg·L-1·h-1。在近海底的水体空间内，第1天的溶解氧消耗速率为0.28 mg·L-1·h-1，第2天为0.14 mg·L-1·h-1，第3天为0.13 mg·L-1·h-1，表明不同空间中溶解氧的消耗呈动态分布。


实验结果表明,海蜇在消亡过程中的3～4 d内会导致沉积物-水界面垂直方向和水平方向上的海水溶解氧发生显著变化，消耗大量的溶解氧并形成一个贫氧区，证明在大规模水母爆发区域，水母的消亡将对海底的生态结构和生存环境会产生严重的影响。