通过掩埋有机物，海草生态系统已被认为是大气中碳的重要汇聚区。许多研究人员调查了各种条件下海草的长期生产力，但是所使用的技术（例如海草生物量添加技术）是费时破坏性的，并且不包括地下生产或沉积物代谢。本论文的研究人员利用欧拉控制体积、涡流协方差和生物量添加技术，研究了佛罗里达湾海草的营养和生产力梯度下的净生态系统代谢。原位氧气通量由一个侧面长250 m的三角形欧拉控制体和中心的涡流协方差仪测定。生物质添加技术通过净添加生物质来评估地上海草的生产力。比较了每种方法的时空分辨率，准确性和适用性。


在这项研究中，研究人员比较了生物量添加技术，欧拉控制容积技术和EC（涡动）技术，以监测美国佛罗里达海湾营养和生产力梯度上的海草生态系统代谢。比较了这些方法在分辨率和准确性上的差异，以及揭示出在不同时空尺度上测量的海草生态系统原位代谢的差异。发现涡流协方差技术（unisense水底涡动系统）具有最高的时间分辨率，同时产生准确的长期通量率，超越了在浅海海湾中使用的生物量添加和欧拉控制体积技术的能力。


unisense水底涡动系统的应用


涡动协方差（EC）技术通过使用unisense水底涡动系统中的关联垂向速度和O2浓度的瞬时变化并整合这些变化随时间的变化来确定底栖生物与上层水之间的O2交换。原位涡动协方差技术时间分辨率高（<1 h），能够在大面积上整合（10s-100s m2），并且对各种不同的底栖系统具有适应性。EC仪器使用的是声学多普勒测速仪，并通过皮安放大器与快速响应（<0.3 s）的Clark型O2微电极传感器（unisense）结合。涡动系统仪器部署于海底，用于捕获海底沉积物表面以上0.35-0.55 m（大约是海草冠层高度的两倍）处的昼夜（24小时）波动，EC系统测试的底栖O2通量是由垂直速度和氧浓度瞬时变化的时间平均乘积在0.25小时间隔内确定的。


研究结果


尽管涡流协方差技术（unisense水底涡动系统）和欧拉控制体积方法都可能非常适合测量底栖O2通量和每日总代谢率的日变化，但EC方法可能更适合于估算整个昼夜周期内的净O2通量。与涡流协方差技术（unisense水底涡动系统）技术相比，欧拉控制体积法仍然具有一些显著的优点，包括能够在更大的空间和更长的时间尺度上采样，以及适用于几乎任何可以在几分钟到几小时内测量的溶质（相比之下，涡流协方差技术技术所需的时间不到一秒）。涡流协方差技术和欧拉法都将受益于新的传感器，这些传感器是专门设计的，具有高精度、高分辨率和快速响应时间的要求的原位测试方法，以及具有对生物淤积物的弹性的损伤。最后，对低流量沿海系统的水柱结构进行仔细的评估将大大提高对将来从EC或欧拉控制体积数据得出的净产量的测量进行评估的能力。而欧拉控制体积法则具有一些例如能够在更大的空间和更长的时间尺度上采样，以及适用于几乎任何可以在几分钟到几小时内测量的溶质的显著的优点。


实验过程

图1、美国佛罗里达州南端的佛罗里达湾的RKB、BA、Duck区域的位置图。

图2、所有涡度协方差（A、B和C）和欧拉控制体积（D、E和F）的逐时盒图，每个站点在一天中的每小时O2通量数据。图3e和3f中的数据减少是由于低电流速度减少了欧拉技术的响应时间（BA和DUCK监测点在3h间隔的通量率）。图中的方框表示上四分位数和下四分位数，每个框中的线表示中位数，线表示第一个离群值，圆表示离群值。图3e和图3f中减少的数据是由于低流速减少了欧拉技术的响应时间(BA和Duck站点每隔3小时的通量率)。n是个体通量估计值的数量。PAR是测量期间内的平均光合有效辐射。

图3、左图显示了通过涡度协方差技术和欧拉控制体积法得出的各部分的呼吸（R）速率。右图通过涡度协方差和欧拉方法显示了各个站点的总初级生产（GPP）率。从图中可以看出，在对24小时内的EC（涡度协方差技术）通量进行积分显示，GPP和R的速率在各个位点之间存在显着变化。

图4、通过涡动协方差，生物量添加和欧拉控容积法计算的各部位的净代谢率。涡度协方差和生物量添加技术显示了佛罗里达湾生产率梯度上的预期趋势。生物质添加和涡流技术之间的比率&gt;2：1是因为生物质添加技术仅包含海草呼吸作用和地上生产，而涡旋协方差技术包含海草草甸中存在的所有生物。用欧拉技术测定的NEM速率有显着差异，但在佛罗里达湾的营养梯度范围内未显示出预期趋势。

图5、涡流协方差测量主要受电流（左）和波动（右）的影响。垂直速度的光谱表明，这两个电流流动为主的条件下（图5A）和波为主的条件下（图5 B）存在在不同的时间，这也与O2光谱一致（图5 c和5 d）。所有光谱均显示出定义明确的惯性子范围，其特征是-5/3斜线。波浪主导的周期在0.5-1 Hz频带内显示出明显的波浪信号，表明表面波较小。电流主导周期中的累积共谱表明，在更宽的频带（0.002-0.9 Hz；图5E）中，通量贡献较大；而在波浪频率中，以波浪为主的周期中，通量贡献更大（图5E、图5


结论与展望


本论文主要讨论了应用利用欧拉控制体积、涡流协方差（unisense涡动系统）和生物量添加技术，研究佛罗里达湾海草的营养和生产力梯度下的净生态系统代谢。研究发现，在以往在各种条件下海草的长期生产率研究所使用的技术（例如海草生物量添加技术）是费时破坏性的，并且不包括地下生产或沉积物代谢。研究人员为了将短期生理反应与长期生理变化区分开，以最大可能的时间分辨率检查这些变量及其之间的相互作用非常有用。因为较高的采样频率可以实现更高的数据密度可以在同一研究期间内在更广泛的各种环境条件下测量海草新陈代谢的独立速率。因此在原位条件下以快速测量的技术的应用有利于确定海草群落的代谢如何响应快速变化的环境条件。欧拉控制容积技术和涡度协方差（EC）技术是可以在相对较高的时间分辨率下（小时或更少的时间）测量原位条件下海草生态系统新陈代谢速率的两种方法。但是欧拉技术必须部署在多个一昼夜周期中才能确定准确的净新陈代谢速率，因为它会受到深度和/或流量限制所带来的误差和信号损失的困扰，很难确定空气中氧气（O2）的交换速度、高或极低的O 2饱和度，以及流量和光的快速变化。而涡度协方差技术（unisense涡动系统）具有最高的时间分辨率，同时产生准确的长期通量率的优势。


涡动协方差（EC）技术主要是通过应用unisense水底涡动系统关联垂向速度和O2浓度的瞬时变化并整合这些变化随时间的变化来确定底栖生物与上层水之间的O2交换。原位涡度协方差技术（unisense涡动系统）的优点是时间分辨率高（<1 h），能够在大面积上整合（10s-100s m2），并且对各种不同的底栖系统具有适应性。原位涡度协方差技术（unisense涡动系统），并与底栖腔和微剖面测量进行了比较，显示出比这些标准方法更高的分辨率和准确性。通过对比这些方法，研究人员准确的发现了不同方法的分辨率和准确性上的差异，实现关于在不同时空尺度上测量的海草生态系统原位代谢的差异。


从整篇的论文研究内容因此可以看出，原位涡度协方差技术（unisense涡动系统）和欧拉控制体积方法都可能非常适合测量底栖O2通量和每日总代谢率的日变化，但是原位涡度协方差技术（unisense涡动系统）方法可能更加适合于估算整个昼夜周期内的净O2通量。而欧拉控制体积法则具有一些例如能够在更大的空间和更长的时间尺度上采样，以及适用于几乎任何可以在几分钟到几小时内测量的溶质的显著的优点。


这说明涡流协方差（unisense涡动系统）在海底海草床的氧通量研究方面具有非常好的应用前景，因为涡流协方差（unisense涡动系统）受益于新的传感器，这些传感器是专门设计的，可以满足高精度、高分辨率和快速响应时间的要求的实验方案的测试。