研究簡介:測量沉積物-水界面的O2通量是評估水生環(huán)境中底質生產和有機物礦化的關鍵方法，對于理解水生環(huán)境中各種規(guī)模的生物地球化學循環(huán)的調控至關重要。傳統(tǒng)的底質O2交換測量方法，如室內孵化室和垂直O(jiān)2微輪廓的解釋，存在一些限制和潛在問題。例如孵化室可能會阻礙自然水動力流動，并且可能無法準確反映自然底質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物對O2通量的貢獻。作為一種新興的非侵入性技術，渦動相關測量技術在水生環(huán)境中被引入，用于測量沉積物-水界面的垂直O(jiān)2通量。與傳統(tǒng)方法相比，渦動相關測量技術具有顯著優(yōu)勢，如在真正的原位條件下進行測量，對沉積物、環(huán)境光條件或海底邊界層流動的干擾最小。渦動相關測量技術可以在沉積物表面更大范圍內集成數據，與傳統(tǒng)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，這些波動共同形成了渦動通量信號。鑒于渦動相關測量技術在水生環(huán)境中的新穎性，研究人員指出需要進一步研究該技術的幾個方面，尤其是其精確度。這項技術能否準確測量小通量，這對于全球海洋中超過90%的水域（水深超過250米）的沉積物來說尤其重要，因為這些區(qū)域雖然O2攝取率較低，但卻占據了全球底質碳礦化的大部分。

Unisense水沉積物界面研究系統(tǒng)的應用

unisense渦動相關系統(tǒng)被用于測量深海沉積物中的氧氣攝取率。渦動相關系統(tǒng)的核心包括一個聲學多普勒測速儀（ADV）和一個快速響應的氧氣微電極，它們被直接安裝在一個放大器上。渦動系統(tǒng)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。渦動相關組件被附加到一個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，使渦動相關儀器指向水流方向。渦動相關數據通過將8赫茲數據降采樣到1赫茲來減少噪聲，并計算每個數據記錄周期的垂直渦動通量。

實驗結果

渦旋相關通量與海底室通量之間的優(yōu)異一致性是本研究的一個重要發(fā)現。證明了今天可用的渦旋相關儀器是精確的，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(qū)域是普遍存在的，光合作用產生的O2可以間歇性地抵消呼吸過程。這些結果對于將來將渦旋相關技術應用于其他溶質的底部通量非常有希望，這些溶質的微型傳感器已經存在或可以開發(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儀器。該儀器的笨重結構阻止了某些流向的渦旋相關數據的未受干擾的記錄。(B)清澈的底部水域中渦旋相關儀器的近景。僅使用平均流速大于1厘米/秒且從紅色區(qū)域指向坐標系中心的渦旋相關數據來計算通量。渦旋相關儀器包括(a)聲學多普勒測流儀(ADV)、(b)放大器和(c)快速響應的O2微電極。

圖2、三個連續(xù)的13.5分鐘爆發(fā)的渦旋相關數據。(A)原始8赫茲速度數據（x、y、z）?？梢姷母哳l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記錄的每個爆發(fā)開始和結束時沉積物表面上方的速度和O2濃度的測量高度。(D)每個爆發(fā)的推導O2通量（柱形）和相關的累積通量（線）。

圖3、海底室中測量到的O2濃度（點），在其最終下降到海底時，當ROV水平移動時，實際孵育期間以及初始恢復期間測量。涵蓋了21.1和17.6小時周期的線性擬合（線）被用于通量提取。

圖4、七個代表性的O2微剖面（點），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）用于估算O2通量。使用PROFILE剖面解釋軟件產生剖面擬合（藍線）、O2消耗率作為深度函數（藍色階梯曲線）和替代通量估計。在這7個剖面中，兩種擬合方法的均值一致，誤差不超過8%。

圖5、使用原位室、渦旋相關技術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深海地點進行了氧的渦流相關技術測量，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1450米的深海地點，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。渦流相關通量與室內通量之間的非常好的一致性，為渦流相關技術提供了一個新的重要驗證。這表明了今天可用的渦流相關儀器是精確的，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波動的平均值為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，渦流相關技術是一種高度吸引人的替代傳統(tǒng)通量方法，可用于測量甚至非常小的底棲氧通量。應用unisense渦動相關系統(tǒng)的部署和使用，使研究人員能夠在幾乎沒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循環(huán)具有重要意義。