海岸帶區(qū)域內(nèi)，穿過沉積物-海水界面的溶解氧通量是研究水體環(huán)境內(nèi)生物地球化學(xué)循環(huán)周轉(zhuǎn)的重要指標(biāo)。由于傳統(tǒng)采樣方法存在局限性，原位觀測儀器布放難度較大，因此礫石海灘環(huán)境下的溶解氧通量研究還較少。利用非侵入性的渦動相關(guān)技術(shù)對青島匯泉灣潮間帶礫石基底的底棲溶解氧通量做出評估。渦動相關(guān)原位觀測結(jié)果表明，在一個漲潮期內(nèi)溶解氧通量變換范圍為-16.7888±5.0～+49.3344±3.7mmol O2/m2/d。不穩(wěn)定的通量結(jié)果表明近海潮間帶底棲溶解氧通量在漲潮時段主要受波浪作用影響呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的變化形式。頻譜分析表明匯泉灣潮間帶底棲溶解氧主要受東南向波浪作用控制，0.093～0.279 Hz(對應(yīng)時間間隔為3.58～10.75s)頻帶為其主要貢獻(xiàn)頻段。通過對不同時刻累加共譜的比較分析，可以推斷波浪作用和破碎波作用分別在漲潮期前后對底棲溶解氧通量變化起著主導(dǎo)推進(jìn)作用。此項研究也表明渦動相關(guān)技術(shù)可應(yīng)用于近海潮間帶底棲溶解氧觀測，為從宏觀到微觀研究海岸帶生物地球化學(xué)進(jìn)程研究提供了新的觀測手段。

海床是水體與沉積物間地球化學(xué)和生物進(jìn)程緊密耦合的區(qū)域。沿海近岸的沉積物-海水界面既是有機(jī)質(zhì)成巖作用的重要場所，也是溶質(zhì)和顆粒物交換循環(huán)的活躍地帶。因此，界面間的溶解氧通量作為地球化學(xué)反應(yīng)中的重要參數(shù)，是評估海底邊界層碳礦化和初級生產(chǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。準(zhǔn)確測定溶解氧通量對研究不同時空尺度上生物地球化學(xué)循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)活性至關(guān)重要。

傳統(tǒng)上，一般使用底棲通量室或微電極剖面法原位測量底邊界層溶解氧通量。底棲培養(yǎng)室技術(shù)是將開口箱體嵌入到表層沉積物以下，使得已知面積區(qū)域的沉積物及其上覆水體在海底呈封閉狀態(tài)，同時通過嵌入傳感器對封閉上覆水中的如O2、H2S等化學(xué)元素濃度進(jìn)行實時跟蹤采樣或測量。該方法會封閉區(qū)域沉積物與上覆水，影響水體自然流動和水結(jié)組分的自然交換，使外界動力環(huán)境變化無法在封閉的箱室系統(tǒng)中再現(xiàn)。微電極剖面技術(shù)是采用步進(jìn)馬達(dá)，將溶解氧微電極以微米為單位從上覆水開始緩慢穿過沉積物-水界面逐步刺入沉積物中，檢測不同深度位置的氧濃度，獲得垂直方向氧濃度剖面分布信息，實現(xiàn)沉積物-水界面擴(kuò)散邊界層中的變化過程測量。這一方法雖然垂直分辨率很高，但僅能獲取一維梯度溶解氧通量信息，無法反映遠(yuǎn)離氧微電極穿透區(qū)域的生物擾動和灌洗作用的影響；并且由于微電極尖端非常細(xì)，在實際觀測應(yīng)用中極易導(dǎo)致微電極的損壞。近年來，日本及歐美許多發(fā)達(dá)國家相繼將大氣科學(xué)中的渦動相關(guān)概念應(yīng)用于水底邊界層界面，利用溶解氧微電極測量距海底15～30cm固定一點的氧濃度，同時使用多普勒矢量流速儀(Acoustic Doppler Velocimeter，ADV)對溶解氧濃度測點位置的水流垂向流速進(jìn)行測量，之后將二者以極高的頻率進(jìn)行擬合計算氧通量。渦動相關(guān)技術(shù)既沒有封閉沉積物水體，也沒有將微電極插入沉積物，因此可以獲得無人為干擾的原位數(shù)據(jù)。

美國弗吉尼亞大學(xué)利用渦動相關(guān)系統(tǒng)分別在海草區(qū)、海冰區(qū)和珊瑚礁區(qū)實施了測量，對特殊底質(zhì)區(qū)域的溶解氧通量釋放過程進(jìn)行了研究；瑞士聯(lián)邦水體科學(xué)與技術(shù)研究所科學(xué)家使用渦動相關(guān)方法探討了阿爾卑納赫湖受湖震影響的水體氧輸運機(jī)理。目前，國內(nèi)外底棲氧通量研究領(lǐng)域的重點主要集中在河口或湖泊有機(jī)物沉積區(qū)，對堅硬底質(zhì)區(qū)氧通量的研究還未見報道，這主要是由于在堅硬底質(zhì)區(qū)難以進(jìn)行采樣和儀器布放操作。青島市沿岸具有典型的礫石海灘，遍布藻類及底棲生物，氧交換速率是評估該區(qū)域生物代謝活動的重要參數(shù)。利用渦動相關(guān)技術(shù)在青島匯泉灣礫石海灘對底棲溶解氧通量進(jìn)行了測量和評估。通過對不同時刻累加共譜的比較分析，推斷出波浪作用和破碎波作用分別在漲潮期前后對底棲溶解氧通量變化起著主導(dǎo)推進(jìn)作用。

1、方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于膠州灣以東的匯泉灣(見圖1)。匯泉灣西側(cè)、北側(cè)、東側(cè)三面環(huán)山，以喇叭狀向西南方向開口與黃海相連。海灣高潮時海岸線寬約1.5km，岸灘走向西北-南東，最大面積為1.24km2，平均水深7m。由于山體阻擋了北向來風(fēng)，因此灣內(nèi)主要受SSE向風(fēng)浪影響。匯泉灣為典型的砂質(zhì)海岸，自西北向東南沉積物類型由細(xì)礫、粗砂、中砂、細(xì)砂依次分布變化。海灣潮汐類型屬正規(guī)半日潮，潮流半日周期往復(fù)運動，漲潮時流向為順時針方向，退潮時流向為逆時針方向。匯泉灣內(nèi)0～2cm表層沉積物中葉綠素a含量在1.73～5.71μg/g，2～5cm沉積物中葉綠素a含量在0.51～4.32μg/g范圍內(nèi)。

圖1研究區(qū)域地形圖(黑色星號為測點區(qū)域)

圖2(A)渦動相關(guān)系統(tǒng)現(xiàn)場布設(shè)情況;(B)測點位置情況;(C)長有貽貝類生物的礫石;(D)長有藻類生物的礫石

測點位置位于匯泉灣東側(cè)中潮帶(36°03′06.38"N，120°20′23.36"E)，滿潮水深將近3.5m。測點附近沉積物類型主要為細(xì)砂，砂體之上布有長滿貽貝類和藻類生物的礫石(見圖2)。

1.2渦動相關(guān)系統(tǒng)集成與布設(shè)

從使用便捷、拆裝簡易、運行安全的角度出發(fā)，我們將渦動相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計為小型可拆卸式坐底觀測平臺，平臺主要包含溶解氧微電極、聲學(xué)多普勒流速儀、溫鹽深儀三個部分?？蚣懿捎媒Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定的三角框架，集成了不同的傳感器進(jìn)行組合檢測。選用挪威Nortek公司生產(chǎn)的聲學(xué)多普勒流速儀(Acoustic Doppler Velocimeter，ADV)測量固定點三維流速；丹麥Unisense公司生產(chǎn)的溶解氧微電極作為溶解氧傳感器(型號OX-100 fast)，尖端直徑90～110μm，90%響應(yīng)時間＜2s，測量精度可達(dá)0.3μmol/L；并裝配了一臺意大利IDRONAUT公司生產(chǎn)的CTD多參數(shù)水質(zhì)儀(型號:OCEAN SEVEN 304Plus)獲取海水深度、溫度和電導(dǎo)率信息，為后期分析氧通量數(shù)據(jù)提供依據(jù)和參考。

2016年6月4日上午11:00，在匯泉灣東側(cè)潮間帶進(jìn)行了渦動相關(guān)系統(tǒng)觀測實驗。海流數(shù)據(jù)模塊、溶解氧數(shù)據(jù)模塊和溫鹽深數(shù)據(jù)模塊都被固定在三角支架上(見圖2)，微電極尖端指向ADV測量區(qū)域，測點距沉積物表面24cm，CTD安裝位置稍高，距沉積物表面55cm。觀測過程中，ADV以16Hz的預(yù)設(shè)頻率和20min的預(yù)設(shè)周期進(jìn)行間歇采樣，循環(huán)周期包括15min持續(xù)采樣時間和5min間歇時間；微電極以16Hz頻率進(jìn)行連續(xù)采樣；CTD以8Hz的預(yù)設(shè)頻率進(jìn)行連續(xù)采樣。

布設(shè)按照原定計劃于低潮時(上午10:20)開始進(jìn)行，安放三角支架時特別地將其開口方向正對海流主流速方向以避免支架腳對海流的干擾。數(shù)據(jù)采集初始階段，由于潮水并未完全淹沒測點及傳感器，因此所測數(shù)據(jù)無效，將這部分?jǐn)?shù)據(jù)歸為“空采數(shù)據(jù)”，在后期處理中予以剔除。實驗原計劃水下工作10～12h，以獲取完整潮汐漲落周期內(nèi)溶解氧通量變化數(shù)據(jù)，但由于中途數(shù)據(jù)記錄發(fā)生故障，系統(tǒng)采集被迫中止。綜合以上兩點，本次觀測采集到了從上午11:20～下午15:00約4h的有效數(shù)據(jù)。據(jù)國家海洋局北海預(yù)報中心當(dāng)日發(fā)布的潮汐預(yù)報，當(dāng)日漲潮期為上午10:18～下午15:36，由此可見本次采集數(shù)據(jù)基本覆蓋了漲潮期。

1.3氧通量的計算方法

1.3.1基本原理

根據(jù)Reynolds分解理論，在流體力學(xué)研究中常常對溶質(zhì)濃度和流速做出如下分解:

經(jīng)過幾十年來科學(xué)家對水底邊界層中懸浮顆粒和相關(guān)物質(zhì)遷移的研究，發(fā)現(xiàn)可以通過三維溶質(zhì)質(zhì)量守恒方程來確定其分布狀態(tài)，即溶質(zhì)(例如溶解氧)在均勻水底邊界層中滿足:

公式(4)表示在高度h處測得的溶解氧垂向通量等于沉積物-海水界面垂向通量與厚度為h的水體內(nèi)溶解氧源匯效應(yīng)之和(w為垂向流速)。當(dāng)測量點位距沉積物-海水界面很近(即h很小)時，源匯效應(yīng)項也可以忽略不計。那么就有:

公式(5)表示可以用沉積物-海水界面以上可忽略高度的一點的溶解氧垂向通量近似代表界面通量。

1.3.2數(shù)據(jù)處理分析

為簡化數(shù)據(jù)處理，首先將采集到的16Hz頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8Hz數(shù)據(jù)，并對溶解氧和海流流速數(shù)據(jù)進(jìn)行了去尖峰濾波、去噪濾波處理，對流速數(shù)據(jù)進(jìn)行了傾斜校正。之后，使用滑動平均方法進(jìn)行湍流波動計算。為選擇出合適的濾波窗口長度Nr，采用累加計算方法，將初始窗口長度設(shè)為1，并逐漸增大窗口長度，反復(fù)計算滑動平均值、波動值和通量值，當(dāng)窗口長度增大到一定程度后，通量值達(dá)到近乎穩(wěn)定(見圖3)，以上午12:00～12:15這一數(shù)據(jù)段為例，將3000個數(shù)據(jù)點(對應(yīng)時間為6.25min)作為最終的濾波窗口長度，以此計算湍流波動值C′和u′。隨后對每個數(shù)據(jù)段分別計算兩個波動值的互相關(guān)函數(shù)(見圖4)，以下午13:00～13:15這一數(shù)據(jù)段為例，湍流波動值C′與u′的最大互相關(guān)出現(xiàn)在第7175點位置，距7200點的中心位置偏差了25個數(shù)據(jù)點(對應(yīng)時間為3.125s)，因此將溶解氧濃度和垂向波動速度時間序列相對移動25個數(shù)據(jù)點，使最大互相關(guān)值位于中心位置。隨后根據(jù)式(6)計算功率譜密度并進(jìn)行頻率響應(yīng)校正。

最后計算出每個15min時間段內(nèi)的溶解氧通量。