通過(guò)掩埋有機(jī)物，海草生態(tài)系統(tǒng)已被認(rèn)為是大氣中碳的重要匯聚區(qū)。許多研究人員調(diào)查了各種條件下海草的長(zhǎng)期生產(chǎn)力，但是所使用的技術(shù)（例如海草生物量添加技術(shù)）是費(fèi)時(shí)破壞性的，并且不包括地下生產(chǎn)或沉積物代謝。本論文的研究人員利用歐拉控制體積、渦流協(xié)方差和生物量添加技術(shù)，研究了佛羅里達(dá)灣海草的營(yíng)養(yǎng)和生產(chǎn)力梯度下的凈生態(tài)系統(tǒng)代謝。原位氧氣通量由一個(gè)側(cè)面長(zhǎng)250 m的三角形歐拉控制體和中心的渦流協(xié)方差儀測(cè)定。生物質(zhì)添加技術(shù)通過(guò)凈添加生物質(zhì)來(lái)評(píng)估地上海草的生產(chǎn)力。比較了每種方法的時(shí)空分辨率，準(zhǔn)確性和適用性。

在這項(xiàng)研究中，研究人員比較了生物量添加技術(shù)，歐拉控制容積技術(shù)和EC（渦動(dòng)）技術(shù)，以監(jiān)測(cè)美國(guó)佛羅里達(dá)海灣營(yíng)養(yǎng)和生產(chǎn)力梯度上的海草生態(tài)系統(tǒng)代謝。比較了這些方法在分辨率和準(zhǔn)確性上的差異，以及揭示出在不同時(shí)空尺度上測(cè)量的海草生態(tài)系統(tǒng)原位代謝的差異。發(fā)現(xiàn)渦流協(xié)方差技術(shù)（unisense水底渦動(dòng)系統(tǒng)）具有最高的時(shí)間分辨率，同時(shí)產(chǎn)生準(zhǔn)確的長(zhǎng)期通量率，超越了在淺海海灣中使用的生物量添加和歐拉控制體積技術(shù)的能力。

unisense水底渦動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用

渦動(dòng)協(xié)方差（EC）技術(shù)通過(guò)使用unisense水底渦動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)聯(lián)垂向速度和O2濃度的瞬時(shí)變化并整合這些變化隨時(shí)間的變化來(lái)確定底棲生物與上層水之間的O2交換。原位渦動(dòng)協(xié)方差技術(shù)時(shí)間分辨率高（<1 h），能夠在大面積上整合（10s-100s m2），并且對(duì)各種不同的底棲系統(tǒng)具有適應(yīng)性。EC儀器使用的是聲學(xué)多普勒測(cè)速儀，并通過(guò)皮安放大器與快速響應(yīng)（<0.3 s）的Clark型O2微電極傳感器（unisense）結(jié)合。渦動(dòng)系統(tǒng)儀器部署于海底，用于捕獲海底沉積物表面以上0.35-0.55 m（大約是海草冠層高度的兩倍）處的晝夜（24小時(shí)）波動(dòng)，EC系統(tǒng)測(cè)試的底棲O2通量是由垂直速度和氧濃度瞬時(shí)變化的時(shí)間平均乘積在0.25小時(shí)間隔內(nèi)確定的。

研究結(jié)果

盡管渦流協(xié)方差技術(shù)（unisense水底渦動(dòng)系統(tǒng)）和歐拉控制體積方法都可能非常適合測(cè)量底棲O2通量和每日總代謝率的日變化，但EC方法可能更適合于估算整個(gè)晝夜周期內(nèi)的凈O2通量。與渦流協(xié)方差技術(shù)（unisense水底渦動(dòng)系統(tǒng)）技術(shù)相比，歐拉控制體積法仍然具有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)，包括能夠在更大的空間和更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上采樣，以及適用于幾乎任何可以在幾分鐘到幾小時(shí)內(nèi)測(cè)量的溶質(zhì)（相比之下，渦流協(xié)方差技術(shù)技術(shù)所需的時(shí)間不到一秒）。渦流協(xié)方差技術(shù)和歐拉法都將受益于新的傳感器，這些傳感器是專門(mén)設(shè)計(jì)的，具有高精度、高分辨率和快速響應(yīng)時(shí)間的要求的原位測(cè)試方法，以及具有對(duì)生物淤積物的彈性的損傷。最后，對(duì)低流量沿海系統(tǒng)的水柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行仔細(xì)的評(píng)估將大大提高對(duì)將來(lái)從EC或歐拉控制體積數(shù)據(jù)得出的凈產(chǎn)量的測(cè)量進(jìn)行評(píng)估的能力。而歐拉控制體積法則具有一些例如能夠在更大的空間和更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上采樣，以及適用于幾乎任何可以在幾分鐘到幾小時(shí)內(nèi)測(cè)量的溶質(zhì)的顯著的優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程

圖1、美國(guó)佛羅里達(dá)州南端的佛羅里達(dá)灣的RKB、BA、Duck區(qū)域的位置圖。

圖2、所有渦度協(xié)方差（A、B和C）和歐拉控制體積（D、E和F）的逐時(shí)盒圖，每個(gè)站點(diǎn)在一天中的每小時(shí)O2通量數(shù)據(jù)。圖3e和3f中的數(shù)據(jù)減少是由于低電流速度減少了歐拉技術(shù)的響應(yīng)時(shí)間（BA和DUCK監(jiān)測(cè)點(diǎn)在3h間隔的通量率）。圖中的方框表示上四分位數(shù)和下四分位數(shù)，每個(gè)框中的線表示中位數(shù)，線表示第一個(gè)離群值，圓表示離群值。圖3e和圖3f中減少的數(shù)據(jù)是由于低流速減少了歐拉技術(shù)的響應(yīng)時(shí)間(BA和Duck站點(diǎn)每隔3小時(shí)的通量率)。n是個(gè)體通量估計(jì)值的數(shù)量。PAR是測(cè)量期間內(nèi)的平均光合有效輻射。

圖3、左圖顯示了通過(guò)渦度協(xié)方差技術(shù)和歐拉控制體積法得出的各部分的呼吸（R）速率。右圖通過(guò)渦度協(xié)方差和歐拉方法顯示了各個(gè)站點(diǎn)的總初級(jí)生產(chǎn)（GPP）率。從圖中可以看出，在對(duì)24小時(shí)內(nèi)的EC（渦度協(xié)方差技術(shù)）通量進(jìn)行積分顯示，GPP和R的速率在各個(gè)位點(diǎn)之間存在顯著變化。

圖4、通過(guò)渦動(dòng)協(xié)方差，生物量添加和歐拉控容積法計(jì)算的各部位的凈代謝率。渦度協(xié)方差和生物量添加技術(shù)顯示了佛羅里達(dá)灣生產(chǎn)率梯度上的預(yù)期趨勢(shì)。生物質(zhì)添加和渦流技術(shù)之間的比率&gt;2：1是因?yàn)樯镔|(zhì)添加技術(shù)僅包含海草呼吸作用和地上生產(chǎn)，而渦旋協(xié)方差技術(shù)包含海草草甸中存在的所有生物。用歐拉技術(shù)測(cè)定的NEM速率有顯著差異，但在佛羅里達(dá)灣的營(yíng)養(yǎng)梯度范圍內(nèi)未顯示出預(yù)期趨勢(shì)。

圖5、渦流協(xié)方差測(cè)量主要受電流（左）和波動(dòng)（右）的影響。垂直速度的光譜表明，這兩個(gè)電流流動(dòng)為主的條件下（圖5A）和波為主的條件下（圖5 B）存在在不同的時(shí)間，這也與O2光譜一致（圖5 c和5 d）。所有光譜均顯示出定義明確的慣性子范圍，其特征是-5/3斜線。波浪主導(dǎo)的周期在0.5-1 Hz頻帶內(nèi)顯示出明顯的波浪信號(hào)，表明表面波較小。電流主導(dǎo)周期中的累積共譜表明，在更寬的頻帶（0.002-0.9 Hz；圖5E）中，通量貢獻(xiàn)較大；而在波浪頻率中，以波浪為主的周期中，通量貢獻(xiàn)更大（圖5E、圖5

結(jié)論與展望

本論文主要討論了應(yīng)用利用歐拉控制體積、渦流協(xié)方差（unisense渦動(dòng)系統(tǒng)）和生物量添加技術(shù)，研究佛羅里達(dá)灣海草的營(yíng)養(yǎng)和生產(chǎn)力梯度下的凈生態(tài)系統(tǒng)代謝。研究發(fā)現(xiàn)，在以往在各種條件下海草的長(zhǎng)期生產(chǎn)率研究所使用的技術(shù)（例如海草生物量添加技術(shù)）是費(fèi)時(shí)破壞性的，并且不包括地下生產(chǎn)或沉積物代謝。研究人員為了將短期生理反應(yīng)與長(zhǎng)期生理變化區(qū)分開(kāi)，以最大可能的時(shí)間分辨率檢查這些變量及其之間的相互作用非常有用。因?yàn)檩^高的采樣頻率可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)密度可以在同一研究期間內(nèi)在更廣泛的各種環(huán)境條件下測(cè)量海草新陳代謝的獨(dú)立速率。因此在原位條件下以快速測(cè)量的技術(shù)的應(yīng)用有利于確定海草群落的代謝如何響應(yīng)快速變化的環(huán)境條件。歐拉控制容積技術(shù)和渦度協(xié)方差（EC）技術(shù)是可以在相對(duì)較高的時(shí)間分辨率下（小時(shí)或更少的時(shí)間）測(cè)量原位條件下海草生態(tài)系統(tǒng)新陳代謝速率的兩種方法。但是歐拉技術(shù)必須部署在多個(gè)一晝夜周期中才能確定準(zhǔn)確的凈新陳代謝速率，因?yàn)樗鼤?huì)受到深度和/或流量限制所帶來(lái)的誤差和信號(hào)損失的困擾，很難確定空氣中氧氣（O2）的交換速度、高或極低的O 2飽和度，以及流量和光的快速變化。而渦度協(xié)方差技術(shù)（unisense渦動(dòng)系統(tǒng)）具有最高的時(shí)間分辨率，同時(shí)產(chǎn)生準(zhǔn)確的長(zhǎng)期通量率的優(yōu)勢(shì)。

渦動(dòng)協(xié)方差（EC）技術(shù)主要是通過(guò)應(yīng)用unisense水底渦動(dòng)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)垂向速度和O2濃度的瞬時(shí)變化并整合這些變化隨時(shí)間的變化來(lái)確定底棲生物與上層水之間的O2交換。原位渦度協(xié)方差技術(shù)（unisense渦動(dòng)系統(tǒng)）的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間分辨率高（<1 h），能夠在大面積上整合（10s-100s m2），并且對(duì)各種不同的底棲系統(tǒng)具有適應(yīng)性。原位渦度協(xié)方差技術(shù)（unisense渦動(dòng)系統(tǒng)），并與底棲腔和微剖面測(cè)量進(jìn)行了比較，顯示出比這些標(biāo)準(zhǔn)方法更高的分辨率和準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)比這些方法，研究人員準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)了不同方法的分辨率和準(zhǔn)確性上的差異，實(shí)現(xiàn)關(guān)于在不同時(shí)空尺度上測(cè)量的海草生態(tài)系統(tǒng)原位代謝的差異。

從整篇的論文研究?jī)?nèi)容因此可以看出，原位渦度協(xié)方差技術(shù)（unisense渦動(dòng)系統(tǒng)）和歐拉控制體積方法都可能非常適合測(cè)量底棲O2通量和每日總代謝率的日變化，但是原位渦度協(xié)方差技術(shù)（unisense渦動(dòng)系統(tǒng)）方法可能更加適合于估算整個(gè)晝夜周期內(nèi)的凈O2通量。而歐拉控制體積法則具有一些例如能夠在更大的空間和更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上采樣，以及適用于幾乎任何可以在幾分鐘到幾小時(shí)內(nèi)測(cè)量的溶質(zhì)的顯著的優(yōu)點(diǎn)。

這說(shuō)明渦流協(xié)方差（unisense渦動(dòng)系統(tǒng)）在海底海草床的氧通量研究方面具有非常好的應(yīng)用前景，因?yàn)闇u流協(xié)方差（unisense渦動(dòng)系統(tǒng)）受益于新的傳感器，這些傳感器是專門(mén)設(shè)計(jì)的，可以滿足高精度、高分辨率和快速響應(yīng)時(shí)間的要求的實(shí)驗(yàn)方案的測(cè)試。