Sediment oxygen uptake and hypoxia: a simple mass-balance model for estuaries and coastal oceans  

沉積物氧吸收與缺氧：河口及近岸海洋的簡(jiǎn)易質(zhì)量平衡模型  

來源：Geophysical Research Letters  

《地球物理研究快報(bào)》  

 

摘要內(nèi)容  

 

摘要指出沿海缺氧現(xiàn)象因富營(yíng)養(yǎng)化加劇和分層導(dǎo)致的底部氧氣補(bǔ)給減少而惡化。研究以珠江口（PRE）為例，結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)和模型分析，量化了生物地球化學(xué)（如沉積物耗氧）和物理驅(qū)動(dòng)因素（如分層）對(duì)缺氧的影響。結(jié)果顯示：珠江口沉積物消耗了水柱中60%以上的有機(jī)質(zhì)，平均氧吸收速率為41.1±16.3 mmol m?2 d?1；底部邊界層（BBL）越薄，沉積物對(duì)缺氧的貢獻(xiàn)越顯著。研究構(gòu)建了一個(gè)通用質(zhì)量平衡模型，可用于跨系統(tǒng)比較缺氧形成時(shí)間和條件。  

 

研究目的  

 

量化沿海缺氧的生物地球化學(xué)（沉積物耗氧）和物理驅(qū)動(dòng)因素（如分層），開發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)單模型以解釋區(qū)域差異并預(yù)測(cè)缺氧發(fā)展趨勢(shì)。  

 

研究思路  

 

數(shù)據(jù)觀測(cè)：使用CTD測(cè)量水柱溫度、鹽度、密度、溶解氧（圖1）；

 

通過沉積物巖芯實(shí)驗(yàn)和Unisense微電極測(cè)量氧滲透深度（OPD）和吸收率（SOU）（圖2）。  

 

 

數(shù)據(jù)分析：結(jié)合水柱分層（N2值，圖1c）和BBL厚度，分析SOU與缺氧的關(guān)系（圖3）。  

 

模型構(gòu)建：建立質(zhì)量平衡模型，關(guān)聯(lián)沉積物耗氧、水柱反應(yīng)和分層時(shí)間。  

 

跨系統(tǒng)驗(yàn)證：將模型應(yīng)用于墨西哥灣北部、長(zhǎng)江口等區(qū)域驗(yàn)證普適性（圖3a-b、圖4c）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義  

 

（1）水柱數(shù)據(jù)（溫度、鹽度、密度、溶解氧，圖1和表S1）：揭示分層對(duì)底部氧氣補(bǔ)給的限制作用。  

 

 

（2）沉積物氧滲透深度（OPD）（圖2a和S3）：反映沉積物中氧消耗速率，間接指示有機(jī)物礦化強(qiáng)度。  

 

（3）沉積物氧吸收率（SOU）（圖2b和表S1）：直接量化沉積物對(duì)缺氧的貢獻(xiàn)，支撐模型參數(shù)化。  

（4）BBL厚度（圖1c和S1）：證明物理層厚度調(diào)節(jié)生物地球化學(xué)效應(yīng)。  

 

 

 

結(jié)論  

 

（1）珠江口沉積物消耗了水柱中60%以上的有機(jī)質(zhì)，是缺氧的主要驅(qū)動(dòng)因素。  

（2）BBL厚度控制沉積物耗氧對(duì)缺氧的貢獻(xiàn)，薄層區(qū)域缺氧敏感性更高。  

（3）質(zhì)量平衡模型成功量化缺氧形成時(shí)間（圖4b-c），并解釋跨系統(tǒng)差異（如墨西哥灣缺氧時(shí)間更長(zhǎng)）。  

（4）模型可推廣至其他區(qū)域（如長(zhǎng)江口、切薩皮克灣），為管理策略提供理論支持。  

 

Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義  

 

（1）直接量化沉積物氧動(dòng)態(tài)：  

微剖面技術(shù)（0.5–1 mm分辨率）精確測(cè)定沉積物-水界面氧梯度（圖2a），顯示氧滲透深度僅2–7 mm（表S1），表明劇烈氧消耗。  

全巖芯培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得SOU為16.5–70.5 mmol m?2 d?1（圖2b），直接反映沉積物耗氧速率，為模型提供關(guān)鍵參數(shù)。  

（2）揭示有機(jī)物礦化過程：  

高SOU值與淺層OPD結(jié)合（圖S4），表明沉積物中有機(jī)物快速分解，支持“沉積物主導(dǎo)缺氧”的結(jié)論。  

 

（3）支撐模型參數(shù)化：  

SOU數(shù)據(jù)與BBL厚度標(biāo)準(zhǔn)化（SOU/h）顯示與底部氧濃度的強(qiáng)相關(guān)性（圖3a-b），驗(yàn)證模型中“物理層厚度調(diào)節(jié)生物效應(yīng)”的假設(shè)。  

（4）技術(shù)優(yōu)勢(shì)：  

Unisense電極的高空間分辨率避免了傳統(tǒng)孔隙水提取的誤差（圖S3），數(shù)據(jù)更可靠。  

原位培養(yǎng)設(shè)計(jì)（保持自然沉積物-水界面）更真實(shí)反映耗氧過程，減少實(shí)驗(yàn)干擾。