Technical note: Testing the effect of different pumping rates on pore-water sampling for ions, stable isotopes, and gas concentrations in the hyporheic zone  

技術說明：測試不同抽水速率對潛流帶孔隙水中離子、穩定同位素和氣體濃度采樣的影響  

來源：Hydrology and Earth System Sciences, Volume 27, Pages 3769-3782

《水文與地球系統科學》第27卷，第3769-3782頁

 

摘要內容

 

該研究評估了不同抽水速率對潛流帶（HZ）孔隙水采樣的影響，重點關注離子、穩定同位素和氣體（如CH?）濃度的測量準確性。研究結合Rhizon采樣器、自制光纖氧傳感器和溫度監測系統，在德國Moosach河細粒沉積物區域進行原位實驗。結果表明：  

Rhizon采樣器適用于溶解性物質（如離子、水穩定同位素）的采樣，數據與透析采樣器（peeper）一致。  

 

CH?濃度和δ13C-CH?顯著受抽水速率影響：速率越高（0.09 → 0.38 mL/min），CH?濃度變異性越大（標準差420 → 1119 μmol/L），且δ13C-CH?分餾加劇（圖3c, i）。  

 

 

自制光纖氧傳感器可精準定位氧化-缺氧界面（圖4a），溫度數據成功反演垂向潛流交換通量（圖5）。  

 

 

 

研究目的

測試不同抽水速率對孔隙水氣體（CH?）濃度測量的影響。  

 

評估Rhizon采樣器在潛流帶長期監測中的適用性。  

 

結合原位傳感器提升潛流帶生物地球化學過程監測的時空分辨率。  

 

研究思路

站點設計：在細粒沉積河床（70%粉砂）安裝含15個Rhizon采樣器（垂向分辨率3cm）的監測站，輔以光纖氧傳感器和14個溫度傳感器（圖1）。  

 

 

對照實驗：設置3種抽水速率（0.09, 0.19, 0.38 mL/min）采集孔隙水，與鄰近peeper數據對比（圖3）。  

 

參數測量：分析離子（Ca2?、Mg2?、Cl?等）、穩定同位素（δ1?O-H?O、δ2H-H?O、δ13C-CH?）、CH?濃度及溶解氧剖面。  

 

數據分析：統計檢驗不同采樣方法差異，結合溫度數據估算潛流通量（VFLUX軟件）。  

 

測量數據及研究意義

離子濃度（Ca2?、Mg2?、Cl?等）（圖3d-f）  

 

數據：不同深度濃度剖面，Rhizon與peeper數據高度一致（差異<7%）。  

 

意義：驗證Rhizon采樣器對溶解性離子的可靠性，適用于長期動態監測。  

穩定同位素（圖3g-h）  

 

數據：δ1?O-H?O和δ2H-H?O在孔隙水與河水間分餾（孔隙水d值高0.5‰）。  

 

意義：反映水來源與混合過程，抽水速率對水同位素無顯著影響。  

CH?濃度與δ13C-CH?（圖3c, i, 圖6）  

 

 

數據：CH?濃度隨抽水速率升高而增加且變異性增大；δ13C-CH?在低濃度（<950 μmol/L）時分餾顯著（最高達-65.9‰ vs. peeper的-71.2‰）。  

 

意義：揭示抽水速率導致氣體相行為差異（氣泡遷移/脫氣），高估CH?濃度且引起碳同位素分餾。  

溶解氧剖面（圖4a）  

 

數據：光纖傳感器精準定位氧化-缺氧界面（分辨率1cm），與Unisense微電極數據吻合。  

 

意義：避免采樣污染，為氧化還原過程提供原位依據。  

溫度數據與潛流通量（圖5）  

 

數據：垂向溫度振蕩反演潛流通量（振幅法），淺層下滲通量達1×10?? m/s（85 cm/天）。  

 

意義：量化水交換速率，支撐溶質運移模型。  

 

結論

Rhizon采樣器的適用性：  

 

溶解性離子和水穩定同位素測量可靠，不受抽水速率影響。  

 

氣體測量存在局限：CH?濃度和δ13C受抽水速率顯著影響，細粒沉積物中氣泡行為是主因。  

原位傳感器優勢：  

 

光纖氧傳感器可高分辨定位氧化-缺氧界面。  

 

溫度數據有效反演潛流通量及沉積動態（淤積/侵蝕）。  

推薦方案：  

 

氣體研究需謹慎選擇抽水速率（推薦≤0.09 mL/min），或優先用于粗粒沉積物（氣體溶解態為主）。  

 

多技術聯用（采樣+原位傳感）可提升潛流帶過程解析能力。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

研究中使用的丹麥Unisense微電極（Clark型）主要用于兩方面：  

校準自制光纖氧傳感器（圖4a）：  

 

作為基準儀器，在peeper腔室中直接測量溶解氧，驗證自制傳感器精度（尤其在低氧區）。  

 

意義：確保光纖傳感器數據可靠性，使其能獨立用于原位氧剖面監測（分辨率1cm），避免傳統采樣的大氣污染問題。  

快速評估peeper腔室氧濃度：  

 

在peeper取出后立即穿刺膜進行測量，克服空氣擴散干擾。  

 

意義：精準刻畫氧化-缺氧界面位置（如-15cm處劇變），為解釋氮循環（硝化/反硝化）和CH?產生區（缺氧層）提供關鍵邊界條件。  

 

核心價值：Unisense電極的毫米級分辨率和高靈敏度使其成為驗證新技術和獲取高精度氧化還原梯度的"金標準"，尤其適用于陡峭地球化學梯度區（如沉積物-水界面），彌補了傳統采樣方法在氣體和氧測量中的缺陷。