Technical note: Measurements and data analysis of sediment-water oxygen flux using a new dual-optode eddy covariance instrument  

技術說明：利用新型雙光極渦動協方差儀器測量和分析沉積物-水界面氧通量  

來源：Biogeosciences, 17, 4459–4476, 2020

《生物地球科學》第17卷，第4459-4476頁，2020年

  

 

摘要內容

 

論文開發了一種雙光極渦動協方差儀器（2OEC），通過并行測量溶解氧濃度和垂直流速變化，結合新型數據分析方法，顯著提高了沉積物-水界面氧通量測量的可靠性。該儀器在佛羅里達礁島群碳酸鹽砂質沉積物的現場部署表明：  

1. 雙光極設計可有效識別傳感器污損（如生物附著、顆粒物干擾）導致的數據偏差，減少錯誤通量解釋（如圖7e中P傳感器異常）。  

 

2. 短期通量動態（如潮汐變化引發的18:14EDT氧濃度階躍）可通過雙傳感器一致性驗證（圖3b）。  

 

3. 在穩定條件下，2OEC僅需數小時即可獲得代表性通量數據，適用于沉積物-水、水體內部或大氣-水界面的通量測繪。  

 

研究目的

 

1. 開發雙光極渦動協方差系統，提升氧通量數據質量。  

2. 建立雙傳感器數據評估流程，識別受損光極信號。  

3. 驗證儀器在動態陸架環境中的性能及其對沉積物-水通量研究的適用性。  

 

研究思路

 

1. 儀器開發：  

   ? 集成兩臺PyroScience FireSting O?-Mini氧分析儀與超高速OXR430-UHS光纖傳感器（響應時間<300ms），連接Nortek Vector聲學多普勒流速儀（ADV）。  

 

   ? 傳感器以45°傾角置于ADV測量體積下游30mm處（圖2b），避免湍流干擾。  

 

2. 現場驗證：  

   ? 2013年8月與2014年4月在佛羅里達礁島群9m深碳酸鹽砂沉積區部署（圖2a），同步使用底棲平流室測量通量對比。  

 

3. 數據分析：  

   ? 采用EddyFlux 3.2軟件計算氧通量（F?? = O'? × u'z），校正時間滯后、波浪旋轉及水體氧儲存效應。  

 

   ? 通過雙光極累積通量一致性評估數據質量（如圖4f）。  

 

測量數據及其研究意義與來源圖表

 

1. 氧化還原電位與氧滲透深度（圖2）  

   ? 意義：驗證沉積物表層（0-3cm）氧化層厚度（3-5mm）及缺氧臨界深度（0.3-0.8cm），為通量計算提供邊界條件。  

 

   ? 來源：Unisense微電極剖面（圖2）。  

 

2. 雙光極氧濃度與通量對比（圖3, 圖5, 圖7）  

   ? 意義：雙傳感器一致性（如Case A圖3b）確認數據可靠；偏差（如Case C圖7e）指示傳感器污損（生物附著）。  

 

   ? 來源：光極P/Q同步測量（圖3b, 圖5b, 圖7b）。  

 

3. 通量校正效果（圖4）  

   ? 意義：時間滯后校正（圖4d）和波浪旋轉校正（圖4e）顯著提升雙傳感器通量一致性（圖4f）。  

 

   ? 來源：校正前后累積通量對比（圖4b-f）。  

 

4. 渦動協方差與平流室通量對比（圖8）  

   ? 意義：2OEC通量（3.4±0.7 mmol m?2 h?1）與平流室數據（3.9±3.0 mmol m?2 h?1）吻合，驗證測量準確性（圖8c）。  

 

   ? 來源：同步部署數據（圖8a-b）。  

 

 

結論

 

1. 技術優勢：雙光極設計通過并行測量識別傳感器污損（如海洋雪附著），減少數據損失（圖7e）。  

2. 性能驗證：在中等流速（3.6-8.4 cm s?1）和低濁度（<8 NTU）環境下，2OEC通量數據與獨立方法（平流室）一致。  

3. 應用價值：快速（數小時）獲取可靠通量數據，適用于淺海陸架等高動態環境沉積物-水界面過程研究。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

測量指標：沉積物氧化還原電位剖面（0-3 cm深度，1 mm分辨率）  

設備：Unisense RD100微電極（Ag/AgCl參比電極）  

研究意義：  

1. 量化氧化層臨界深度：  

   ? 高分辨率（1 mm）測量顯示缺氧臨界點（200 mV）位于沉積物表層0.3-0.8 cm深度（圖2），直接驗證鐵還原驅動的磷釋放機制所需的氧化還原梯度。  

 

2. 驗證通量計算邊界條件：  

   ? 氧滲透深度（OPD）數據結合Fick定律計算擴散通量，明確沉積物-水界面氧擴散的物理約束（如Case A中35 cm高處平均通量3.4 mmol m?2 h?1）。  

 

3. 指示傳感器污損影響：  

   ? 生物附著（圖1b）改變電極表面氧擴散速率，導致響應時間延長（如Case C圖7e），Unisense數據為識別此類誤差提供基準。  

 

4. 支撐缺氧因子模型：  

   ? 氧化還原剖面確認沉積物周期性缺氧的可能性，支持缺氧因子（AF）作為淺水湖內源負荷的預測指標。