Oxygen Consumption in Permeable and Cohesive Sediments of the Gulf of Aqaba

亞喀巴灣粘性沉積物的滲透性和耗氧量

來源：Aquatic Geochemistry（2018年，卷24，頁165-193）

 

論文概述

研究了紅海亞喀巴灣（Gulf of Aqaba）—一個受季節(jié)性洪水和風塵沉積影響的貧營養(yǎng)（oligotrophic）海系統(tǒng)—中不同滲透性沉積物的氧氣消耗動態(tài)。研究通過微電極（microelectrodes）和微光極（microoptodes）技術(shù)，測量了南北和東西斷面不同水深站點（淺水15-45 m、中深250-561 m、深水700 m）沉積物的氧氣剖面，評估了沉積物-水界面的氧氣通量、消耗速率和滲透深度，并比較了兩種技術(shù)的性能及巖心運輸?shù)挠绊憽?

1. 摘要核心內(nèi)容

摘要指出，亞喀巴灣沉積物中的氧氣滲透深度（OPD）從淺水區(qū)砂質(zhì)滲透性沉積物的2-5 mm增加到深水區(qū)泥質(zhì)黏性沉積物的10-21 mm。這一增加對應(yīng)于沉積物-水界面氧氣擴散通量和氧氣消耗速率隨水深的降低。氧氣消耗速率在氧化-缺氧沉積邊界處出現(xiàn)局部最大值，可能與深水中溶解Fe(II)和Mn(II)的氧化以及淺水區(qū)硫化氫氧化有關(guān)。微電極和微光極在深水泥質(zhì)沉積物中的測量結(jié)果相似，但微光極在近岸砂質(zhì)沉積物中表現(xiàn)更穩(wěn)健（因其柔性光纖結(jié)構(gòu)不易損壞或擾動砂粒）。巖心從埃拉特（Eilat）運輸?shù)截悹栔x巴（Beer Sheva）并儲存≤24小時后，未檢測到氧氣通量和消耗速率的變化。

2. 研究目的

本研究的主要目的是：

 

量化氧氣消耗：測量亞喀巴灣貧營養(yǎng)系統(tǒng)中沉積物的氧氣通量和有機碳礦化速率，評估風塵沉積的影響。

評估方法學：比較微電極和微光極在不同粒度沉積物中的適用性，確定巖心運輸對氧氣剖面測量的影響。

 

揭示生物地球化學過程：識別控制氧氣消耗的關(guān)鍵反應(yīng)（如Fe、Mn、S的氧化），并解析氧化還原分帶。

 

3. 研究思路

研究采用多站點對比與多方法驗證的策略：

 

站點選擇與采樣：在亞喀巴灣南北和東西斷面選取10個站點（水深15-700 m），使用多管采樣器（multicorer）和潛水員手動采集沉積物巖心（圖1；表1）。

 

 

原位與實驗室測量：

 

氧氣剖面測量：使用丹麥Unisense微電極（Clark型，檢測限0.3 μM）和Pyroscience微光極（檢測限0.6 μM）以50-100 μm分辨率測量溶解氧垂直剖面（圖2、3、4、5；附錄1-4）。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

沉積物特性分析：測量孔隙度（φ）、粒度分布和總有機碳（TOC）含量（表1）。

 

數(shù)據(jù)處理與建模：

 

單區(qū)模型：計算擴散邊界層（DBL）通量（JDBL）、沉積物線性通量（Jlinear）和拋物線通量（Jparabolic），以及消耗速率（R）和OPD（圖2；附錄2）。

 

多區(qū)模型：使用PROFILE軟件（Berg et al., 1998）將剖面分為2-4個區(qū)，分別計算通量和消耗速率（圖3、4；附錄3）。

 

運輸實驗驗證：比較埃拉特（現(xiàn)場）和貝爾謝巴（運輸后）測量的氧氣剖面，評估運輸影響（圖5；附錄4）。

 

4. 測量數(shù)據(jù)、來源及其研究意義

本研究測量了多維度數(shù)據(jù)，其具體來源和科學意義如下：

4.1 氧氣通量與消耗速率數(shù)據(jù)（來自 圖2、3、4、5和 附錄2-4）

 

數(shù)據(jù)：

 

DBL氧氣通量（JDBL）：淺水區(qū)125-260 μmol m?2 h?1，中深區(qū)34-126 μmol m?2 h?1，深水區(qū)30-64 μmol m?2 h?1（圖2a,b）。

沉積物氧氣消耗速率（R）：淺水區(qū)12-46 nmol L?1 s?1，中深區(qū)1.1-3.7 nmol L?1 s?1，深水區(qū)1.2 nmol L?1 s?1（圖2e,f）。

 

OPD：淺水區(qū)2-5 mm，中深區(qū)10-21 mm，深水區(qū)16-17 mm（圖2g,h）。

 

研究意義：

 

揭示能耗梯度：通量和消耗速率隨水深增加而降低，反映有機碳輸入減少和沉積物還原性減弱。

 

識別反應(yīng)熱點：消耗速率在氧化-缺氧邊界出現(xiàn)峰值（圖4），指示Fe/Mn還原或硫氧化等反應(yīng)活躍。

 

4.2 沉積物特性數(shù)據(jù)（來自 表1）

 

數(shù)據(jù)：孔隙度（φ=0.48-0.73）、TOC（0.11-0.56 wt%）、CaCO?含量（18-91 wt%）。

研究意義：

 

控制OPD：高孔隙度和低TOC導(dǎo)致深水區(qū)OPD增加，擴散增強。

 

影響測量：砂質(zhì)沉積物（淺水區(qū)）易擾動，泥質(zhì)沉積物（深水區(qū)）更均質(zhì)。

 

4.3 技術(shù)比較數(shù)據(jù)（來自 圖2、5和 附錄4）

 

數(shù)據(jù)：微電極和微光極在深水區(qū)通量測量一致（偏差<10%），但在淺水區(qū)微光極更穩(wěn)定（圖5）。

研究意義：

 

方法選擇指南：微光極適合粗粒沉積物，微電極適合細粒沉積物；運輸不影響結(jié)果（圖5）。

 

4.4 多區(qū)模型數(shù)據(jù)（來自 圖3、4和 附錄3）

 

數(shù)據(jù)：氧氣剖面可分為2-4個消耗區(qū)，淺水區(qū)消耗集中在表層（圖3、4）。

研究意義：

 

解析過程分層：多區(qū)模型更準確反映微生物活動和化學反應(yīng)的垂向異質(zhì)性。

 

5. 主要結(jié)論

論文得出以下核心結(jié)論：

 

OPD與水深正相關(guān)：從淺水2-5 mm增至深水10-21 mm，受沉積物類型和有機碳含量控制。

氧氣消耗機制多樣：淺水區(qū)硫氧化主導(dǎo)，深水區(qū)Fe/Mn氧化主導(dǎo)，氧化-缺氧邊界存在消耗峰值。

技術(shù)適用性分化：微光極適用于砂質(zhì)沉積物（抗擾動），微電極適用于泥質(zhì)沉積物（高分辨率）；巖心運輸無顯著影響。

 

貧營養(yǎng)系統(tǒng)特征：低TOC導(dǎo)致整體消耗速率較低，但淺水區(qū)因滲透性高和高輸入而消耗較強。

 

6. 詳細解讀：使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense公司的微電極系統(tǒng)被用于高分辨率氧氣剖面測量（方法部分2.3節(jié)），數(shù)據(jù)生成圖2、3、4、5和附錄1-4的氧氣梯度和通量。

測量數(shù)據(jù)描述：Unisense微電極（Clark型，尖端直徑50-100 μm）以50-100 μm的分辨率測量了沉積物-水界面的溶解氧濃度。電極通過兩點校準（0%和100%飽和度），響應(yīng)時間快，檢測限低（0.3 μM），提供了毫米級的化學梯度數(shù)據(jù)。

詳細研究意義解讀：

 

提供高分辨率氧化梯度：微電極揭示了氧氣濃度從沉積物-水界面（180-190 μM）到缺氧區(qū)的指數(shù)下降（圖2、附錄1），準確量化了OPD和擴散通量。例如，淺水站點WS-15的OPD僅2.5 mm，而深水站點NS-700達17 mm，直接反映了有機碳礦化強度的空間差異。

計算擴散通量與消耗速率：基于菲克定律，微電極數(shù)據(jù)用于計算DBL通量（JDBL）和沉積物通量（Jlinear、Jparabolic）。淺水區(qū)的高通量（如NS-45: 260 μmol m?2 h?1）表明活躍的微生物呼吸和化學氧化，深水區(qū)低通量（如NS-700: 30 μmol m?2 h?1）指示碳限制（圖2a,c）。

識別反應(yīng)熱點與機制：微電極剖面顯示消耗速率在特定深度出現(xiàn)峰值（如NS-306站點~10 mm處；圖4），結(jié)合孔隙水化學（Blonder et al., 2017），證實了Fe2?/Mn2?上涌氧化或H?S氧化的貢獻。這揭示了氧化還原耦合過程在沉積物碳循環(huán)中的關(guān)鍵作用。

支持方法比較與驗證：與微光極相比，微電極在深水泥質(zhì)沉積物中表現(xiàn)相似（偏差<7%），但在淺水砂質(zhì)沉積物中易因剛性結(jié)構(gòu)擾動顆粒（圖5）。突出了微電極的高靈敏度但易損性，指導(dǎo)了未來技術(shù)選擇。

評估運輸效應(yīng)：微電極測量顯示運輸后通量和OPD無變化（圖5；附錄4），證明了實驗可行性，支持異地測量策略。

 

模型校準與驗證：微電極數(shù)據(jù)用于校準單區(qū)和多區(qū)模型（R2≥0.991），提高了通量和消耗速率估算的可靠性（圖3、4）。多區(qū)模型揭示的消耗分層（如NS-700站點3個區(qū)）提供了更真實的生物地球化學過程表征。

 

總結(jié)：Unisense微電極在本研究中充當了 “沉積物氧氣顯微鏡”的角色。其提供的高分辨率氧氣剖面不僅是描述性數(shù)據(jù)，更是量化通量、識別反應(yīng)區(qū)、校準模型和驗證方法的核心工具。沒有這些數(shù)據(jù)，研究無法準確解析氧化還原梯度或評估技術(shù)偏差，結(jié)論的深度和可靠性將顯著降低。這項工作強調(diào)了微電極技術(shù)在沉積物生物地球化學研究中的不可替代性，尤其對于揭示貧營養(yǎng)系統(tǒng)中的細微過程。