Oxygen dynamics in shelf seas sediments incorporating seasonal variability

大陸架海洋沉積物中含季節變化的氧動力學

來源：Biogeochemistry (2017) 135:35–47

 

論文摘要

摘要指出，大陸架沉積物在全球生物地球化學循環中扮演著關鍵角色，是氧氣消耗和碳礦化的熱點區域?？偟讞鯕馕帐橇炕嫉V化的可靠指標。本研究通過在凱爾特海四個包含從粘性到滲透性沉積物梯度的底棲站點進行四次航次采樣，捕捉了氧氣動力學的季節和空間變化。通過培養實驗測量了總氧氣吸收速率，并使用氧微電極剖面測定了氧滲透深度和擴散性氧氣吸收速率。高分辨率測量結果顯示了清晰的季節和空間趨勢：粘性沉積物的氧氣吸收速率高于滲透性沉積物；不同沉積物類型之間的氧氣動力學差異在不同季節保持一致，并在浮游植物水華期間及之后出現氧氣消耗增加。大陸架沉積物中的碳礦化作用強烈受到沉積物類型和季節性的影響。

研究目的

本研究的主要目的是：

 

量化變異性：系統調查大陸架沉積物中氧氣動力學的空間變異性（不同沉積物類型：從粘性到滲透性）和時間變異性（季節性，特別是與春季浮游植物水華相關的變化）。

區分過程貢獻：通過結合測量總氧氣吸收和擴散性氧氣吸收，量化在碳礦化過程中，擴散過程與底棲動物群介導的過程（如生物擾動、生物灌溉和自身呼吸）的相對貢獻。

 

評估方法：使用多種培養實驗和微電極技術，評估不同方法在捕捉滲透性和粘性沉積物動力學方面的表現，以提供對大陸架碳循環更全面、可靠的理解。

 

研究思路

研究遵循了“選擇梯度站點-多季節采樣-多方法測量-綜合比對分析”的思路：

 

站點選擇：在凱爾特海選擇了四個底棲過程站點（A, G, H, I），其沉積物特性形成一個從粘性（站點A）到滲透性（站點G）的梯度，站點H和I為中間類型（泥質沙和沙質泥）。這代表了大陸架常見的沉積物類型范圍。

季節性采樣：在2014年和2015年的3月（水華前）、2015年5月（水華期）和2015年8月（水華后）進行了四次航次采樣，以捕捉季節動態。底層水溫全年保持穩定，排除了溫度影響的干擾。

多方法測量：

 

總氧氣吸收：使用了三種不同的沉積物柱培養實驗（實驗A、B、C），通過監測上覆水中氧氣濃度的變化來計算總氧氣吸收速率。這提供了底棲群落總代謝的積分測量。

 

微電極剖面：使用丹麥Unisense氧微電極在采集的沉積物柱中測量氧氣濃度的垂直剖面。這用于確定氧滲透深度和計算擴散性氧氣吸收速率。

 

數據分析：通過計算總氧氣吸收與擴散性氧氣吸收的差值，得到動物群介導的氧氣吸收。使用統計學方法（如ANOVA）分析站點、季節及其交互作用對各項測量指標的影響。

 

測量數據及其研究意義

研究測量了多個方面的數據，其意義和來源如下：

 

總氧氣吸收速率（反映底棲碳礦化的總強度）

 

測量指標：總氧氣吸收速率。

研究意義：總氧氣吸收是底棲系統總礦化活性的直接指標。圖2和 圖3的數據清晰表明，沉積物類型是控制總氧氣吸收的主要因素，粘性沉積物（站點A, H, I）的總氧氣吸收速率始終顯著高于滲透性沉積物（站點G）。同時，存在明顯的季節性，所有站點的總氧氣吸收速率在5月水華期達到峰值，反映了新鮮有機質輸入對底棲代謝的刺激作用。三種培養實驗的結果趨勢一致，驗證了發現的可靠性。

 

 

數據來源：圖2和 圖3。

 

擴散性氧氣吸收速率與氧滲透深度（揭示擴散過程的強度與氧化還原條件）

 

測量指標：擴散性氧氣吸收速率、氧滲透深度。這些關鍵數據是使用丹麥Unisense氧微電極測量的。

研究意義：圖4顯示擴散性氧氣吸收速率遠低于總氧氣吸收，且季節變化不如總氧氣吸收明顯。圖7和 圖8的剖面圖極具說服力地顯示，滲透性沉積物（站點G）的氧滲透深度極深（可達46毫米），而粘性沉積物的氧滲透深度很淺（<1毫米）。這直觀地展示了沉積物物理結構對氧氣輸送和氧化還原條件的決定性影響。淺的氧滲透深度意味著厭氧過程更接近界面，可能影響氮、鐵等其他元素的循環。

 

 

 

數據來源：圖4、圖7和 圖8。

 

動物群介導的氧氣吸收及其相對貢獻（量化生物活動的作用）

 

測量指標：動物群介導的氧氣吸收（總氧氣吸收 - 擴散性氧氣吸收）、擴散性氧氣吸收/總氧氣吸收的比值。

研究意義：圖5顯示，在粘性沉積物中，動物群介導的氧氣吸收是總氧氣吸收的主要組成部分，尤其在站點A和I的水華期達到峰值。圖6進一步以比值形式表明，擴散過程對總氧氣吸收的貢獻在水華前相對較高，但在水華期，動物群的作用變得更加主導。這證實了底棲動物群在響應新鮮食物供應、通過生物擾動和呼吸顯著增強碳礦化方面的關鍵作用。

 

 

數據來源：圖5和 圖6。

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

在研究中，丹麥Unisense氧微電極被用于測量沉積物中的氧氣微剖面。其研究意義至關重要，體現在它提供了高空間分辨率的原位環境信息，從而實現了對沉積物-水界面關鍵生物地球化學過程的機理層面的深入理解：

 

精確界定氧化還原邊界與擴散區：Unisense微電極能夠以高達200微米的分辨率測量氧氣濃度的垂直變化。這使得研究人員能夠精確確定氧滲透深度，即氧氣從上覆水滲透到沉積物中的最大深度。如圖7和圖8所示，研究發現滲透性沉積物（站點G）的氧滲透深度極深，而粘性沉積物則非常淺。這不僅是描述性的差異，更是對沉積物內部整個氧化還原化學環境的定義。深的氧滲透深度意味著好氧過程主導的更大部分沉積物體積，而淺的氧滲透深度則意味著厭氧過程（如反硝化、硫酸鹽還原）更接近界面，從而直接影響營養鹽和微量氣體的循環。

分離與量化關鍵過程速率：通過在高分辨率剖面中識別出擴散邊界層（濃度呈線性變化的薄層），研究人員可以應用菲克第一定律計算出擴散性氧氣吸收速率（圖4）。這一步至關重要，因為它將從物理化學角度控制的擴散通量與由生物活動（動物群）驅動的平流通量分離開來。沒有微電極提供的邊界層梯度數據，這種分離是無法實現的。計算出的擴散性氧氣吸收速率是評估沉積物微生物群落基礎呼吸強度的關鍵指標。

揭示沉積物內部的異質性與生物擾動：高分辨率剖面（如圖8中站點H和I的剖面）顯示出氧氣濃度并非隨深度平滑下降，而是在某些深度出現突然的升高或波動。這些“異常”點通常是底棲動物洞穴或通道的指示。微電極就像一根“探針”，能夠探測到這些微觀結構，從而為生物擾動和生物灌溉的存在和強度提供了直接證據。這解釋了為什么動物群介導的氧氣吸收在粘性沉積物中如此重要——動物活動將氧氣直接輸送到沉積物深處，擴大了反應體積。

 

為總通量測量提供機理驗證：總氧氣吸收是一個黑箱測量結果。Unisense微電極測量的擴散性氧氣吸收和觀察到的氧滲透深度為解釋總氧氣吸收的空間（站點間）和季節變化提供了機理基礎。例如，滲透性沉積物總氧氣吸收低，是因為其顆粒粗大、有機質含量低，且微電極顯示其氧滲透深度深，擴散路徑長；而粘性沉積物總氧氣吸收高，且在春季增加，是因為微電極證據支持動物群活動增強，將氧氣和新鮮有機質混合到沉積物中，刺激了代謝。

 

總之，Unisense微電極在本研究中不僅是測量工具，更是連接宏觀通量與微觀過程的橋梁。它將沉積物從均質的“面”解析為具有復雜三維結構的“體”，使得研究人員能夠定量區分物理、化學和生物過程對大陸架碳循環的相對貢獻，從而得出關于沉積物類型和季節變化影響機制的堅實結論。

研究結論

 

沉積物類型是主要控制因素：沉積物特性（粘性與滲透性）是決定氧氣動力學（如總氧氣吸收速率、氧滲透深度）的最重要因素，其影響大于季節性變化。粘性沉積物是碳礦化的熱點，具有更高的總氧氣吸收速率。

季節性信號顯著：所有沉積物類型都對春季浮游植物水華產生的有機質沉降有響應，表現為水華期總氧氣吸收速率的增加，證明了底棲系統與上層水體生產力的緊密耦合。

動物群作用關鍵：在粘性沉積物中，底棲動物群（包括生物擾動和自身呼吸）對總氧氣吸收的貢獻遠大于單純的分子擴散，是碳礦化的主要驅動者，尤其是在食物供應充足的水華期。

方法互補性：盡管不同培養方法測得的絕對速率存在差異，但它們一致地揭示了相同的空間和季節趨勢，增強了研究結果的可靠性。同時，微電極技術對于理解通量背后的機理不可或缺。

對全球碳循環的啟示：凱爾特海沉積物中較高的總氧氣吸收速率和動物群介導的氧氣吸收占比表明，大陸架沉積物，特別是粘性沉積物，是全球碳循環中異?；钴S的區域。在評估海洋碳匯和預測氣候變化影響時，必須考慮沉積物類型和季節動態的變異。