Technical Note: Testing pore-water sampling, dissolved oxygen profiling and temperature monitoring for resolving dynamics in hyporheic zone geochemistry  

技術(shù)說(shuō)明：測(cè)試孔隙水采樣、溶解氧剖面測(cè)量和溫度監(jiān)測(cè)在解析潛流帶地球化學(xué)動(dòng)態(tài)中的應(yīng)用  

來(lái)源：EGUsphere Preprint, Discussion started: 24 April 2023  

EGUsphere預(yù)印本，2023年4月24日啟動(dòng)討論  

 

摘要內(nèi)容

 

該研究評(píng)估了三種方法（Rhizon孔隙水采樣器、自制光纖氧傳感器和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）在潛流帶（HZ）高分辨率時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的適用性。通過(guò)在德國(guó)Moosach河細(xì)粒沉積物區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)：  

Rhizon采樣器適用于溶解性物質(zhì)（如離子）的重復(fù)采樣，但氣體（CH?）濃度和同位素組成受抽水速率顯著影響（圖2c,f）。  

 

 

自制光纖氧傳感器可精準(zhǔn)定位氧化-缺氧界面（分辨率1cm）（圖3a），但近飽和氧濃度的絕對(duì)測(cè)量存在不確定性。  

 

溫度監(jiān)測(cè)結(jié)合VFLUX軟件成功反演垂向潛流通量（圖4），并揭示了沉積動(dòng)態(tài)（淤積/侵蝕）。  

 

 

多技術(shù)聯(lián)用顯著提升了對(duì)潛流帶生物地球化學(xué)過(guò)程的解析能力。  

 

研究目的

開(kāi)發(fā)高時(shí)空分辨率監(jiān)測(cè)潛流帶地球化學(xué)動(dòng)態(tài)的方法組合。  

 

評(píng)估Rhizon采樣器在氣體測(cè)量中的局限性及適用條件。  

 

驗(yàn)證低成本光纖氧傳感器和溫度監(jiān)測(cè)在定位氧化還原界面及量化水通量中的有效性。  

 

研究思路

站點(diǎn)設(shè)計(jì)：在細(xì)粒沉積河床（70%粉砂，21%有機(jī)質(zhì)）安裝含15個(gè)Rhizon采樣器（垂向分辨率3cm）的監(jiān)測(cè)站，輔以光纖氧傳感器和14個(gè)溫度傳感器（圖1）。  

 

 

對(duì)照實(shí)驗(yàn)：設(shè)置3種抽水速率（0.09, 0.19, 0.38 mL/min）采集孔隙水，與透析采樣器（peeper）數(shù)據(jù)對(duì)比（圖2）。  

 

參數(shù)測(cè)量：  

 

離子（Ca2?、Mg2?、Cl?等）  

 

穩(wěn)定同位素（δ1?O-H?O、δ2H-H?O、δ13C-CH?）  

 

CH?濃度  

 

溶解氧剖面（光纖傳感器 vs. Unisense微電極）  

 

溫度梯度（垂向分辨率2-6cm）  

數(shù)據(jù)分析：  

 

統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)不同采樣方法差異（Mann-Whitney U檢驗(yàn)）。  

 

溫度數(shù)據(jù)用VFLUX軟件估算潛流通量（Hatch和Keery模型）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

離子濃度（Ca2?、Mg2?、Cl?）（圖2a-b, 圖C1）  

 

數(shù)據(jù)：Rhizon與peeper數(shù)據(jù)高度一致（差異<7%），抽水速率無(wú)顯著影響。  

 

意義：驗(yàn)證Rhizon對(duì)溶解性離子的可靠性，適用于長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。  

CH?濃度與δ13C-CH?（圖2c,f, 圖5）  

 

 

數(shù)據(jù)：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(shí)分餾顯著（最高-65.9‰ vs. peeper的-71.2‰）。  

 

意義：揭示抽水速率導(dǎo)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（圖5）。  

溶解氧剖面（圖3a）  

 

數(shù)據(jù)：光纖傳感器精準(zhǔn)定位氧化-缺氧界面（-15cm處劇變），與Unisense微電極數(shù)據(jù)吻合。  

 

意義：避免采樣污染，為氧化還原過(guò)程提供原位依據(jù)。  

溫度數(shù)據(jù)與潛流通量（圖4）  

 

數(shù)據(jù)：淺層下滲通量達(dá)1×10?? m/s（85 cm/天），深層上涌通量約-5×10?? m/s（-4.2 cm/天）。  

 

意義：量化水交換速率，識(shí)別沉積動(dòng)態(tài)（如夏季淤積導(dǎo)致溫度信號(hào)衰減）。  

 

結(jié)論

Rhizon采樣器的適用性：  

 

溶解性離子測(cè)量可靠，但氣體測(cè)量存在局限——CH?濃度和δ13C受抽水速率影響，細(xì)粒沉積物中氣泡行為是主因。  

 

推薦低抽速（≤0.09 mL/min）或用于粗粒沉積物（氣體溶解態(tài)為主）。  

原位傳感器優(yōu)勢(shì)：  

 

自制光纖氧傳感器可高分辨定位氧化-缺氧界面（生態(tài)關(guān)鍵參數(shù)）。  

 

溫度數(shù)據(jù)有效反演潛流通量及沉積動(dòng)態(tài)，支撐模型參數(shù)化（擴(kuò)散系數(shù)溫度依賴性）。  

多技術(shù)聯(lián)用價(jià)值：  

 

結(jié)合孔隙水化學(xué)、氧界面定位和溫度通量，可解析洪水/干旱等事件對(duì)營(yíng)養(yǎng)循環(huán)和溫室氣體排放的脈沖效應(yīng)。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

研究中Unisense微電極（Clark型）主要用于兩方面：  

校準(zhǔn)自制光纖氧傳感器（圖3a）：  

 

作為基準(zhǔn)儀器，在peeper腔室中直接測(cè)量溶解氧（避免大氣擴(kuò)散干擾），驗(yàn)證自制傳感器在低氧區(qū)的精度（<20 μmol/L）。  

 

意義：確認(rèn)光纖傳感器毫米級(jí)分辨率在陡峭氧化還原梯度區(qū)的可靠性（如-15cm界面），使其能獨(dú)立用于原位監(jiān)測(cè)。  

快速評(píng)估peeper腔室氧濃度：  

 

在peeper取出后立即穿刺膜測(cè)量，克服傳統(tǒng)采樣的大氣污染問(wèn)題。  

 

意義：精準(zhǔn)刻畫(huà)氧化-缺氧界面位置，為解釋氮循環(huán)（如硝化/反硝化分區(qū)）和CH?產(chǎn)生區(qū)（缺氧層）提供關(guān)鍵邊界條件。  

 

核心價(jià)值：Unisense電極的高靈敏度和抗干擾性使其成為驗(yàn)證新技術(shù)和獲取高精度氧化還原梯度的"金標(biāo)準(zhǔn)"，尤其彌補(bǔ)了Rhizon采樣（氧污染風(fēng)險(xiǎn)）和光纖傳感器（近飽和區(qū)誤差大）的缺陷。