Sources and sinks of bottom water oxygen in a seasonally hypoxic fjord  

季節(jié)性缺氧峽灣底層水氧氣的來(lái)源與匯  

來(lái)源：Frontiers in Marine Science, Published 18 April 2023  

《海洋科學(xué)前沿》，2023年4月18日發(fā)表  

 

摘要內(nèi)容

 

研究通過耦合水柱-沉積物模型，結(jié)合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（溫鹽、溶解氧、葉綠素?zé)晒猓┖统练e物微剖面測(cè)量，量化了加拿大貝德福德盆地（Bedford Basin）底層水氧氣的來(lái)源與消耗。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：  

氧氣來(lái)源：冬季混合（29-81%）和夏季/秋季陸架水入侵（最高36%）是主要供氧機(jī)制，入侵事件可在數(shù)小時(shí)內(nèi)顯著提升底層氧濃度（圖4）。  

 

 

氧氣消耗：水柱呼吸貢獻(xiàn)約80%的總耗氧，沉積物耗氧（平均12±8 mmol m?2 d?1）占20%（圖6D）。  

 

 

氣候影響：2021年因海表溫度異常升高（0.11℃/年趨勢(shì)，圖8C），層化增強(qiáng)導(dǎo)致底層供氧減少50%，缺氧持續(xù)28周（圖3）。  

 

 

 

研究目的

量化峽灣底層水氧收支的關(guān)鍵過程（物理供氧與生物耗氧）。  

 

評(píng)估冬季混合、陸架水入侵及沉積物耗氧對(duì)缺氧的貢獻(xiàn)。  

 

預(yù)測(cè)氣候變暖（海溫上升、層化增強(qiáng)）對(duì)缺氧的潛在影響。  

 

研究思路

數(shù)據(jù)采集：  

 

長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)：周分辨率CTD數(shù)據(jù)（溫鹽、溶解氧、葉綠素?zé)晒猓▓D3）。  

 

沉積物測(cè)量：季節(jié)性微剖面（氧滲透深度、擴(kuò)散通量DOU）（圖5，表2）。  

 

 

 

高頻觀測(cè)：底棲儀器站記錄入侵事件（溫度、鹽度、氧，1分鐘間隔）（圖4）。  

模型構(gòu)建：  

 

1D水柱-沉積物耦合模型，以20m深度為上邊界（隔離表層混合影響）。  

 

利用溫鹽數(shù)據(jù)反演垂向擴(kuò)散系數(shù)（Kz），葉綠素?cái)?shù)據(jù)約束水柱呼吸速率。  

情景模擬：  

 

對(duì)比2018（入侵事件）、2019（強(qiáng)冬季混合）、2021（弱混合）三年氧收支。  

 

敏感性實(shí)驗(yàn)：測(cè)試冬季混合減弱（-50%至-90%）和入侵事件的影響（圖9）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

水柱參數(shù)（溫鹽、溶解氧、葉綠素）（圖3）  

 

數(shù)據(jù)：溶解氧最低值（2018:5μM, 2021:2.7μM）；葉綠素峰值（2019年秋季達(dá)24.5 mg m?3）。  

 

意義：揭示層化（圖3D-E）與缺氧的時(shí)空關(guān)聯(lián)，量化水柱呼吸速率（表1）。  

 

 

沉積物氧微剖面（圖5，表2）  

 

數(shù)據(jù)：氧滲透深度（0.8-1.7 mm）；擴(kuò)散氧通量DOU（5.8-17.7 mmol m?2 d?1）。  

 

意義：證明DOU與底層水氧濃度顯著正相關(guān)（R2=0.96, 圖5C），支持"擴(kuò)散限制"理論。  

高頻底棲數(shù)據(jù)（圖4）  

 

數(shù)據(jù)：2018年10月入侵事件中，底層氧數(shù)小時(shí)內(nèi)從10μM升至200μM。  

 

意義：捕捉瞬態(tài)供氧過程，驗(yàn)證入侵對(duì)缺氧的緩解作用。  

 

結(jié)論

供氧機(jī)制：  

 

冬季混合主導(dǎo)供氧（尤其2019年占70%），陸架水入侵可貢獻(xiàn)等效氧量（2018年占35.5%）。  

 

層化期垂向擴(kuò)散貢獻(xiàn)19-36%的氧輸入。  

耗氧分配：  

 

水柱呼吸是主要匯（22.2-26.1 mol O? m?2 y?1），沉積物耗氧次之（2.7-5.4 mol O? m?2 y?1）。  

 

沉積物貢獻(xiàn)隨水深增加（對(duì)數(shù)關(guān)系，圖7A），全盆地平均占比約35%。  

氣候敏感性：  

 

 

海表溫度上升（0.11℃/年）增強(qiáng)層化，削弱冬季混合（圖8），導(dǎo)致2021年供氧減少50%。  

 

模型預(yù)測(cè)：冬季混合減弱90%時(shí)，缺氧期延長(zhǎng)至28周/年（圖9）。  

 

 

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，OX-100）用于沉積物氧微剖面測(cè)量：  

高分辨率氧梯度測(cè)量：  

 

以100μm垂向分辨率獲取沉積物-水界面（SWI）附近的氧分布（圖5A），精準(zhǔn)測(cè)定氧滲透深度（OPD，0.8-1.7 mm）和擴(kuò)散邊界層（DBL，0.3-0.5 mm）。  

 

意義：提供計(jì)算擴(kuò)散氧通量（DOU）的關(guān)鍵參數(shù)，驗(yàn)證三種DOU計(jì)算方法的一致性（表2）。  

揭示沉積物耗氧機(jī)制：  

 

發(fā)現(xiàn)DOU與底層水氧濃度顯著正相關(guān)（R2=0.96, 圖5C），而沉積物耗氧速率（kO2.sedi）與氧濃度無(wú)關(guān)（圖5D）。  

 

意義：證明沉積物耗氧受擴(kuò)散限制而非微生物活性主導(dǎo)，為模型假設(shè)提供實(shí)證支持。  

量化入侵事件的沉積物響應(yīng)：  

 

結(jié)合高頻水柱數(shù)據(jù)（圖4A），模擬顯示入侵后沉積物氧通量數(shù)小時(shí)內(nèi)從3升至22 mmol m?2 d?1（圖4B）。  

 

意義：證實(shí)突發(fā)供氧事件可顯著增強(qiáng)沉積物氧化能力，影響營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)（如促進(jìn)反硝化）。  

 

核心價(jià)值：Unisense電極的毫米級(jí)分辨率為沉積物-水界面過程研究提供了不可替代的原位觀測(cè)手段，尤其在捕捉瞬態(tài)事件（如入侵）和驗(yàn)證模型關(guān)鍵參數(shù)方面具有優(yōu)勢(shì)。