Sediment oxygen uptake and hypoxia in coastal oceans, the Pearl River Estuary region  

海岸海洋沉積物耗氧與缺氧：以珠江口區(qū)域?yàn)槔? 

來(lái)源：Water Research,  267 (2024) 122499

《水研究》期刊，第267卷，2024年，文章編號(hào)122499  

 

摘要內(nèi)容

 

該研究針對(duì)珠江口（PRE）區(qū)域（水深10-70米）的沉積物耗氧（SOU）及其對(duì)缺氧的貢獻(xiàn)展開。研究發(fā)現(xiàn)：  

珠江口區(qū)域沉積物消耗了水體中約50%的有機(jī)質(zhì)，并氧化了沉積物有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生的88%銨鹽，導(dǎo)致高SOU（平均41.1 ± 16.3 mmol m?2 d?1）。  

 

在分層條件下，沉積物對(duì)底層氧的影響受底部邊界層（BBL）厚度的強(qiáng)烈調(diào)控，且二者關(guān)系穩(wěn)定，可用于參數(shù)化SOU。  

 

通過(guò)構(gòu)建質(zhì)量平衡模型，量化了BBL內(nèi)水體耗氧（WOUBBL）及總氧損失，并發(fā)現(xiàn)：  

 

氧水平對(duì)SOU的敏感性主要受分層持續(xù)時(shí)間控制；  

 

有機(jī)質(zhì)沉降速度決定了SOU對(duì)總耗氧的貢獻(xiàn)比例。  

模型可進(jìn)一步用于評(píng)估缺氧的主要驅(qū)動(dòng)因素（分層vs.高耗氧）、缺氧發(fā)展的時(shí)間尺度，并解釋系統(tǒng)內(nèi)及跨系統(tǒng)的變異性。  

 

研究目的

量化生物（SOU）和物理（分層）驅(qū)動(dòng)因素對(duì)缺氧形成的貢獻(xiàn)。  

 

建立SOU與BBL厚度的關(guān)系，改進(jìn)區(qū)域生物地球化學(xué)模型中的SOU參數(shù)化方法。  

 

揭示不同系統(tǒng)（如PRE、墨西哥灣北部、長(zhǎng)江口）缺氧敏感性的差異機(jī)制。  

 

研究思路

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)：采集珠江口區(qū)域水體物理化學(xué)參數(shù)（CTD）、沉積物氧微剖面（Unisense電極）、SOU（底泥培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)）及孔隙水銨通量（Fick擴(kuò)散定律計(jì)算）。  

 

數(shù)據(jù)分析：  

 

通過(guò)銨通量與SOU的化學(xué)計(jì)量關(guān)系，計(jì)算沉積物有機(jī)碳礦化速率及硝化貢獻(xiàn)（表1）。  

 

 

利用浮力頻率（N2）定義BBL厚度，分析其與SOU對(duì)底層氧的聯(lián)合影響（圖1C）。  

 

模型構(gòu)建：  

 

建立質(zhì)量平衡模型，關(guān)聯(lián)SOU與WOUBBL，推導(dǎo)缺氧發(fā)展時(shí)間尺度。  

 

通過(guò)參數(shù)敏感性分析（如分層時(shí)長(zhǎng)T、有機(jī)質(zhì)反應(yīng)性f），解釋跨系統(tǒng)差異（圖4, 6）。  

 

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義（數(shù)據(jù)來(lái)源標(biāo)注）

水體物理參數(shù)（CTD測(cè)量）：  

 

溫度、鹽度、密度、溶解氧（圖1B, C）。  

 

意義：量化分層強(qiáng)度（N2）和BBL厚度（h），揭示物理過(guò)程對(duì)氧輸送的限制（圖1C）。  

沉積物氧剖面（Unisense微電極測(cè)量）：  

 

氧滲透深度（OPD）（圖2A-D）。  

 

意義：反映沉積物耗氧強(qiáng)度，OPD與水深呈負(fù)相關(guān)（圖2D），指示近岸高礦化速率。  

沉積物耗氧率（SOU）（底泥培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)）：  

 

SOU范圍16.5–70.5 mmol m?2 d?1（表1, 圖3A）。  

 

意義：直接量化沉積物耗氧量，為模型提供關(guān)鍵輸入（圖4, 6）。  

孔隙水銨通量（菲那酸鹽法）：  

 

銨通量及硝化比例（αnitrif. = 87.5 ± 7.3%）（表1）。  

 

意義：結(jié)合SOU計(jì)算沉積物有機(jī)碳礦化速率（Fs-C = 32.7 ± 13.1 mmol m?2 d?1），揭示氮循環(huán)對(duì)耗氧的貢獻(xiàn)。  

 

結(jié)論

沉積物耗氧主導(dǎo)缺氧：珠江口沉積物消耗近50%初級(jí)生產(chǎn)力，SOU平均41.1 mmol m?2 d?1，其中21%由硝化貢獻(xiàn)（表1）。  

 

BBL厚度調(diào)控缺氧敏感性：  

 

底層氧濃度與SOU/h（單位體積耗氧率）呈顯著負(fù)相關(guān)（圖4A）。  

 

當(dāng)BBL厚度＜28米時(shí)，SOU是缺氧主因；＞28米時(shí)，水體耗氧（WOU）主導(dǎo)（圖6A）。  

跨系統(tǒng)差異機(jī)制：  

 

分層時(shí)長(zhǎng)（T）決定氧對(duì)SOU/h的敏感性（如墨西哥灣T＞30天，缺氧更顯著）（圖4C, D）。  

 

有機(jī)質(zhì)沉降速度通過(guò)參數(shù)f影響SOU/WOU比例，解釋河口與陸架耗氧貢獻(xiàn)差異（圖5）。  

 

缺氧時(shí)間尺度：珠江口薄BBL（＜10米）缺氧發(fā)展需＜15天，厚BBL需＜60天（圖6B）。  

 

Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

 

丹麥Unisense微電極測(cè)量的沉積物氧微剖面（圖2A）提供以下關(guān)鍵信息：  

毫米級(jí)分辨率氧消耗：顯示氧在沉積物-水界面1–7毫米內(nèi)降至檢測(cè)限（＜0.3 μmol L?1），證實(shí)珠江口沉積物為高效"耗氧熱點(diǎn)"。  

 

全球?qū)Ρ葍r(jià)值：OPD與水深的關(guān)系揭示珠江口比開放海域耗氧更劇烈（圖2C, D），凸顯人類活動(dòng)（富營(yíng)養(yǎng)化）對(duì)近岸缺氧的放大作用。  

 

硝化過(guò)程量化基礎(chǔ)：結(jié)合銨剖面，計(jì)算沉積物中88%銨被氧化，闡明氮循環(huán)耦合碳礦化，修正了SOU的硝化貢獻(xiàn)比例（平均21%）。  

 

模型參數(shù)約束：OPD數(shù)據(jù)直接用于估算沉積物有機(jī)質(zhì)礦化效率（ε=0.75），支撐質(zhì)量平衡模型中SOU-WOUBBL的定量關(guān)聯(lián)。