Using small-scale measurements to estimate hypolimnetic oxygen depletion in a deep lake

利用小尺度測量來估計深湖中的低磁耗氧量

來源：Limnology and Oceanography（2018年，卷63，頁S54-S67）

 

論文概述

研究了瑞士日內(nèi)瓦湖（Lake Geneva）缺氧層（hypolimnion）的氧氣消耗過程。研究通過結(jié)合小尺度野外測量（如微電極剖面、沉積物采樣）和長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，量化了沉積物氧氣吸收（SOU）、還原物質(zhì)通量（Fred）和水柱礦化（WCM）對總氧氣消耗（TOD）的相對貢獻，揭示了湖泊形態(tài)和有機質(zhì)礦化在驅(qū)動氧氣消耗垂直分布中的關(guān)鍵作用。研究為深湖氧氣動態(tài)提供了新見解，并強調(diào)了多尺度方法在湖泊管理中的應(yīng)用價值。

1. 摘要核心內(nèi)容

摘要指出，湖泊和水庫中的低氧濃度是持續(xù)的環(huán)境問題，尤其受人類活動和氣候變化影響。氧氣消耗過程尚不完全清楚，且現(xiàn)有模型基于有限野外觀察。本研究在日內(nèi)瓦湖進行野外測量，旨在量化控制缺氧層氧氣消耗的三個基本過程（SOU、Fred、WCM）及其對TOD的相對貢獻。使用微剖面測量、沉積物核心數(shù)據(jù)、聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）和流體動力學(xué)建模，確保測量在典型水動力條件下進行。結(jié)合長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，評估了SOU和WCM的相對重要性。結(jié)果顯示，SOU和WCM隨深度減少至中等深度，但TOD在中等深度以下增加 due to 沉積物面積與水體體積比（α）的增加。這種垂直模式由（1）湖泊形態(tài)（α增加）和（2）水柱有機質(zhì)礦化隨深度減少共同驅(qū)動。發(fā)現(xiàn)通過一個模型解釋，該模型將氧氣消耗分為指數(shù)減少組分（代表快速降解有機質(zhì)）和恒定背景組分。

2. 研究目的

本研究的主要目的是：

 

表征氧氣消耗的空間分布和變異性：評估SOU、Fred和WCM在日內(nèi)瓦湖不同深度的貢獻。

估計沉積物分子通量的相對重要性：量化SOU和還原物質(zhì)通量（Fred）對TOD的影響。

 

解釋盆地尺度氧氣預(yù)算：建立概念模型， linking 湖泊形態(tài)、化學(xué)過程和氧氣消耗。

 

3. 研究思路

研究采用了多尺度方法，結(jié)合野外測量、實驗室分析和建模：

 

野外采樣：在日內(nèi)瓦湖西北深盆地（深度43-224 m）進行8次測量活動（2013-2017），使用Unisense微剖面系統(tǒng)測量溶解氧（DO）微剖面（表1），并采集沉積物核心分析還原物質(zhì)（表2）。

 

 

長期監(jiān)測數(shù)據(jù)：利用CIPEL提供的1957-2012年DO濃度數(shù)據(jù)（圖1和圖3），計算TOD和區(qū)域缺氧層礦化率（AHM）。

 

水動力測量與建模：使用ADCP測量底部邊界層（BBL）流動，并結(jié)合Delft3D模型評估典型水動力條件（圖5）。

 

 

數(shù)據(jù)分析：使用Fick定律計算SOU，基于沉積物核心濃度梯度計算Fred，并開發(fā)概念模型分離TOD為WCM和SOU組分（方程3a-5）。

 

 

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(xué)意義如下：

 

微電極測量數(shù)據(jù)（來自 表1和 圖6）：

 

數(shù)據(jù)：SOU速率（0.14-1.08 gDO m?2 d?1）、DBL厚度（0.8-2.1 mm）、沉積物氧化層厚度（2.1-5.0 mm）、BBL溫度和DO濃度。

 

研究意義：提供了高分辨率、原位的SOU測量，揭示了SOU隨深度顯著減少（從43 m的1.08 gDO m?2 d?1降至224 m的0.14 gDO m?2 d?1）。DBL厚度增加表明深水湍流減少，而氧化層加深暗示有機質(zhì)降解性降低。這些數(shù)據(jù)直接量化了沉積物-水界面的氧氣通量，為模型校準提供關(guān)鍵輸入。

 

沉積物核心數(shù)據(jù)（來自 表2和 圖8）：

 

數(shù)據(jù)：還原物質(zhì)通量（Fred，包括CH?、NH?、Mn(II)、Fe(II)），轉(zhuǎn)換為氧氣當量（0.018-0.086 gDOeq m?2 d?1）。

 

研究意義：表明Fred對TOD的貢獻極小（平均3.6%），確認氧化呼吸是主要氧氣消耗途徑。Fred的空間變異性（如近岸較低、深水稍高）反映了有機質(zhì)輸入和降解過程的深度依賴性，支持了有機質(zhì)質(zhì)量隨深度惡化的假設(shè)。

 

長期監(jiān)測數(shù)據(jù)（來自 圖1和 圖3）：

 

數(shù)據(jù)：TOD垂直剖面（1970-2012年平均）和AHM時間序列（1.34 ± 0.34 gDO m?2 d?1）。

 

研究意義：揭示了TOD的長期趨勢和垂直結(jié)構(gòu)：TOD在 upper hypolimnion（0-100 m）快速減少，在150 m附近穩(wěn)定，在深水（>250 m）增加 due to α增加。AHM無顯著趨勢，盡管磷負荷減少，表明有機質(zhì)礦化持續(xù)活躍，強調(diào)了內(nèi)部加載的重要性。

 

水動力數(shù)據(jù)（來自 圖5）：

 

數(shù)據(jù)：BBL流速（通過ADCP和Delft3D模型）。

 

研究意義：驗證了測量條件代表性，顯示流速隨深度減少，與SOU減少一致。模型確認野外測量捕獲了典型水動力條件，確保了SOU估計的可靠性。

 

概念模型數(shù)據(jù)（來自 圖9）：

 

數(shù)據(jù)：TOD、WCM和SOU的深度分布模型擬合。

 

研究意義：將TOD分解為WCM和SOU組分，表明WCM貢獻~70% TOD，SOU貢獻~30%，且兩者均隨深度指數(shù)減少。模型參數(shù)（如降解深度尺度zτ=30 m）提供了有機質(zhì)降解的量化指標，增強了預(yù)測能力。

 

5. 主要結(jié)論

論文得出以下核心結(jié)論：

 

SOU隨深度減少：從43 m的1.08 gDO m?2 d?1降至224 m的0.14 gDO m?2 d?1， due to 有機質(zhì)可用性和降解性減少，沉積物氧化層加深。

Fred貢獻微小：平均Fred為0.049 gDOeq m?2 d?1，僅占TOD的3.6%，表明氧化呼吸主導(dǎo)氧氣消耗。

TOD垂直模式驅(qū)動：TOD在淺層減少 due to WCM和SOU減少，在深層增加 due to α增加，反映了湖泊形態(tài)和有機質(zhì)質(zhì)量的聯(lián)合效應(yīng)。

模型有效性：概念模型成功分離TOD為指數(shù)減少和恒定組分，解釋了68% TOD由WCM貢獻，32%由SOU貢獻，與文獻一致。

 

管理意義：深湖氧氣消耗主要受水柱礦化控制，還原通量影響小，強調(diào)有機質(zhì)管理的重要性，盡管磷負荷減少。

 

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公司的氧微電極系統(tǒng)（MP4/8 Microprofiler）被用于關(guān)鍵的原位測量，這些數(shù)據(jù)在方法部分描述并用于生成表1和圖6的微剖面。

測量數(shù)據(jù)：Unisense微電極（Clark型，尖端100 μm）以高空間分辨率（100 μm步長）測量了沉積物-水界面（SWI）附近的溶解氧（DO）垂直剖面，覆蓋擴散邊界層（DBL）和沉積物氧化層。數(shù)據(jù)包括SOU、DBL厚度、氧化層深度和BBL DO濃度，并在多個深度（43-224 m）和時間點（2013-2017）重復(fù)測量。

詳細研究意義解讀：

 

提供高分辨率原位氧氣動力學(xué)數(shù)據(jù)：Unisense微電極的毫米級分辨率使能捕捉SWI附近的微觀DO梯度，這是傳統(tǒng)采樣方法無法實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)顯示DO濃度在DBL內(nèi)線性下降（圖6），允許通過Fick定律精確計算SOU。這種原位實時測量避免了樣品擾動，提供了更真實的氧氣通量估計，對于理解沉積物-水交換至關(guān)重要。

量化SOU的空間變異性：微電極數(shù)據(jù)揭示了SOU隨深度顯著減少（表1），從淺水的1.08 gDO m?2 d?1到深水的0.14 gDO m?2 d?1。這種減少與有機質(zhì)質(zhì)量惡化（如 refractory carbon增加）一致，支持了“有機質(zhì)降解性隨深度降低”的假設(shè)。高分辨率數(shù)據(jù)還顯示了SOU的短期變異性（標準偏差達30%），反映了湍流和溫度的影響，強調(diào)了多次測量的必要性。

揭示沉積物氧化層動態(tài)：微電極測量確定了沉積物氧化層深度（其中DO > 0.1 mg L?1），顯示其隨深度加深（從2.1 mm到5.0 mm）。這表明深水沉積物有更長的氧氣滲透路徑， due to 降解速率降低，直接影響底棲生物（如魚卵）生存。氧化層數(shù)據(jù)為生態(tài)系統(tǒng)健康評估提供了關(guān)鍵指標。

校準和驗證模型：微電極提供的SOU和DBL厚度數(shù)據(jù)用于校準概念模型（方程3a-5），使能分離TOD為WCM和SOU組分。例如，模型參數(shù)（S1、S2、zτ）直接來自微電極數(shù)據(jù)，增強了模型的可靠性和預(yù)測能力。沒有這些高精度數(shù)據(jù)，模型無法準確量化深度依賴性。

支持長期數(shù)據(jù)解釋：微電極數(shù)據(jù)與長期監(jiān)測（圖1）結(jié)合，解釋了TOD垂直模式：SOU減少是TOD在 upper hypolimnion 減少的主因。這種多尺度關(guān)聯(lián)強調(diào)了小尺度測量在解釋大尺度模式中的價值。

 

技術(shù)優(yōu)勢與應(yīng)用價值：Unisense微電極的快速響應(yīng)（<8 s）、高靈敏度和校準穩(wěn)定性使其適用于深湖環(huán)境。研究展示了如何在深水（達224 m）成功部署，克服了技術(shù)挑戰(zhàn)。這為未來深水生態(tài)系統(tǒng)研究提供了方法論范例，突出了原位傳感在環(huán)境科學(xué)中的不可替代性。

 

綜上所述，Unisense氧微電極在本研究中扮演了 “微觀氧氣通量監(jiān)測器”的角色。其提供的高分辨率DO剖面不僅是描述性參數(shù)，更是量化SOU、揭示空間變異性、校準模型和鏈接過程與模式的核心證據(jù)。沒有這些數(shù)據(jù)，研究無法準確揭示氧氣消耗的深度依賴性機制，結(jié)論的深度和說服力將顯著降低。這項工作強調(diào)了高分辨率傳感技術(shù)在現(xiàn)代湖沼學(xué)中的關(guān)鍵作用，尤其對于理解氣候變化下湖泊氧氣的動態(tài)響應(yīng)。