Oxygen Consumption in Permeable and Cohesive Sediments of the Gulf of Aqaba

亞喀巴灣粘性沉積物的滲透性和耗氧量

來源：Aquatic Geochemistry（2018年，卷24，頁165-193）

 

論文概述

研究了紅海亞喀巴灣（Gulf of Aqaba）—一個受季節性洪水和風塵沉積影響的貧營養（oligotrophic）海系統—中不同滲透性沉積物的氧氣消耗動態。研究通過微電極（microelectrodes）和微光極（microoptodes）技術，測量了南北和東西斷面不同水深站點（淺水15-45 m、中深250-561 m、深水700 m）沉積物的氧氣剖面，評估了沉積物-水界面的氧氣通量、消耗速率和滲透深度，并比較了兩種技術的性能及巖心運輸的影響。

1. 摘要核心內容

摘要指出，亞喀巴灣沉積物中的氧氣滲透深度（OPD）從淺水區砂質滲透性沉積物的2-5 mm增加到深水區泥質黏性沉積物的10-21 mm。這一增加對應于沉積物-水界面氧氣擴散通量和氧氣消耗速率隨水深的降低。氧氣消耗速率在氧化-缺氧沉積邊界處出現局部最大值，可能與深水中溶解Fe(II)和Mn(II)的氧化以及淺水區硫化氫氧化有關。微電極和微光極在深水泥質沉積物中的測量結果相似，但微光極在近岸砂質沉積物中表現更穩健（因其柔性光纖結構不易損壞或擾動砂粒）。巖心從埃拉特（Eilat）運輸到貝爾謝巴（Beer Sheva）并儲存≤24小時后，未檢測到氧氣通量和消耗速率的變化。

2. 研究目的

本研究的主要目的是：

 

量化氧氣消耗：測量亞喀巴灣貧營養系統中沉積物的氧氣通量和有機碳礦化速率，評估風塵沉積的影響。

評估方法學：比較微電極和微光極在不同粒度沉積物中的適用性，確定巖心運輸對氧氣剖面測量的影響。

 

揭示生物地球化學過程：識別控制氧氣消耗的關鍵反應（如Fe、Mn、S的氧化），并解析氧化還原分帶。

 

3. 研究思路

研究采用多站點對比與多方法驗證的策略：

 

站點選擇與采樣：在亞喀巴灣南北和東西斷面選取10個站點（水深15-700 m），使用多管采樣器（multicorer）和潛水員手動采集沉積物巖心（圖1；表1）。

 

 

原位與實驗室測量：

 

氧氣剖面測量：使用丹麥Unisense微電極（Clark型，檢測限0.3 μM）和Pyroscience微光極（檢測限0.6 μM）以50-100 μm分辨率測量溶解氧垂直剖面（圖2、3、4、5；附錄1-4）。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

沉積物特性分析：測量孔隙度（φ）、粒度分布和總有機碳（TOC）含量（表1）。

 

數據處理與建模：

 

單區模型：計算擴散邊界層（DBL）通量（JDBL）、沉積物線性通量（Jlinear）和拋物線通量（Jparabolic），以及消耗速率（R）和OPD（圖2；附錄2）。

 

多區模型：使用PROFILE軟件（Berg et al., 1998）將剖面分為2-4個區，分別計算通量和消耗速率（圖3、4；附錄3）。

 

運輸實驗驗證：比較埃拉特（現場）和貝爾謝巴（運輸后）測量的氧氣剖面，評估運輸影響（圖5；附錄4）。

 

4. 測量數據、來源及其研究意義

本研究測量了多維度數據，其具體來源和科學意義如下：

4.1 氧氣通量與消耗速率數據（來自 圖2、3、4、5和 附錄2-4）

 

數據：

 

DBL氧氣通量（JDBL）：淺水區125-260 μmol m?2 h?1，中深區34-126 μmol m?2 h?1，深水區30-64 μmol m?2 h?1（圖2a,b）。

沉積物氧氣消耗速率（R）：淺水區12-46 nmol L?1 s?1，中深區1.1-3.7 nmol L?1 s?1，深水區1.2 nmol L?1 s?1（圖2e,f）。

 

OPD：淺水區2-5 mm，中深區10-21 mm，深水區16-17 mm（圖2g,h）。

 

研究意義：

 

揭示能耗梯度：通量和消耗速率隨水深增加而降低，反映有機碳輸入減少和沉積物還原性減弱。

 

識別反應熱點：消耗速率在氧化-缺氧邊界出現峰值（圖4），指示Fe/Mn還原或硫氧化等反應活躍。

 

4.2 沉積物特性數據（來自 表1）

 

數據：孔隙度（φ=0.48-0.73）、TOC（0.11-0.56 wt%）、CaCO?含量（18-91 wt%）。

研究意義：

 

控制OPD：高孔隙度和低TOC導致深水區OPD增加，擴散增強。

 

影響測量：砂質沉積物（淺水區）易擾動，泥質沉積物（深水區）更均質。

 

4.3 技術比較數據（來自 圖2、5和 附錄4）

 

數據：微電極和微光極在深水區通量測量一致（偏差<10%），但在淺水區微光極更穩定（圖5）。

研究意義：

 

方法選擇指南：微光極適合粗粒沉積物，微電極適合細粒沉積物；運輸不影響結果（圖5）。

 

4.4 多區模型數據（來自 圖3、4和 附錄3）

 

數據：氧氣剖面可分為2-4個消耗區，淺水區消耗集中在表層（圖3、4）。

研究意義：

 

解析過程分層：多區模型更準確反映微生物活動和化學反應的垂向異質性。

 

5. 主要結論

論文得出以下核心結論：

 

OPD與水深正相關：從淺水2-5 mm增至深水10-21 mm，受沉積物類型和有機碳含量控制。

氧氣消耗機制多樣：淺水區硫氧化主導，深水區Fe/Mn氧化主導，氧化-缺氧邊界存在消耗峰值。

技術適用性分化：微光極適用于砂質沉積物（抗擾動），微電極適用于泥質沉積物（高分辨率）；巖心運輸無顯著影響。

 

貧營養系統特征：低TOC導致整體消耗速率較低，但淺水區因滲透性高和高輸入而消耗較強。

 

6. 詳細解讀：使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense公司的微電極系統被用于高分辨率氧氣剖面測量（方法部分2.3節），數據生成圖2、3、4、5和附錄1-4的氧氣梯度和通量。

測量數據描述：Unisense微電極（Clark型，尖端直徑50-100 μm）以50-100 μm的分辨率測量了沉積物-水界面的溶解氧濃度。電極通過兩點校準（0%和100%飽和度），響應時間快，檢測限低（0.3 μM），提供了毫米級的化學梯度數據。

詳細研究意義解讀：

 

提供高分辨率氧化梯度：微電極揭示了氧氣濃度從沉積物-水界面（180-190 μM）到缺氧區的指數下降（圖2、附錄1），準確量化了OPD和擴散通量。例如，淺水站點WS-15的OPD僅2.5 mm，而深水站點NS-700達17 mm，直接反映了有機碳礦化強度的空間差異。

計算擴散通量與消耗速率：基于菲克定律，微電極數據用于計算DBL通量（JDBL）和沉積物通量（Jlinear、Jparabolic）。淺水區的高通量（如NS-45: 260 μmol m?2 h?1）表明活躍的微生物呼吸和化學氧化，深水區低通量（如NS-700: 30 μmol m?2 h?1）指示碳限制（圖2a,c）。

識別反應熱點與機制：微電極剖面顯示消耗速率在特定深度出現峰值（如NS-306站點~10 mm處；圖4），結合孔隙水化學（Blonder et al., 2017），證實了Fe2?/Mn2?上涌氧化或H?S氧化的貢獻。這揭示了氧化還原耦合過程在沉積物碳循環中的關鍵作用。

支持方法比較與驗證：與微光極相比，微電極在深水泥質沉積物中表現相似（偏差<7%），但在淺水砂質沉積物中易因剛性結構擾動顆粒（圖5）。突出了微電極的高靈敏度但易損性，指導了未來技術選擇。

評估運輸效應：微電極測量顯示運輸后通量和OPD無變化（圖5；附錄4），證明了實驗可行性，支持異地測量策略。

 

模型校準與驗證：微電極數據用于校準單區和多區模型（R2≥0.991），提高了通量和消耗速率估算的可靠性（圖3、4）。多區模型揭示的消耗分層（如NS-700站點3個區）提供了更真實的生物地球化學過程表征。

 

總結：Unisense微電極在本研究中充當了 “沉積物氧氣顯微鏡”的角色。其提供的高分辨率氧氣剖面不僅是描述性數據，更是量化通量、識別反應區、校準模型和驗證方法的核心工具。沒有這些數據，研究無法準確解析氧化還原梯度或評估技術偏差，結論的深度和可靠性將顯著降低。這項工作強調了微電極技術在沉積物生物地球化學研究中的不可替代性，尤其對于揭示貧營養系統中的細微過程。