Oxygen flux and penetration depth in the sediments of aerated and non-aerated lake basins

曝氣和不曝氣湖盆沉積物中的氧通量和滲透深度

來(lái)源：International Review of Hydrobiology 2015, 100, 1–10

 

摘要內(nèi)容

該論文研究了在兩個(gè)連續(xù)年份內(nèi)，底層曝氣對(duì)沉積物中氧氣滲透深度和沉積物耗氧量的影響。研究通過(guò)對(duì)比芬蘭韋西湖中曝氣的埃農(nóng)塞爾卡湖盆與未曝氣的卡亞安塞爾卡湖盆的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，曝氣提高了近底層水體的平均氧氣濃度，但這主要是由于曝氣縮短了分層期并提高了底層水溫。曝氣并未能防止夏季分層期間的缺氧，也未增加沉積物的氧氣滲透深度和耗氧量。在夏季分層期，曝氣湖盆的沉積物耗氧量甚至低于未曝氣湖盆。曝氣對(duì)沉積物耗氧量和氧氣滲透深度影響微弱，主要?dú)w因于其對(duì)底層氧氣濃度的改善效果有限。曝氣對(duì)底層氧氣濃度的積極影響被其對(duì)底層水溫和湍流的提升（從而增加了水柱耗氧量）所抵消。因此，埃農(nóng)塞爾卡湖盆當(dāng)前的曝氣努力對(duì)沉積物質(zhì)量沒有積極影響。

研究目的

本研究旨在闡明在韋西湖中，底層曝氣對(duì)沉積物氧氣動(dòng)力學(xué)影響微弱的內(nèi)在機(jī)制，具體通過(guò)比較曝氣與未曝氣湖盆的沉積物氧氣滲透深度和氧氣通量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

研究思路

研究采用對(duì)比分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量相結(jié)合的策略：

 

研究地點(diǎn)選擇：選擇芬蘭韋西湖中兩個(gè)特征相似但曝氣狀況不同的湖盆——進(jìn)行曝氣處理的埃農(nóng)塞爾卡湖盆和未曝氣的卡亞安塞爾卡湖盆作為對(duì)比站點(diǎn)。

時(shí)間序列采樣：在2011年和2012年，于冰封期、春季對(duì)流期、夏季分層期和秋季共進(jìn)行了多次采樣。

現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量：

 

使用CTD測(cè)量底層水體的溫度和溶解氧濃度。

使用HTH沉積物取樣器采集沉積物柱芯。

 

使用丹麥Unisense Clark型氧微電極在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)快速測(cè)量沉積物-水界面的溶解氧垂直剖面。

 

參數(shù)計(jì)算與分析：

 

根據(jù)氧微剖面計(jì)算擴(kuò)散邊界層厚度、沉積物耗氧量和氧氣滲透深度。

使用重復(fù)測(cè)量方差分析比較曝氣與未曝氣站點(diǎn)在各參數(shù)上的差異。

 

使用線性回歸分析底層水體氧氣濃度和水溫對(duì)沉積物耗氧量及氧氣滲透深度的影響。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義（注明數(shù)據(jù)來(lái)源）

 

近底層水體溫度和溶解氧濃度：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：曝氣站點(diǎn)的近底層水溫顯著高于未曝氣站點(diǎn)（例如八月高7-8°C）。當(dāng)包含所有數(shù)據(jù)時(shí)，曝氣站點(diǎn)的平均溶解氧濃度較高，但若僅分析夏季分層期，則未曝氣站點(diǎn)濃度更高。夏季兩者均出現(xiàn)缺氧。

研究意義：量化了曝氣對(duì)水體物理化學(xué)環(huán)境的基本影響，表明曝氣主要通過(guò)提高水溫和縮短分層期影響氧氣狀況，但無(wú)法消除夏季缺氧。

 

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖2展示了水溫、沉積物上方1米處和沉積物-水界面處溶解氧濃度的波動(dòng)。表1提供了統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果。

 

沉積物氧氣滲透深度：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：氧氣滲透深度在0.1至1.6毫米之間變化，春季最高，夏末秋初最低。兩個(gè)站點(diǎn)間無(wú)顯著差異。

研究意義：直接反映了沉積物表層的氧化狀態(tài)。滲透深度淺表明沉積物耗氧強(qiáng)烈，氧化層薄。曝氣未能顯著增加這一深度。

 

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖3展示了各采樣日期兩個(gè)站點(diǎn)的氧氣滲透深度（含95%置信限）。圖4展示了2012年5月（春季對(duì)流）和8月（強(qiáng)夏季分層）的典型氧剖面示例。

 

擴(kuò)散邊界層厚度：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：DBL厚度在0.5至2.5毫米之間變化，夏季（7-8月）最薄（<1毫米）。站點(diǎn)間平均厚度無(wú)顯著差異。

研究意義：DBL是溶質(zhì)擴(kuò)散的屏障。其厚度受溫度（影響粘度）和湍流影響。研究表明曝氣對(duì)近底層湍流影響小，因此對(duì)DBL厚度影響有限。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：表1提供了DBL厚度的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。

 

沉積物耗氧量：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：DOU值在0.1至0.7 mmol m?2 h?1之間。當(dāng)包含所有數(shù)據(jù)時(shí)，站點(diǎn)間無(wú)顯著差異。但若僅分析曝氣期或夏季分層期，則曝氣站點(diǎn)的DOU顯著低于未曝氣站點(diǎn)。

研究意義：DOU是沉積物代謝活性的關(guān)鍵指標(biāo)。研究表明，在夏季分層期，曝氣由于導(dǎo)致底層水溫更高、水柱耗氧增加，反而使得到達(dá)沉積物的氧氣通量更低。

 

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖6展示了估算的沉積物耗氧量隨時(shí)間的變化。圖7展示了沉積物上方1米處水體氧濃度與DOU的關(guān)系。

 

結(jié)論

 

底層曝氣通過(guò)將表層溫水泵入底層，顯著提高了底層水溫并縮短了熱分層期，從而提高了全年的平均底層氧濃度。

然而，在夏季分層期，曝氣無(wú)法防止底層缺氧。由于曝氣提高了水溫（增加了水柱耗氧量）和湍流（延長(zhǎng)了顆粒物滯留時(shí)間），其對(duì)底層氧濃度的正面效應(yīng)被抵消，導(dǎo)致夏季曝氣站點(diǎn)的底層氧濃度甚至低于未曝氣站點(diǎn)。

因此，曝氣未能增加沉積物的氧氣滲透深度和沉積物耗氧量。在夏季分層期，曝氣站點(diǎn)的沉積物耗氧量反而更低。

基于泵送表層水的新型曝氣方法對(duì)近底層湍流和擴(kuò)散邊界層厚度的影響很小。

 

當(dāng)前在埃農(nóng)塞爾卡湖盆的曝氣策略未能實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)沉積物有氧礦化的管理目標(biāo)，應(yīng)考慮使用純氧等替代方法。

 

詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)有什么研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司生產(chǎn)的Clark型氧微電極（型號(hào)OX100，尖端直徑100μm）測(cè)量沉積物-水界面的氧氣垂直剖面。這些數(shù)據(jù)具有至關(guān)重要的研究意義：

 

提供高分辨率的原位氧分布數(shù)據(jù)：Unisense微電極能夠以200微米的垂直步長(zhǎng)精確測(cè)量沉積物最表層及上覆水中的氧氣濃度變化（圖4）。這種高空間分辨率使得研究者能夠準(zhǔn)確定義氧氣從水體進(jìn)入沉積物的擴(kuò)散梯度，這是計(jì)算擴(kuò)散邊界層厚度和沉積物耗氧量的基礎(chǔ)。

實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)（DOU和氧氣滲透深度）的精確計(jì)算：

 

沉積物耗氧量：基于微電極測(cè)得的氧氣濃度梯度（主要在DBL內(nèi)）和菲克第一定律，可以計(jì)算出擴(kuò)散性沉積物耗氧量（圖6）。這個(gè)值是評(píng)估沉積物生物地球化學(xué)活性和營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)（如磷釋放潛力）的核心指標(biāo)。

 

氧氣滲透深度：微電極數(shù)據(jù)能直接顯示氧氣在沉積物中消耗殆盡的深度（圖3, 圖4）。這個(gè)參數(shù)直觀反映了沉積物表層的氧化還原狀態(tài)，氧化層越薄，意味著其下的厭氧過(guò)程（如反硝化、鐵還原、磷釋放）越容易影響到界面。

 

揭示環(huán)境效應(yīng)的微觀機(jī)制：本研究的一個(gè)核心發(fā)現(xiàn)是曝氣未能改善沉積物氧狀況。Unisense電極提供的數(shù)據(jù)是得出這一結(jié)論的直接證據(jù)。通過(guò)對(duì)比兩個(gè)站點(diǎn)在不同季節(jié)的氧微剖面（圖4），研究者發(fā)現(xiàn)盡管曝氣提高了上覆水體的平均氧濃度，但沉積物本身的氧氣滲透深度并未增加。這表明曝氣的影響主要停留在水柱，而未能有效傳遞至沉積物內(nèi)部。計(jì)算出的DOU在夏季分層期曝氣站點(diǎn)更低，也支持了這一結(jié)論。

 

評(píng)估測(cè)量結(jié)果的可靠性：論文在討論中指出，在實(shí)驗(yàn)室靜置條件下測(cè)量的DBL厚度（0.5-2.5 mm）可能厚于原位情況，因此計(jì)算出的DOU是最小值估計(jì)。這種對(duì)測(cè)量局限性的認(rèn)識(shí)，也源于對(duì)微電極測(cè)量原理和環(huán)境的深刻理解，使得結(jié)論更加嚴(yán)謹(jǐn)。

 

總之，Unisense氧微電極在本研究中是連接宏觀管理措施（曝氣）與微觀沉積物響應(yīng)之間的關(guān)鍵橋梁。其提供的高分辨率氧氣數(shù)據(jù)，不僅使精確量化沉積物耗氧量和氧化層厚度成為可能，更重要的是，它從機(jī)理層面揭示了為什么某種湖沼管理措施（本例中的特定曝氣方式）會(huì)失效，為優(yōu)化管理策略提供了不可替代的科學(xué)依據(jù)。