Total alkalinity flux in coral reefs estimated from eddy covariance and sediment pore-water profiles

根據(jù)渦度相關(guān)和沉積物孔隙水剖面估計(jì)的珊瑚礁總堿度通量

來源：Limnol. Oceanogr. 60, 2015, 229–241

 

一、摘要內(nèi)容

摘要指出，海洋酸化會(huì)降低海水pH值和碳酸鈣（CaCO?）礦物的飽和度。在酸化背景下，Mg-方解石被認(rèn)為是最先溶解的礦物，其溶解在沉積物深層更顯著，因微生物分解有機(jī)物產(chǎn)生CO?。研究通過渦度相關(guān)（eddy covariance）和沉積物孔隙水剖面方法，估算了Shiraho珊瑚礁沙質(zhì)區(qū)域的總堿度（A_T）通量。夜間沉積物-水界面的A_T通量為0.4–2.6 mmol m?2 h?1。沉積物剖面顯示，生物呼吸在夜間消耗氧氣并產(chǎn)生CO?，而白天光合作用提高O?濃度；但沉積物20 mm以下始終缺氧。孔隙水的文石飽和度（Ω_a）恒定在~3.0，相當(dāng)于有孔蟲Mg-方解石的飽和度（Ω_fora）為1.0。這表明沉積物中有機(jī)反應(yīng)（如呼吸）和無(wú)機(jī)Mg-方解石溶解共同作用，使孔隙水與有孔蟲來源的Mg-方解石（沉積物中最易溶相）達(dá)到亞穩(wěn)態(tài)平衡。

二、研究目的

研究旨在量化珊瑚礁沙質(zhì)區(qū)域沉積物-水界面的總堿度（A_T）通量，并揭示Mg-方解石溶解在海洋酸化背景下的作用。具體目標(biāo)包括：

 

在自然水動(dòng)力條件下，結(jié)合渦度相關(guān)和沉積物剖面方法，直接估計(jì)A_T通量。

 

驗(yàn)證孔隙水是否與有孔蟲來源的Mg-方解石（高溶解度相）保持熱力學(xué)平衡，以評(píng)估其對(duì)酸化緩沖的貢獻(xiàn)。

 

三、研究思路

研究采用多方法結(jié)合的思路：

 

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)：在Shiraho珊瑚礁沙質(zhì)區(qū)域（距海岸600米）進(jìn)行原位測(cè)量。

渦度相關(guān)技術(shù)：通過高頻測(cè)量垂直流速和溶解氧（DO）波動(dòng)，計(jì)算DO通量，進(jìn)而推演沉積物-水界面的總擴(kuò)散系數(shù)（反映水動(dòng)力條件）。

沉積物孔隙水剖面：

 

使用Unisense微電極連續(xù)測(cè)量DO和pH的垂直剖面（分辨率0.5 mm）。

 

通過孔隙水取樣分析A_T、C_T（總無(wú)機(jī)碳）、Ω_a和pH_T。

 

數(shù)據(jù)整合：將DO通量確定的擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)用于A_T剖面，計(jì)算A_T通量；結(jié)合實(shí)驗(yàn)室確定的Mg-方解石溶解動(dòng)力學(xué)，討論孔隙水化學(xué)平衡。

 

四、測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義（注明來源圖表）

研究測(cè)量了多類數(shù)據(jù)，其意義和圖表來源如下：

 

水柱環(huán)境參數(shù)：包括光強(qiáng)、水溫、水深、DO、A_T和C_T。這些數(shù)據(jù)用于表征晝夜代謝變化（如光合作用與呼吸），顯示礁區(qū)碳循環(huán)的動(dòng)態(tài)。數(shù)據(jù)主要來自圖4（水柱環(huán)境條件時(shí)序圖），其中DO由微電極和光學(xué)傳感器同步測(cè)量，A_T和C_T在沉積物表面附近監(jiān)測(cè)。

 

沉積物DO和pH剖面：使用Unisense微電極測(cè)量，顯示：

 

夜間DO在沉積物0-10 mm急劇下降，10 mm以下缺氧；pH在0-20 mm分兩步降低（圖5A、B）。

 

白天因底棲光合作用，DO和pH在2-9 mm出現(xiàn)峰值。

 

研究意義：揭示沉積物氧化還原分層——表層好氧呼吸產(chǎn)酸，深層厭氧過程（如硫酸鹽還原）影響pH，為碳酸鹽溶解提供微環(huán)境證據(jù)。

 

孔隙水A_T、C_T、Ω_a和pH_T剖面：通過取樣分析，顯示：

 

A_T和C_T在5 mm深度出現(xiàn)最大值，Ω_a在>15 mm深度恒定在~3.0（即Ω_fora=1.0）（圖5C-F）。

 

研究意義：直接證明Mg-方解石溶解（A_T增加）維持孔隙水Ω_fora恒定，表明沉積物作為碳酸鹽“緩沖器”的作用。

 

DO通量：通過渦度相關(guān)測(cè)量，顯示夜間O?吸收（平均~5 mmol m?2 h?1），白天O?釋放（最高~24 mmol m?2 h?1）（圖7）。

 

研究意義：量化沉積物代謝活動(dòng)，并推演擴(kuò)散系數(shù)（用于計(jì)算A_T通量）；與室實(shí)驗(yàn)相比，渦度相關(guān)更真實(shí)反映自然水動(dòng)力條件。

 

擴(kuò)散系數(shù)：基于DO通量和DO梯度計(jì)算，值約2.4×10?? cm2 s?1，受潮汐壓力變化影響（表1和圖9）。

 

 

研究意義：驗(yàn)證淺水沉積物中擴(kuò)散以湍流主導(dǎo)（非分子擴(kuò)散），是準(zhǔn)確估計(jì)溶質(zhì)通量的關(guān)鍵。

 

五、結(jié)論

研究得出以下結(jié)論：

 

Mg-方解石控制孔隙水平衡：沉積物深層（>5 mm）的Ω_fora恒為1.0，表明有孔蟲來源的Mg-方解石溶解與有機(jī)反應(yīng)（呼吸、硫酸鹽還原）耦合，維持亞穩(wěn)態(tài)平衡。

A_T通量受水動(dòng)力影響：夜間A_T通量達(dá)0.4–2.6 mmol m?2 h?1，且擴(kuò)散系數(shù)隨潮汐（如高壓波動(dòng)）變化，說明自然條件下的通量被先前室研究低估。

 

海洋酸化啟示：若未來水柱Ω_fora<1.0，沉積物溶解層將擴(kuò)展，A_T通量急劇增加，增強(qiáng)海水對(duì)酸化的緩沖能力（圖10B示意未來情景）。因此，沙質(zhì)區(qū)域在礁區(qū)碳循環(huán)中具關(guān)鍵作用。

 

六、Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義詳細(xì)解讀

使用丹麥Unisense微電極（OX-N和pH-N型）測(cè)量的DO和pH剖面，具有以下重要研究意義：

 

高分辨率揭示沉積物微環(huán)境：電極具備1.1 mm尖端直徑和秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間，能以0.5 mm間隔獲取剖面（圖5A、B）。這避免了傳統(tǒng)取樣破壞沉積物結(jié)構(gòu)，直接顯示：

 

氧化還原分層：DO在0-10 mm劇降，界定好氧/厭氧界面；pH兩步下降指示多層反應(yīng)（如表層呼吸產(chǎn)CO?、深層硫酸鹽還原產(chǎn)酸）。

 

晝夜動(dòng)態(tài)：白天光合作用在2-9 mm形成O?和pH峰值，印證底棲微藻活動(dòng)；夜間呼吸主導(dǎo)酸化。

 

支撐孔隙水化學(xué)平衡假設(shè)：pH剖面與A_T數(shù)據(jù)結(jié)合，驗(yàn)證了Mg-方解石溶解的“恒穩(wěn)器”作用——當(dāng)呼吸或還原反應(yīng)降低Ω時(shí)，溶解立即補(bǔ)償，使Ω_fora穩(wěn)定在1.0（圖6）。這解釋了為何即使水柱Ω_a>1，沉積物仍發(fā)生溶解。

 

為渦度相關(guān)提供驗(yàn)證基礎(chǔ)：微電極DO剖面與渦度相關(guān)通量數(shù)據(jù)一致（圖4和圖7），確認(rèn)擴(kuò)散系數(shù)的可靠性，使A_T通量估算更準(zhǔn)確。若無(wú)此高分辨數(shù)據(jù)，沉積物-水界面通量模型將依賴假設(shè)。

 

方法學(xué)優(yōu)勢(shì)：Unisense電極實(shí)現(xiàn)原位、連續(xù)測(cè)量，克服了室實(shí)驗(yàn)的光照和水動(dòng)力失真，為珊瑚礁碳循環(huán)研究提供了新范式。

 

綜上，這篇論文通過創(chuàng)新方法聯(lián)合，揭示了珊瑚礁沙質(zhì)沉積物在海洋酸化中的緩沖潛力，強(qiáng)調(diào)了Mg-方解石溶解的關(guān)鍵角色。