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

來源：International Review of Hydrobiology 2015, 100, 1–10

 

摘要內(nèi)容

該論文研究了在兩個連續(xù)年份內(nèi)，底層曝氣對沉積物中氧氣滲透深度和沉積物耗氧量的影響。研究通過對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。曝氣對沉積物耗氧量和氧氣滲透深度影響微弱，主要歸因于其對底層氧氣濃度的改善效果有限。曝氣對底層氧氣濃度的積極影響被其對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，底層曝氣對沉積物氧氣動力學(xué)影響微弱的內(nèi)在機制，具體通過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實現(xiàn)。

研究思路

研究采用對比分析與現(xiàn)場測量相結(jié)合的策略：

 

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

時間序列采樣：在2011年和2012年，于冰封期、春季對流期、夏季分層期和秋季共進行了多次采樣。

現(xiàn)場與實驗室測量：

 

使用CTD測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型氧微電極在實驗室內(nèi)快速測量沉積物-水界面的溶解氧垂直剖面。

 

參數(shù)計算與分析：

 

根據(jù)氧微剖面計算擴散邊界層厚度、沉積物耗氧量和氧氣滲透深度。

使用重復(fù)測量方差分析比較曝氣與未曝氣站點在各參數(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沉積物耗氧量及氧氣滲透深度的影響。

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義（注明數(shù)據(jù)來源）

 

近底層水體溫度和溶解氧濃度：

 

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

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

 

 

數(shù)據(jù)來源：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。表1提供了統(tǒng)計檢驗結(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。兩個站點間無顯著差異。

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烈，氧化層薄。曝氣未能顯著增加這一深度。

 

 

數(shù)據(jù)來源：圖3展示了各采樣日期兩個站點的氧氣滲透深度（含95%置信限）。圖4展示了2012年5月（春季對流）和8月（強夏季分層）的典型氧剖面示例。

 

擴散邊界層厚度：

 

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?。?lt;1毫米）。站點間平均厚度無顯著差異。

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

 

數(shù)據(jù)來源：表1提供了DBL厚度的統(tǒng)計分析結(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，站點間無顯著差異。但若僅分析曝氣期或夏季分層期，則曝氣站點的DOU顯著低于未曝氣站點。

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)來源：圖6展示了估算的沉積物耗氧量隨時間的變化。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（延長了顆粒物滯留時間），其對底層氧濃度的正面效應(yīng)被抵消，導(dǎo)致夏季曝氣站點的底層氧濃度甚至低于未曝氣站點。

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近底層湍流和擴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現(xiàn)增強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電極測量出來的數(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OX100，尖端直徑100μm）測量沉積物-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微米的垂直步長精確測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入沉積物的擴散梯度，這是計算擴散邊界層厚度和沉積物耗氧量的基礎(chǔ)。

實現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)（DOU和氧氣滲透深度）的精確計算：

 

沉積物耗氧量：基于微電極測得的氧氣濃度梯度（主要在DBL內(nèi)）和菲克第一定律，可以計算出擴散性沉積物耗氧量（圖6）。這個值是評估沉積物生物地球化學(xué)活性和營養(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)的微觀機制：本研究的一個核心發(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)。通過對比兩個站點在不同季節(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。計算出的DOU在夏季分層期曝氣站點更低，也支持了這一結(jié)論。

 

評估測量結(jié)果的可靠性：論文在討論中指出，在實驗室靜置條件下測量的DBL厚度（0.5-2.5 mm）可能厚于原位情況，因此計算出的DOU是最小值估計。這種對測量局限性的認(rèn)識，也源于對微電極測量原理和環(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）會失效，為優(yōu)化管理策略提供了不可替代的科學(xué)依據(jù)。