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

根據渦度相關和沉積物孔隙水剖面估計的珊瑚礁總堿度通量

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

 

一、摘要內容

摘要指出，海洋酸化會降低海水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，因微生物分解有機物產生CO?。研究通過渦度相關（eddy covariance）和沉積物孔隙水剖面方法，估算了Shiraho珊瑚礁沙質區域的總堿度（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反應（如呼吸）和無機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）達到亞穩態平衡。

二、研究目的

研究旨在量化珊瑚礁沙質區域沉積物-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。具體目標包括：

 

在自然水動力條件下，結合渦度相關和沉積物剖面方法，直接估計A_T通量。

 

驗證孔隙水是否與有孔蟲來源的Mg-方解石（高溶解度相）保持熱力學平衡，以評估其對酸化緩沖的貢獻。

 

三、研究思路

研究采用多方法結合的思路：

 

現場觀測：在Shiraho珊瑚礁沙質區域（距海岸600米）進行原位測量。

渦度相關技術：通過高頻測量垂直流速和溶解氧（DO）波動，計算DO通量，進而推演沉積物-水界面的總擴散系數（反映水動力條件）。

沉積物孔隙水剖面：

 

使用Unisense微電極連續測量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（總無機碳）、Ω_a和pH_T。

 

數據整合：將DO通量確定的擴散系數應用于A_T剖面，計算A_T通量；結合實驗室確定的Mg-方解石溶解動力學，討論孔隙水化學平衡。

 

四、測量數據及其研究意義（注明來源圖表）

研究測量了多類數據，其意義和圖表來源如下：

 

水柱環境參數：包括光強、水溫、水深、DO、A_T和C_T。這些數據用于表征晝夜代謝變化（如光合作用與呼吸），顯示礁區碳循環的動態。數據主要來自圖4（水柱環境條件時序圖），其中DO由微電極和光學傳感器同步測量，A_T和C_T在沉積物表面附近監測。

 

沉積物DO和pH剖面：使用Unisense微電極測量，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出現峰值。

 

研究意義：揭示沉積物氧化還原分層——表層好氧呼吸產酸，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境證據。

 

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：通過渦度相關測量，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，并推演擴散系數（用于計算A_T通量）；與室實驗相比，渦度相關更真實反映自然水動力條件。

 

擴散系數：基于DO通量和DO梯度計算，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：驗證淺水沉積物中擴散以湍流主導（非分子擴散），是準確估計溶質通量的關鍵。

 

五、結論

研究得出以下結論：

 

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-方解石溶解與有機反應（呼吸、硫酸鹽還原）耦合，維持亞穩態平衡。

A_T通量受水動力影響：夜間A_T通量達0.4–2.6 mmol m?2 h?1，且擴散系數隨潮汐（如高壓波動）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，沉積物溶解層將擴展，A_T通量急劇增加，增強海水對酸化的緩沖能力（圖10B示意未來情景）。因此，沙質區域在礁區碳循環中具關鍵作用。

 

六、Unisense電極測量數據的研究意義詳細解讀

使用丹麥Unisense微電極（OX-N和pH-N型）測量的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境：電極具備1.1 mm尖端直徑和秒級響應時間，能以0.5 mm間隔獲取剖面（圖5A、B）。這避免了傳統取樣破壞沉積物結構，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（如表層呼吸產CO?、深層硫酸鹽還原產酸）。

 

晝夜動態：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；夜間呼吸主導酸化。

 

支撐孔隙水化學平衡假設：pH剖面與A_T數據結合，驗證了Mg-方解石溶解的“恒穩器”作用——當呼吸或還原反應降低Ω時，溶解立即補償，使Ω_fora穩定在1.0（圖6）。這解釋了為何即使水柱Ω_a>1，沉積物仍發生溶解。

 

為渦度相關提供驗證基礎：微電極DO剖面與渦度相關通量數據一致（圖4和圖7），確認擴散系數的可靠性，使A_T通量估算更準確。若無此高分辨數據，沉積物-水界面通量模型將依賴假設。

 

方法學優勢：Unisense電極實現原位、連續測量，克服了室實驗的光照和水動力失真，為珊瑚礁碳循環研究提供了新范式。

 

綜上，這篇論文通過創新方法聯合，揭示了珊瑚礁沙質沉積物在海洋酸化中的緩沖潛力，強調了Mg-方解石溶解的關鍵角色。