崔尚公，于新生，趙廣濤

(1. 國家海洋信息中心 天津市 300171；2. 中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院 海底科學(xué)與探測技術(shù)重點實驗室 山東青島 266100)

應(yīng)用渦動相關(guān)技術(shù)的底棲溶解氧通量原位觀測
--以青島匯泉灣礫石海灘短周期變化為例

崔尚公1，2，于新生2，趙廣濤2

(1. 國家海洋信息中心 天津市 300171；2. 中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院 海底科學(xué)與探測技術(shù)重點實驗室 山東青島 266100)

海岸帶區(qū)域內(nèi)，穿過沉積物-海水界面的溶解氧通量是研究水體環(huán)境內(nèi)生物地球化學(xué)循環(huán)周轉(zhuǎn)的重要指標。由于傳統(tǒng)采樣方法存在局限性，原位觀測儀器布放難度較大，因此礫石海灘環(huán)境下的溶解氧通量研究還較少。利用非侵入性的渦動相關(guān)技術(shù)對青島匯泉灣潮間帶礫石基底的底棲溶解氧通量做出評估。渦動相關(guān)原位觀測結(jié)果表明，在一個漲潮期內(nèi)溶解氧通量變換范圍為-16.7888 ±5.0～+49.3344 ±3.7mmol O2/m2/d。不穩(wěn)定的通量結(jié)果表明近海潮間帶底棲溶解氧通量在漲潮時段主要受波浪作用影響呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的變化形式。頻譜分析表明匯泉灣潮間帶底棲溶解氧主要受東南向波浪作用控制，0.093～0.279 Hz(對應(yīng)時間間隔為3.58～10.75s)頻帶為其主要貢獻頻段。通過對不同時刻累加共譜的比較分析，可以推斷波浪作用和破碎波作用分別在漲潮期前后對底棲溶解氧通量變化起著主導(dǎo)推進作用。此項研究也表明渦動相關(guān)技術(shù)可應(yīng)用于近海潮間帶底棲溶解氧觀測，為從宏觀到微觀研究海岸帶生物地球化學(xué)進程研究提供了新的觀測手段。

沉積物-海水界面;氧通量；渦動相關(guān)；礫石海灘；原位觀測

海床是水體與沉積物間地球化學(xué)和生物進程緊密耦合的區(qū)域[1]。沿海近岸的沉積物-海水界面既是有機質(zhì)成巖作用的重要場所[2]，也是溶質(zhì)和顆粒物交換循環(huán)的活躍地帶。因此，界面間的溶解氧通量作為地球化學(xué)反應(yīng)中的重要參數(shù)，是評估海底邊界層碳礦化和初級生產(chǎn)的關(guān)鍵指標之一[3，4]。準確測定溶解氧通量對研究不同時空尺度上生物地球化學(xué)循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)活性至關(guān)重要[5]。

傳統(tǒng)上，一般使用底棲通量室或微電極剖面法原位測量底邊界層溶解氧通量[6-9]。底棲培養(yǎng)室技術(shù)是將開口箱體嵌入到表層沉積物以下，使得已知面積區(qū)域的沉積物及其上覆水體在海底呈封閉狀態(tài)，同時通過嵌入傳感器對封閉上覆水中的如O2、H2S等化學(xué)元素濃度進行實時跟蹤采樣或測量。該方法會封閉區(qū)域沉積物與上覆水，影響水體自然流動和水結(jié)組分的自然交換，使外界動力環(huán)境變化無法在封閉的箱室系統(tǒng)中再現(xiàn)[5]。微電極剖面技術(shù)是采用步進馬達，將溶解氧微電極以微米為單位從上覆水開始緩慢穿過沉積物-水界面逐步刺入沉積物中，檢測不同深度位置的氧濃度，獲得垂直方向氧濃度剖面分布信息，實現(xiàn)沉積物-水界面擴散邊界層中的變化過程測量。這一方法雖然垂直分辨率很高，但僅能獲取一維梯度溶解氧通量信息，無法反映遠離氧微電極穿透區(qū)域的生物擾動和灌洗作用的影響；并且由于微電極尖端非常細，在實際觀測應(yīng)用中極易導(dǎo)致微電極的損壞。近年來，日本及歐美許多發(fā)達國家相繼將大氣科學(xué)中的渦動相關(guān)概念應(yīng)用于水底邊界層界面，利用溶解氧微電極測量距海底15～30cm固定一點的氧濃度，同時使用多普勒矢量流速儀 (Acoustic Doppler Velocimeter， ADV) 對溶解氧濃度測點位置的水流垂向流速進行測量，之后將二者以極高的頻率進行擬合計算氧通量[10]。渦動相關(guān)技術(shù)既沒有封閉沉積物水體，也沒有將微電極插入沉積物，因此可以獲得無人為干擾的原位數(shù)據(jù)。

美國弗吉尼亞大學(xué)利用渦動相關(guān)系統(tǒng)分別在海草區(qū)、海冰區(qū)和珊瑚礁區(qū)實施了測量，對特殊底質(zhì)區(qū)域的溶解氧通量釋放過程進行了研究[5，11，12]； 瑞 士 聯(lián) 邦水體科學(xué) 與 技 術(shù) 研 究 所 科 學(xué)家使用渦動相關(guān)方法探討了阿爾卑納赫湖受湖震影響的水體氧輸運機理[13]。目前，國內(nèi)外底棲氧通量研究領(lǐng)域的重點主要集中在河口或湖泊有機物沉積區(qū)，對堅硬底質(zhì)區(qū)氧通量的研究還未見報道，這主要是由于在堅硬底質(zhì)區(qū)難以進行采樣和儀器布放操作。青島市沿岸具有典型的礫石海灘，遍布藻類及底棲生物，氧交換速率是評估該區(qū)域生物代謝活動的重要參數(shù)。利用渦動相關(guān)技術(shù)在青島匯泉灣礫石海灘對底棲溶解氧通量進行了測量和評估。通過對不同時刻累加共譜的比較分析，推斷出波浪作用和破碎波作用分別在漲潮期前后對底棲溶解氧通量變化起著主導(dǎo)推進作用。

1 方 法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于膠州灣以東的匯泉灣 (見圖1)。匯泉灣西側(cè)、北側(cè)、東側(cè)三面環(huán)山，以喇叭狀向西南方向開口與黃海相連。海灣高潮時海岸線寬約1.5km，岸灘走向西北-南東，最大面積為1.24km2，平均水深7m。由于山體阻擋了北向來風(fēng)，因此灣內(nèi)主要受SSE向風(fēng)浪影響[14]。匯泉灣為典型的砂質(zhì)海岸，自西北向東南沉積物類型由細礫、粗砂、中砂、細砂依次分布變化[15]。海灣潮汐類型屬正規(guī)半日潮，潮流半日周期往復(fù)運動，漲潮時流向為順時針方向，退潮時流向為逆時針方向[16，17]。匯泉灣內(nèi)0～2cm表層沉積物中葉綠素a含量在1.73～5.71μg/g，2～5cm沉積物中葉綠素a含量在0.51～4.32μg/g范圍內(nèi)[18]。

圖1 研究區(qū)域地形圖(黑色星號為測點區(qū)域)

圖2 (A)渦動相關(guān)系統(tǒng)現(xiàn)場布設(shè)情況;(B)測點位置情況;(C)長有貽貝類生物的礫石;(D)長有藻類生物的礫石

測點位置位于匯泉灣東側(cè)中潮帶 (36°03′ 06.38" N， 120°20′23.36"E)， 滿 潮 水 深 將 近3.5m。測點附近沉積物類型主要為細砂，砂體之上布有長滿貽貝類和藻類生物的礫石 (見圖2)。

1.2 渦動相關(guān)系統(tǒng)集成與布設(shè)

從使用便捷、拆裝簡易、運行安全的角度出發(fā)，我們將渦動相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計為小型可拆卸式坐底觀測平臺，平臺主要包含溶解氧微電極、聲學(xué)多普勒流速儀、溫鹽深儀三個部分?？蚣懿捎媒Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定的三角框架，集成了不同的傳感器進行組合檢測。選用挪威Nortek公司生產(chǎn)的聲學(xué)多普勒流速儀 (Acoustic Doppler Velocimeter， ADV)測量固定點三維流速；丹麥Unisense公司生產(chǎn)的溶解氧微電極作為溶解氧傳感器 (型號 OX-100 fast)，尖端直徑 90～110μm，90%響應(yīng)時間 ＜2s，測量精度可達0.3μmol/L；并裝配了一臺意大利IDRONAUT公司生產(chǎn)的CTD多參數(shù)水質(zhì)儀 (型號:OCEAN SEVEN 304Plus)獲取海水深度、溫度和電導(dǎo)率信息，為后期分析氧通量數(shù)據(jù)提供依據(jù)和參考。

2016年6月4日上午11:00，在匯泉灣東側(cè)潮間帶進行了渦動相關(guān)系統(tǒng)觀測實驗。海流數(shù)據(jù)模塊、溶解氧數(shù)據(jù)模塊和溫鹽深數(shù)據(jù)模塊都被固定在三角支架上 (見圖2)，微電極尖端指向ADV測量區(qū)域，測點距沉積物表面24cm，CTD安裝位置稍高，距沉積物表面55cm。觀測過程中，ADV以16Hz的預(yù)設(shè)頻率和20min的預(yù)設(shè)周期進行間歇采樣，循環(huán)周期包括15min持續(xù)采樣時間和5min間歇時間；微電極以16Hz頻率進行連續(xù)采樣；CTD以8Hz的預(yù)設(shè)頻率進行連續(xù)采樣。

布設(shè)按照原定計劃于低潮時 (上午10:20)開始進行，安放三角支架時特別地將其開口方向正對海流主流速方向以避免支架腳對海流的干擾。數(shù)據(jù)采集初始階段，由于潮水并未完全淹沒測點及傳感器，因此所測數(shù)據(jù)無效，將這部分數(shù)據(jù)歸為 “空采數(shù)據(jù)”，在后期處理中予以剔除。實驗原計劃水下工作10～12h，以獲取完整潮汐漲落周期內(nèi)溶解氧通量變化數(shù)據(jù)，但由于中途數(shù)據(jù)記錄發(fā)生故障，系統(tǒng)采集被迫中止。綜合以上兩點，本次觀測采集到了從上午11:20～下午15:00約4h的有效數(shù)據(jù)。據(jù)國家海洋局北海預(yù)報中心當(dāng)日發(fā)布的潮汐預(yù)報，當(dāng)日漲潮期為上午10:18～下午15:36，由此可見本次采集數(shù)據(jù)基本覆蓋了漲潮期。

1.3 氧通量的計算方法

1.3.1 基本原理

根據(jù)Reynolds分解理論，在流體力學(xué)研究中常常對溶質(zhì)濃度和流速做出如下分解[19，20]:

經(jīng)過幾十年來科學(xué)家對水底邊界層中懸浮顆粒和相關(guān)物質(zhì)遷移的研究，發(fā)現(xiàn)可以通過三維溶質(zhì)質(zhì)量守恒方程來確定其分布狀態(tài)[21]，即溶質(zhì) (例如溶解氧)在均勻水底邊界層中滿足:

公式 (4)表示在高度h處測得的溶解氧垂向通量等于沉積物-海水界面垂向通量與厚度為h的水體內(nèi)溶解氧源匯效應(yīng)之和 (w為垂向流速)。當(dāng)測量點位距沉積物-海水界面很近 (即h很小)時，源匯效應(yīng)項也可以忽略不計。那么就有:

公式 (5)表示可以用沉積物-海水界面以上可忽略高度的一點的溶解氧垂向通量近似代表界面通量。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理分析

為簡化數(shù)據(jù)處理，首先將采集到的16Hz頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8Hz數(shù)據(jù)，并對溶解氧和海流流速數(shù)據(jù)進行了去尖峰濾波、去噪濾波處理，對流速數(shù)據(jù)進行了傾斜校正。之后，使用滑動平均方法進行湍流波動計算。為選擇出合適的濾波窗口長度Nr，采用累加計算方法，將初始窗口長度設(shè)為1，并逐漸增大窗口長度，反復(fù)計算滑動平均值、波動值和通量值，當(dāng)窗口長度增大到一定程度后，通量值達到近乎穩(wěn)定 (見圖3)，以上午12:00～12:15這一數(shù)據(jù)段為例，將3000個數(shù)據(jù)點 (對應(yīng)時間為6.25min)作為最終的濾波窗口長度，以此計算湍流波動值C′和u′。隨后對每個數(shù)據(jù)段分別計算兩個波動值的互相關(guān)函數(shù)(見圖4)，以下午13:00～13:15這一數(shù)據(jù)段為例，湍流波動值C′與u′的最大互相關(guān)出現(xiàn)在第7175點位置，距7200點的中心位置偏差了25個數(shù)據(jù)點 (對應(yīng)時間為3.125s)，因此將溶解氧濃度和垂向波動速度時間序列相對移動25個數(shù)據(jù)點，使最大互相關(guān)值位于中心位置。隨后根據(jù)式(6)計算功率譜密度并進行頻率響應(yīng)校正。

最后計算出每個15min時間段內(nèi)的溶解氧通量。

2 結(jié) 果

圖3 12:00～12:15數(shù)據(jù)段滑動平均濾波窗口選取示意圖

圖4 13:00～13:15數(shù)據(jù)段互相關(guān)校正圖

經(jīng)過處理和計算得到的海流垂向流速、溶解氧濃度、水深、溫度及溶解氧通量數(shù)據(jù)見圖5和表1。由于CTD安裝位置稍高，導(dǎo)致被海水淹沒前的"空采期"較長，因此舍去了水深和水溫的前20min數(shù)據(jù)；另外CTD供電系統(tǒng)在13:40左右發(fā)生故障，因此水溫的后1h數(shù)據(jù)未在圖2-8中顯示，水深數(shù)據(jù)由ADV測量值代替補充。測量期間隨著潮水的上漲，水深變化范圍為0.3～2.8m，平均水深1.68m；水溫在近1.5h內(nèi)從17.58℃持續(xù)下降到16.82℃，據(jù)ADV溫度傳感器記錄數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)日下午14:00～17:00期間水溫依然在下降，但變化幅度極小，17:00時刻水溫為16.48℃。海流水平流速變化范圍為10.380～25.031cm/s，平均水平流速 19.43cm/s；垂直流速變化范圍為0.012～0.686cm/s，平均水平流速為0.36cm/s。

圖5 渦動相關(guān)數(shù)據(jù)時序變化特征:(A)海流垂向速度;(B)溶解氧濃度;(C)水深;(D)水溫;(E)計算得到的溶解氧通量(正通量表示通量方向為從沉積物指向上覆水)(誤差條代表標準差)

測量過程中，溶解氧濃度變化范圍為292.80 umol/L到248.13 ?mol/L。在測量初始階段，由于潮水上漲，測點逐漸被海水淹沒，溶解氧濃度快速下降。在12:10左右，溶解氧濃度出現(xiàn)小幅度回升，這可能是由于潮間帶沉積物在被海水淹沒之前暴露于空氣中，沉積物中的間隙水較少，因此溶解態(tài)的氧也相對較少，而漲潮后沉積物被海水覆蓋，沉積物間隙中的氧氣快速溶于海水，使溶解氧濃度增加。在此之后，溶解氧濃度隨著水深的增長持續(xù)下降，這主要是由于測點位置固定不變，測點與海水-大氣界面距離逐漸擴大，因此溶解氧濃度呈緩慢下降趨勢。在下午14:30后，水深達到2.5m，深度對溶解氧濃度的影響逐漸減弱，溶解氧濃度基本保持穩(wěn)定，穩(wěn)定值約為252.89 ?mol/L。

表1給出了實測流速、水深、水溫、溶解氧濃度及溶解氧通量計算結(jié)果的具體數(shù)據(jù)。從中可以看出溶解氧通量存在明顯的規(guī)律性。在上午11:40到11:55的觀測初始階段，溶解氧通量為負值，這是由于在漲潮初期水深較淺，測點位置主要受到海水-大氣界面作用影響，近海面氧濃度顯著高于沉積物表層，造成了溶解氧自上而下向沉積物運動。在12:00到12:35這一時段，溶解氧通量轉(zhuǎn)為正值。如上文所述，漲潮后潮間帶沉積物被海水覆蓋，沉積物間隙中的氧氣快速溶于海水，使沉積物間隙溶解氧濃度增加，高于海水中氧濃度，形成了下高上低的濃度梯度分布。此后，氧通量緩慢下降，逐漸由正值轉(zhuǎn)為負值，并在基本達到滿潮時開始回升，重新變?yōu)檎?，最終達到+49.3 ±3.7 mmol/m2/d。這可能由幾種機制造成:首先，隨著潮水上漲，水深逐漸增大，測點與海水-大氣界面的距離擴大，形成了從海水表面向下指向沉積物的垂向通量；其次，海流的作用造成了上高下低的氧濃度梯度。據(jù)Holtappels M等人研究表明，近岸海域中海流流速隨著距海底距離的增加而增長，這種流速分布會破環(huán)近岸水體中原有的氧濃度梯度，產(chǎn)生或增強自上而下方向的溶解氧通量 (見圖6)[23]。第三，當(dāng)水深達到2.5m左右時，海水-大氣界面作用對溶解氧濃度的影響逐漸減弱消失，測點位置水體環(huán)境基本保持穩(wěn)定。本次研究測區(qū)海底礫石和沉積物上長有大量貽貝類和底棲藻類生物，底部藻類光合作用會生成大量的氧，形成自下而上的溶解氧通量。另外，滲透性砂質(zhì)沉積物在海流的反復(fù)沖刷過程中，不斷地被重置與翻新。氧和固態(tài)、溶解態(tài)有機質(zhì)被向下帶入滲透性沉積物，增強了微生物的礦化作用，同時缺氧水被沖出沉積物混入上覆水[24，25]。此時的砂質(zhì)沉積物便成為了生物催化作用的過濾器和催化劑，刺激了碳循環(huán)和氧循環(huán)的周轉(zhuǎn)[26]，造成了較高的底

棲氧通量值。

表1 原位渦動相關(guān)實驗詳細數(shù)據(jù)(括號內(nèi)為平均值)(正通量表示通量方向為從沉積物指向上覆水)

圖6 近岸海流流速分布引起的垂向濃度梯度示意

為進一步評估渦動相關(guān)數(shù)據(jù)和所得通量的質(zhì)量，分別對每個15min數(shù)據(jù)段 (burst)進行累加通量計算，計算結(jié)果見圖7。累加通量的斜率代表了所測時間段內(nèi)的平均氧通量值，可以根據(jù)其升降趨勢評估計算的氧通量的細微變化。從圖中可以看出，在漲潮期的大部分時間內(nèi)，累加通量都沒有顯示出完美的線性趨勢，這表明研究站位的水動力條件極度不穩(wěn)定[5]。隨著海流流速的增長，在不平坦的砂質(zhì)沉積物表面反復(fù)沖刷的海流引發(fā)的壓力差會在上層砂質(zhì)層中產(chǎn)生強勁的孔隙水流[28]。下午14:30后接近滿潮時，累加通量開始呈現(xiàn)較為線性的走勢，表明此時水動力條件趨于穩(wěn)定，所測氧通量值對該時段真實氧通量具有很好的代表性。

圖7 觀測過程中波動的累加通量

3 分析與討論

3.1 氧通量質(zhì)量評估

根據(jù)匯泉灣測點附近底質(zhì)條件、測點固定高度估算了本次實驗指示區(qū)域范圍，區(qū)域長約為55.275m；寬1.567m；最大貢獻點位于海流上游距測點2.512m位置。本次實驗由于觀測時間處于漲潮期階段，因此測得的溶解氧通量極度不穩(wěn)定，變化范圍為 -16.7888±5.0～+49.3344±3.7mmol O2/m2/d， 平均值為+11.3876 mmol O2/m2/d。這與美國科學(xué)家AC Hume利用渦動相關(guān)方法在海草生長區(qū)測得的+121 mmol O2/m2/d和美國科學(xué)家Berg在西法爾茅斯河口區(qū)域測得的+77.5 mmol O2/m2/d的溶解氧通量相比數(shù)值較低。這可能有以下幾個原因。首先，研究區(qū)域存在較大差異。本次實驗區(qū)域位于匯泉灣潮間帶，匯泉灣內(nèi)無河流入海，砂源貧乏，加之測點區(qū)域的砂質(zhì)沉積物上滿布礫石，雖然存在貽貝類和藻類生物，但沉積物內(nèi)有機質(zhì)含量和指示區(qū)域內(nèi)海草密度都無法與海草和河口區(qū)域相比。其次，2016年6月4日當(dāng)天陰有小雨，較弱的太陽輻照度減弱了底棲植物的光合作用。第三，波浪和海流引發(fā)的沉積物再懸浮使海水濁度增加，也會對底棲植物光合作用產(chǎn)生負面影響。

另外，通過對所得漲潮期時段內(nèi)溶解氧通量和水平、垂向流速序列的相關(guān)系數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)氧通量和水平流速序列相關(guān)系數(shù)只有0.084，與垂向流速序列相關(guān)系數(shù)為0.398，表明本次實驗測得的溶解氧通量主要受垂向流速影響，這與渦動相關(guān)理論依據(jù)是相符的。

3.2 頻譜分析

為進一步分析海流和波浪作用對溶解氧通量的影響，分別計算了溶解氧濃度、垂向速度的功率譜密度及二者的共功率譜密度和累加共譜。功率譜密度函數(shù)指示了數(shù)據(jù)中不同頻率成分所占百分比。典型的功率譜結(jié)果見圖8。對于觀測起始的11:40～11:55數(shù)據(jù)段 (burst 1)，可以看出0.093～0.279 Hz頻段 (對應(yīng)時間間隔為3.58～10.75s)是總功率譜的主要貢獻頻段，這一時間間隔與匯泉灣歷史記錄的5.4～11s的平均波浪周期極為吻合[14]。據(jù)Lorrai C等人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沉積物之上1m水平流速達到20cm/s，該區(qū)域可被視為高度湍流區(qū)域，其渦動時間尺度約為0.2～10 s[29]。這也與此次實驗結(jié)果極為一致。不過也可以發(fā)現(xiàn)這一時段內(nèi)頻率大于1 Hz的高頻成分占比很低，僅占15.59%。對于觀測過程中間階段的13:20～13:35數(shù)據(jù)段 (burst 6)，雖然0.1～0.3Hz頻段貢獻依然突出，但可以看出其大于1 Hz的高頻成分占比顯著增長，達到63.57%。另外，0.4～0.62 Hz頻段 (對應(yīng)時間間隔為1.61～2.50s)成為一新的主要貢獻頻段。累加共譜表示了大于其頻率的頻段貢獻所占百分比，因此隨著頻率逐漸減小，其百分比值由零逐漸趨近于一。從圖8(D)可以看出，漲潮期間隨著海流和波浪作用的加劇，高頻成分貢獻逐漸擴大。根據(jù)匯泉灣波浪周期的歷史統(tǒng)計信息，可以推斷夏季東南向波浪作用是該測區(qū)溶解氧動態(tài)變化的主導(dǎo)因素。

圖8 burst1和burst6功率譜密度計算結(jié)果(A)溶解氧濃度歸一化功率譜;(B)垂向流速歸一化功率譜;(C)共功率譜密度;(D) 累加共譜

通過比較每個時間段的累加共譜曲線，可以看出隨著時間推移，數(shù)據(jù)主要貢獻頻帶逐漸向高頻移動 (見圖9)。對于burst1時間段，共譜區(qū)間為一條凹型曲線，主要貢獻頻段為0.093～0.279 Hz(對應(yīng)時間間隔為3.58～10.75s)。對于burst3、7、10時間段來說，曲線形狀逐漸變?yōu)橥剐颓€，這表明在漲潮期開始的2h內(nèi)高頻成分的影響快速擴大并在接近滿潮時逐漸趨于穩(wěn)定。大于0.8Hz的頻帶占比從20.17% 增長到71.40%，湍流引發(fā)的極度不穩(wěn)定的水動力條件導(dǎo)致了溶解氧通量的大幅度波動。

圖9 burst1,burst3,burst7和burst10四個時段累加共譜圖

5 結(jié) 論

基于Reynolds分解理論和Taylor凍結(jié)流假說，利用聲學(xué)多普勒流速儀 (ADV)、溶解氧微電極和溫鹽深儀 (CTD)構(gòu)建了渦動相關(guān)原位觀測系統(tǒng)，并將其應(yīng)用在青島近海潮間帶礫石海灘，對溶解氧通量進行了原位觀測。觀測結(jié)果表明，在一個漲潮期內(nèi)溶解氧通量變換范圍為 -16.7888±5.0～+49.3344±3.7mmol O2/m2/d。不穩(wěn)定的通量結(jié)果表明近海潮間帶底棲溶解氧通量在漲潮時段會受到海水上漲、海流流速加快等物理因素和間隙海水溶解、植物光合作用等生物化學(xué)因素的共同作用，呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的變化形式。頻譜分析表明匯泉灣潮間帶底棲溶解氧主要受東南向波浪作用控制，0.093～0.279 Hz(對應(yīng)時間間隔為3.58～10.75s)頻帶為其主要貢獻頻段。通過對不同時刻累加共譜的比較分析，可以推斷波浪作用和破碎波作用分別在漲潮期前后對底棲溶解氧通量變化起著主導(dǎo)推進作用。本次實驗也驗證了渦動相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用于近海潮間帶底棲溶解氧觀測的可行性，為進一步了解海底邊界層有機質(zhì)的生產(chǎn)分解，開展早期成巖規(guī)律和生物地球化學(xué)進程研究提供了準確的科學(xué)依據(jù)和可靠的技術(shù)支持。

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2017-11-21

國家自然科學(xué)基金資助項目(41276089；41176078)。