研究簡介:沿海軟底基質(zhì)代表生物地球化學(xué)循環(huán)的活性位點，其中底棲微生物和動物群落深刻影響沉積有機(jī)物的命運。沉積物耗氧量，通過總耗氧量的測量來評估穿過沉積物-水界面的流入量，提供了總碳周轉(zhuǎn)率的總體估計。在滲透性沉積物中，物理過程（例如由水流和波浪作用驅(qū)動的平流孔隙水輸送）強(qiáng)烈影響底棲生物氧氣交換。渦流協(xié)方差測量可以考慮生物擾動活動和大型移動底棲動物群的呼吸，并總體上整合了復(fù)雜的沿海底棲系統(tǒng)的強(qiáng)烈空間異質(zhì)性。迄今為止，這種新的替代技術(shù)已用于評估各種水生軟底棲息地的底棲代謝，即來自湖泊的底棲代謝、沙底河流和海洋沉積物、植被和淺沙海沉積物等。EC 技術(shù)的使用特別適合硬底基質(zhì)，例如珊瑚礁、Maerl 床、大型藻礁和貽貝礁和巖石海灣。

Unisense渦動系統(tǒng)的應(yīng)用

渦動系統(tǒng)（Unisense A/S）的不同組件安裝在定制的不銹鋼三腳架上，該框架專門設(shè)計用于盡可能避免傳感器周圍的水動力擾動，但能夠承受自然水動力在海灣。電流速度由聲多普勒測速儀（帶有固定探頭的 ADV，Nortek 矢量）在位于三個傳感器底座下方 157 mm 的圓柱形測量體積（14 mm 高和 14 mm 直徑）中測量。氧氣濃度通過 Unisense 的 Clark 型微電極（尖端直徑小于25um）測量。使用的微電極傳感器 90% 的響應(yīng)時間低于 0.3 秒，攪拌靈敏度接近 2%。Unisense渦動系統(tǒng)控制器單元記錄原位渦流放大器和 Nortek 矢量生成的信號。EC 控制器單元允許部署編程、存儲（8 GB 數(shù)據(jù)容量）、電源（內(nèi)部鋰離子電池，25°C 下可自主運行約 34 小時）和其他單元接口連接。水流速度和濃度測量在基材表面上方 40 cm 處以連續(xù)模式、64 Hz 進(jìn)行。

實驗結(jié)果：本研究對海底生物進(jìn)行了測量通過水生 EC 和 BC 技術(shù)在對比沿海生境中進(jìn)行交換：布雷斯特灣（法國）的非粘性 Maerl 基質(zhì)與粘性裸露泥質(zhì)沉積物。使用這兩種技術(shù)，并根據(jù)具體的冬季測量，發(fā)現(xiàn)了相反的生態(tài)功能，因為馬爾河床群落和泥質(zhì)沉積物普遍釋放和消耗。本研究強(qiáng)調(diào)通量變化及其控制因素可以通過 EC 技術(shù)在可比較的空間和時間尺度上捕獲。它顯示了 EC 技術(shù)在底棲生物中的真正潛力。在大空間和時間尺度的真實原位條件下進(jìn)行通量評估。然而由于通量控制因素及其相互作用的復(fù)雜性，對通量動力學(xué)的了解仍然有限。為了進(jìn)一步理解控制底棲生物的因素，顯然有必要采取多學(xué)科方法方法（同時部署 EC 和 BC）。這些方法將有助于在更大范圍內(nèi)了解沿海沉積區(qū)的生態(tài)和生物地球化學(xué)功能，這些沉積區(qū)是特別復(fù)雜且高度異質(zhì)性的系統(tǒng)。

圖1 、水生渦動(EC)系統(tǒng)的組成圖像。(A) 框架承載的 EC 系統(tǒng)和相關(guān)傳感器：(1) EC 系統(tǒng)控制器單元。(B) 主要 EC 傳感器；(2) 聲學(xué)多普勒測速儀 ADV 和 (3) 氧氣和帶有原位渦流放大器的微電極（克拉克型）。ADV傳感器（黑環(huán)代表水流 x方向）。其他相關(guān)傳感器是 (4)光極直接連接到 EC 系統(tǒng)控制器單元，(5)光極自主部署，(6) STPS 傳感器用于溫度、鹽度和壓力測量，(7) SPAR 傳感器用于光合有效輻射 PAR 測量。

圖2、水生渦流協(xié)方差Maerl 海床站的通量和相關(guān)環(huán)境參數(shù)（2013 年 2 月 20 日，11:30 至 17:30）。突發(fā) 1 (11:37:30) 的平均 EC 數(shù)據(jù)對應(yīng)于 11:30:00 和 11:45:00 之間 15 分鐘內(nèi)平均的 EC 原始數(shù)據(jù)（64 Hz）。(A) 光合有效輻射（PAR，mol m ?2 s ?1 ) 和水位高度 (H, 米), (B) 水溫 (T,C) 和鹽度，(C) 平均水流速度 (cm s -1 )，(D)氧氣濃度 （mol L -1 ) 通過微電極和SDOT光極測量以及 (E) 沉積物/水通過EC測量的通量(EC FO 2 , mmol m -2 d -1 )。添加了通過BC測量的平均FO 2 (BC FO 2 , mmol m -2 d -1 )。正負(fù) FO 2值代表生產(chǎn)（從 Maerl 海床到水）和分別吸收（通過 Maerl 床）。

圖3、水生渦流協(xié)方差。裸露泥濘站的通量和相關(guān)環(huán)境參數(shù)(2013 年 2 月 21 日，11:30 至 18:30)。PAR 值在整個部署期間都很低，從17umol m ?2 s ?1在部署開始時 (11:30) 至之后2umol m ?2 s ?1 (圖3A )。水溫和鹽度穩(wěn)定，平均值為 9.6±0.1℃和33.5±0.1℃（N=28）。EC 微電極和 SDOT 光極記錄的氧氣濃度顯示出從 239 到265umol L?1和平均值 248 ± 5umol L?1 。

圖4、水生渦流協(xié)方差和底棲室Maerl 床 (A) 和裸泥質(zhì)沉積物 (B) 站的通量比較。EC通量（標(biāo)準(zhǔn)偏差）在每個相應(yīng)的 BC 孵育小時內(nèi)進(jìn)行平均，以便進(jìn)行比較；用于計算的 EC 值數(shù)量在 Maerl 床處分別為 0、4 和 4，在裸露泥質(zhì)沉積物站處分別為 2、3 和 3。

圖5、 底棲生物通過 EC 測量的 Maerl 床站通量，繪制為光合有效輻射 (PAR) 和水高 (H) 的函數(shù)。A) FO2 0.6 ± 0.1PAR – 13.2 ± 6.5 (R.76, p0.0001，n17）。(二) FO254.1 ± 8.1H – 291.4 ± 47.4（R.75, p0.0001，n17）。

總結(jié)：在大空間和時間尺度上確定其真實的原位動力學(xué)的復(fù)雜性，對沿海沉積區(qū)域的底棲代謝的理解仍然有限。因此需要采取多學(xué)科方法來增強(qiáng)我們對控制底棲過程和通量的因素的理解。2013 年冬季，在布雷斯特灣的 Maerl 河床和裸露的泥灘內(nèi)同時部署了水生渦流協(xié)方差 (EC) 系統(tǒng)和底棲室 (BC)，以進(jìn)行量化和比較沉積物-水界面處的氧交換。另外監(jiān)測環(huán)境非生物參數(shù)（即光、溫度、鹽度、流速和水深），以更好地了解驅(qū)動底棲動物的機(jī)制交換。在這兩個地點，EC 測量顯示底棲生物的短期變化（即 15 分鐘）根據(jù)環(huán)境條件的通量。渦度協(xié)方差和底棲室測量顯示相似的時間模式兩個地點的通量發(fā)生變化。然而在馬爾站，BC 可能低估了群落呼吸作用。這可能是由于 EC 足跡相對較大（與 BC 相比），考慮到了中尺度空間異質(zhì)性（例如可能包括裸露沉積物斑塊的貢獻(xiàn)）。假設(shè)與 EC 相比，BC 并未完全捕獲大型移動底棲動物群引起的生物擾動對沉積物耗氧量的影響。本研究的結(jié)果強(qiáng)調(diào)了考慮沉積物空間宏觀異質(zhì)性和環(huán)境參數(shù)短期變化的具體方法限制的重要性，以準(zhǔn)確評估底棲生物沿海地區(qū)各種底棲生態(tài)系統(tǒng)的交換。

丹麥Unisense公司是全球生產(chǎn)商品微電極的頂級公司，上海有限公司是丹麥Unisense公司產(chǎn)品在中國的總代理和技術(shù)服務(wù)中心，負(fù)責(zé)Unisense公司微電極產(chǎn)品的銷售、技術(shù)培訓(xùn)和售后服務(wù)。與普通毫米級電極相比，Unisense微米級微電極具有獨特的電化學(xué)性質(zhì)：能刺入樣品中、測量微環(huán)境、不破壞被測對象的結(jié)構(gòu)和生理活性、在極短的時間內(nèi)達(dá)到平衡、對流動不敏感等特點。