海岸帶區(qū)域內(nèi)，穿過(guò)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(biāo)。由于傳統(tǒng)采樣方法存在局限性，原位觀測(cè)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(dòng)相關(guān)技術(shù)對(duì)青島匯泉灣潮間帶礫石基底的底棲溶解氧通量做出評(píng)估。渦動(dòng)相關(guān)原位觀測(cè)結(jié)果表明，在一個(gè)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(shí)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(duì)應(yīng)時(shí)間間隔為3.58～10.75s)頻帶為其主要貢獻(xiàn)頻段。通過(guò)對(duì)不同時(shí)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(duì)底棲溶解氧通量變化起著主導(dǎo)推進(jìn)作用。此項(xiàng)研究也表明渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)可應(yīng)用于近海潮間帶底棲溶解氧觀測(cè)，為從宏觀到微觀研究海岸帶生物地球化學(xué)進(jìn)程研究提供了新的觀測(cè)手段。

海床是水體與沉積物間地球化學(xué)和生物進(jìn)程緊密耦合的區(qū)域。沿海近岸的沉積物-海水界面既是有機(jī)質(zhì)成巖作用的重要場(chǎng)所，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(píng)估海底邊界層碳礦化和初級(jí)生產(chǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。準(zhǔn)確測(cè)定溶解氧通量對(duì)研究不同時(shí)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。

傳統(tǒng)上，一般使用底棲通量室或微電極剖面法原位測(cè)量底邊界層溶解氧通量。底棲培養(yǎng)室技術(shù)是將開(kāi)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(shí)通過(guò)嵌入傳感器對(duì)封閉上覆水中的如O2、H2S等化學(xué)元素濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤采樣或測(cè)量。該方法會(huì)封閉區(qū)域沉積物與上覆水，影響水體自然流動(dòng)和水結(jié)組分的自然交換，使外界動(dòng)力環(huán)境變化無(wú)法在封閉的箱室系統(tǒng)中再現(xiàn)。微電極剖面技術(shù)是采用步進(jìn)馬達(dá)，將溶解氧微電極以微米為單位從上覆水開(kāi)始緩慢穿過(guò)沉積物-水界面逐步刺入沉積物中，檢測(cè)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(shí)現(xiàn)沉積物-水界面擴(kuò)散邊界層中的變化過(guò)程測(cè)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(wú)法反映遠(yuǎn)離氧微電極穿透區(qū)域的生物擾動(dòng)和灌洗作用的影響；并且由于微電極尖端非常細(xì)，在實(shí)際觀測(cè)應(yīng)用中極易導(dǎo)致微電極的損壞。近年來(lái)，日本及歐美許多發(fā)達(dá)國(guó)家相繼將大氣科學(xué)中的渦動(dòng)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(cè)量距海底15～30cm固定一點(diǎn)的氧濃度，同時(shí)使用多普勒矢量流速儀(Acoustic Doppler Velocimeter，ADV)對(duì)溶解氧濃度測(cè)點(diǎn)位置的水流垂向流速進(jìn)行測(cè)量，之后將二者以極高的頻率進(jìn)行擬合計(jì)算氧通量。渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)既沒(méi)有封閉沉積物水體，也沒(méi)有將微電極插入沉積物，因此可以獲得無(wú)人為干擾的原位數(shù)據(jù)。

美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)利用渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)分別在海草區(qū)、海冰區(qū)和珊瑚礁區(qū)實(shí)施了測(cè)量，對(duì)特殊底質(zhì)區(qū)域的溶解氧通量釋放過(guò)程進(jìn)行了研究；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(dòng)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(yùn)機(jī)理。目前，國(guó)內(nèi)外底棲氧通量研究領(lǐng)域的重點(diǎn)主要集中在河口或湖泊有機(jī)物沉積區(qū)，對(duì)堅(jiān)硬底質(zhì)區(qū)氧通量的研究還未見(jiàn)報(bào)道，這主要是由于在堅(jiān)硬底質(zhì)區(qū)難以進(jìn)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(lèi)及底棲生物，氧交換速率是評(píng)估該區(qū)域生物代謝活動(dòng)的重要參數(shù)。利用渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)在青島匯泉灣礫石海灘對(duì)底棲溶解氧通量進(jìn)行了測(cè)量和評(píng)估。通過(guò)對(duì)不同時(shí)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(duì)底棲溶解氧通量變化起著主導(dǎo)推進(jìn)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(jiàn)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(kāi)口與黃海相連。海灣高潮時(shí)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(lái)風(fēng)，因此灣內(nèi)主要受SSE向風(fēng)浪影響。匯泉灣為典型的砂質(zhì)海岸，自西北向東南沉積物類(lèi)型由細(xì)礫、粗砂、中砂、細(xì)砂依次分布變化。海灣潮汐類(lèi)型屬正規(guī)半日潮，潮流半日周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)，漲潮時(shí)流向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?，退潮時(shí)流向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?。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)。

圖1研究區(qū)域地形圖(黑色星號(hào)為測(cè)點(diǎn)區(qū)域)

圖2(A)渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)情況;(B)測(cè)點(diǎn)位置情況;(C)長(zhǎng)有貽貝類(lèi)生物的礫石;(D)長(zhǎng)有藻類(lèi)生物的礫石

測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)附近沉積物類(lèi)型主要為細(xì)砂，砂體之上布有長(zhǎng)滿貽貝類(lèi)和藻類(lèi)生物的礫石(見(jiàn)圖2)。

1.2渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)集成與布設(shè)

從使用便捷、拆裝簡(jiǎn)易、運(yùn)行安全的角度出發(fā)，我們將渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為小型可拆卸式坐底觀測(cè)平臺(tái)，平臺(tái)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(gè)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(jìn)行組合檢測(cè)。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(cè)量固定點(diǎn)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(hào)OX-100 fast)，尖端直徑90～110μm，90%響應(yīng)時(shí)間＜2s，測(cè)量精度可達(dá)0.3μmol/L；并裝配了一臺(tái)意大利IDRONAUT公司生產(chǎn)的CTD多參數(shù)水質(zhì)儀(型號(hào):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(jìn)行了渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。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(jiàn)圖2)，微電極尖端指向ADV測(cè)量區(qū)域，測(cè)點(diǎn)距沉積物表面24cm，CTD安裝位置稍高，距沉積物表面55cm。觀測(cè)過(guò)程中，ADV以16Hz的預(yù)設(shè)頻率和20min的預(yù)設(shè)周期進(jìn)行間歇采樣，循環(huán)周期包括15min持續(xù)采樣時(shí)間和5min間歇時(shí)間；微電極以16Hz頻率進(jìn)行連續(xù)采樣；CTD以8Hz的預(yù)設(shè)頻率進(jìn)行連續(xù)采樣。

布設(shè)按照原定計(jì)劃于低潮時(shí)(上午10:20)開(kāi)始進(jìn)行，安放三角支架時(shí)特別地將其開(kāi)口方向正對(duì)海流主流速方向以避免支架腳對(duì)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(méi)測(cè)點(diǎn)及傳感器，因此所測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)效，將這部分?jǐn)?shù)據(jù)歸為“空采數(shù)據(jù)”，在后期處理中予以剔除。實(shí)驗(yàn)原計(jì)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(diǎn)，本次觀測(cè)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(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心當(dāng)日發(fā)布的潮汐預(yù)報(bào)，當(dāng)日漲潮期為上午10:18～下午15:36，由此可見(jiàn)本次采集數(shù)據(jù)基本覆蓋了漲潮期。

1.3氧通量的計(jì)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(duì)溶質(zhì)濃度和流速做出如下分解:

經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)科學(xué)家對(duì)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(guò)三維溶質(zhì)質(zhì)量守恒方程來(lái)確定其分布狀態(tài)，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(cè)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(cè)量點(diǎn)位距沉積物-海水界面很近(即h很小)時(shí)，源匯效應(yīng)項(xiàng)也可以忽略不計(jì)。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(diǎn)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(jiǎn)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(duì)溶解氧和海流流速數(shù)據(jù)進(jìn)行了去尖峰濾波、去噪濾波處理，對(duì)流速數(shù)據(jù)進(jìn)行了傾斜校正。之后，使用滑動(dòng)平均方法進(jìn)行湍流波動(dòng)計(jì)算。為選擇出合適的濾波窗口長(zhǎng)度Nr，采用累加計(jì)算方法，將初始窗口長(zhǎng)度設(shè)為1，并逐漸增大窗口長(zhǎng)度，反復(fù)計(jì)算滑動(dòng)平均值、波動(dòng)值和通量值，當(dāng)窗口長(zhǎng)度增大到一定程度后，通量值達(dá)到近乎穩(wěn)定(見(jiàn)圖3)，以上午12:00～12:15這一數(shù)據(jù)段為例，將3000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(對(duì)應(yīng)時(shí)間為6.25min)作為最終的濾波窗口長(zhǎng)度，以此計(jì)算湍流波動(dòng)值C′和u′。隨后對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)段分別計(jì)算兩個(gè)波動(dòng)值的互相關(guān)函數(shù)(見(jiàn)圖4)，以下午13:00～13:15這一數(shù)據(jù)段為例，湍流波動(dòng)值C′與u′的最大互相關(guān)出現(xiàn)在第7175點(diǎn)位置，距7200點(diǎn)的中心位置偏差了25個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(對(duì)應(yīng)時(shí)間為3.125s)，因此將溶解氧濃度和垂向波動(dòng)速度時(shí)間序列相對(duì)移動(dòng)25個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，使最大互相關(guān)值位于中心位置。隨后根據(jù)式(6)計(jì)算功率譜密度并進(jìn)行頻率響應(yīng)校正。

最后計(jì)算出每個(gè)15min時(shí)間段內(nèi)的溶解氧通量。