Sediment oxygen uptake and hypoxia: a simple mass-balance model for estuaries and coastal oceans  

沉積物氧吸收與缺氧：河口及近岸海洋的簡易質量平衡模型  

來源：Geophysical Research Letters  

《地球物理研究快報》  

 

摘要內容  

 

摘要指出沿海缺氧現象因富營養化加劇和分層導致的底部氧氣補給減少而惡化。研究以珠江口（PRE）為例，結合觀測數據和模型分析，量化了生物地球化學（如沉積物耗氧）和物理驅動因素（如分層）對缺氧的影響。結果顯示：珠江口沉積物消耗了水柱中60%以上的有機質，平均氧吸收速率為41.1±16.3 mmol m?2 d?1；底部邊界層（BBL）越薄，沉積物對缺氧的貢獻越顯著。研究構建了一個通用質量平衡模型，可用于跨系統比較缺氧形成時間和條件。  

 

研究目的  

 

量化沿海缺氧的生物地球化學（沉積物耗氧）和物理驅動因素（如分層），開發一個簡單模型以解釋區域差異并預測缺氧發展趨勢。  

 

研究思路  

 

數據觀測：使用CTD測量水柱溫度、鹽度、密度、溶解氧（圖1）；

 

通過沉積物巖芯實驗和Unisense微電極測量氧滲透深度（OPD）和吸收率（SOU）（圖2）。  

 

 

數據分析：結合水柱分層（N2值，圖1c）和BBL厚度，分析SOU與缺氧的關系（圖3）。  

 

模型構建：建立質量平衡模型，關聯沉積物耗氧、水柱反應和分層時間。  

 

跨系統驗證：將模型應用于墨西哥灣北部、長江口等區域驗證普適性（圖3a-b、圖4c）。  

 

測量數據及研究意義  

 

（1）水柱數據（溫度、鹽度、密度、溶解氧，圖1和表S1）：揭示分層對底部氧氣補給的限制作用。  

 

 

（2）沉積物氧滲透深度（OPD）（圖2a和S3）：反映沉積物中氧消耗速率，間接指示有機物礦化強度。  

 

（3）沉積物氧吸收率（SOU）（圖2b和表S1）：直接量化沉積物對缺氧的貢獻，支撐模型參數化。  

（4）BBL厚度（圖1c和S1）：證明物理層厚度調節生物地球化學效應。  

 

 

 

結論  

 

（1）珠江口沉積物消耗了水柱中60%以上的有機質，是缺氧的主要驅動因素。  

（2）BBL厚度控制沉積物耗氧對缺氧的貢獻，薄層區域缺氧敏感性更高。  

（3）質量平衡模型成功量化缺氧形成時間（圖4b-c），并解釋跨系統差異（如墨西哥灣缺氧時間更長）。  

（4）模型可推廣至其他區域（如長江口、切薩皮克灣），為管理策略提供理論支持。  

 

Unisense電極測量數據的詳細研究意義  

 

（1）直接量化沉積物氧動態：  

微剖面技術（0.5–1 mm分辨率）精確測定沉積物-水界面氧梯度（圖2a），顯示氧滲透深度僅2–7 mm（表S1），表明劇烈氧消耗。  

全巖芯培養實驗測得SOU為16.5–70.5 mmol m?2 d?1（圖2b），直接反映沉積物耗氧速率，為模型提供關鍵參數。  

（2）揭示有機物礦化過程：  

高SOU值與淺層OPD結合（圖S4），表明沉積物中有機物快速分解，支持“沉積物主導缺氧”的結論。  

 

（3）支撐模型參數化：  

SOU數據與BBL厚度標準化（SOU/h）顯示與底部氧濃度的強相關性（圖3a-b），驗證模型中“物理層厚度調節生物效應”的假設。  

（4）技術優勢：  

Unisense電極的高空間分辨率避免了傳統孔隙水提取的誤差（圖S3），數據更可靠。  

原位培養設計（保持自然沉積物-水界面）更真實反映耗氧過程，減少實驗干擾。