Sources and sinks of bottom water oxygen in a seasonally hypoxic fjord  

季節性缺氧峽灣底層水氧氣的來源與匯  

來源：Frontiers in Marine Science, Published 18 April 2023  

《海洋科學前沿》，2023年4月18日發表  

 

摘要內容

 

研究通過耦合水柱-沉積物模型，結合長期監測數據（溫鹽、溶解氧、葉綠素熒光）和沉積物微剖面測量，量化了加拿大貝德福德盆地（Bedford Basin）底層水氧氣的來源與消耗。關鍵發現：  

氧氣來源：冬季混合（29-81%）和夏季/秋季陸架水入侵（最高36%）是主要供氧機制，入侵事件可在數小時內顯著提升底層氧濃度（圖4）。  

 

 

氧氣消耗：水柱呼吸貢獻約80%的總耗氧，沉積物耗氧（平均12±8 mmol m?2 d?1）占20%（圖6D）。  

 

 

氣候影響：2021年因海表溫度異常升高（0.11℃/年趨勢，圖8C），層化增強導致底層供氧減少50%，缺氧持續28周（圖3）。  

 

 

 

研究目的

量化峽灣底層水氧收支的關鍵過程（物理供氧與生物耗氧）。  

 

評估冬季混合、陸架水入侵及沉積物耗氧對缺氧的貢獻。  

 

預測氣候變暖（海溫上升、層化增強）對缺氧的潛在影響。  

 

研究思路

數據采集：  

 

長期監測：周分辨率CTD數據（溫鹽、溶解氧、葉綠素熒光）（圖3）。  

 

沉積物測量：季節性微剖面（氧滲透深度、擴散通量DOU）（圖5，表2）。  

 

 

 

高頻觀測：底棲儀器站記錄入侵事件（溫度、鹽度、氧，1分鐘間隔）（圖4）。  

模型構建：  

 

1D水柱-沉積物耦合模型，以20m深度為上邊界（隔離表層混合影響）。  

 

利用溫鹽數據反演垂向擴散系數（Kz），葉綠素數據約束水柱呼吸速率。  

情景模擬：  

 

對比2018（入侵事件）、2019（強冬季混合）、2021（弱混合）三年氧收支。  

 

敏感性實驗：測試冬季混合減弱（-50%至-90%）和入侵事件的影響（圖9）。  

 

測量數據及研究意義

水柱參數（溫鹽、溶解氧、葉綠素）（圖3）  

 

數據：溶解氧最低值（2018:5μM, 2021:2.7μM）；葉綠素峰值（2019年秋季達24.5 mg m?3）。  

 

意義：揭示層化（圖3D-E）與缺氧的時空關聯，量化水柱呼吸速率（表1）。  

 

 

沉積物氧微剖面（圖5，表2）  

 

數據：氧滲透深度（0.8-1.7 mm）；擴散氧通量DOU（5.8-17.7 mmol m?2 d?1）。  

 

意義：證明DOU與底層水氧濃度顯著正相關（R2=0.96, 圖5C），支持"擴散限制"理論。  

高頻底棲數據（圖4）  

 

數據：2018年10月入侵事件中，底層氧數小時內從10μM升至200μM。  

 

意義：捕捉瞬態供氧過程，驗證入侵對缺氧的緩解作用。  

 

結論

供氧機制：  

 

冬季混合主導供氧（尤其2019年占70%），陸架水入侵可貢獻等效氧量（2018年占35.5%）。  

 

層化期垂向擴散貢獻19-36%的氧輸入。  

耗氧分配：  

 

水柱呼吸是主要匯（22.2-26.1 mol O? m?2 y?1），沉積物耗氧次之（2.7-5.4 mol O? m?2 y?1）。  

 

沉積物貢獻隨水深增加（對數關系，圖7A），全盆地平均占比約35%。  

氣候敏感性：  

 

 

海表溫度上升（0.11℃/年）增強層化，削弱冬季混合（圖8），導致2021年供氧減少50%。  

 

模型預測：冬季混合減弱90%時，缺氧期延長至28周/年（圖9）。  

 

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

研究中Unisense微電極（Clark型，OX-100）用于沉積物氧微剖面測量：  

高分辨率氧梯度測量：  

 

以100μm垂向分辨率獲取沉積物-水界面（SWI）附近的氧分布（圖5A），精準測定氧滲透深度（OPD，0.8-1.7 mm）和擴散邊界層（DBL，0.3-0.5 mm）。  

 

意義：提供計算擴散氧通量（DOU）的關鍵參數，驗證三種DOU計算方法的一致性（表2）。  

揭示沉積物耗氧機制：  

 

發現DOU與底層水氧濃度顯著正相關（R2=0.96, 圖5C），而沉積物耗氧速率（kO2.sedi）與氧濃度無關（圖5D）。  

 

意義：證明沉積物耗氧受擴散限制而非微生物活性主導，為模型假設提供實證支持。  

量化入侵事件的沉積物響應：  

 

結合高頻水柱數據（圖4A），模擬顯示入侵后沉積物氧通量數小時內從3升至22 mmol m?2 d?1（圖4B）。  

 

意義：證實突發供氧事件可顯著增強沉積物氧化能力，影響營養鹽循環（如促進反硝化）。  

 

核心價值：Unisense電極的毫米級分辨率為沉積物-水界面過程研究提供了不可替代的原位觀測手段，尤其在捕捉瞬態事件（如入侵）和驗證模型關鍵參數方面具有優勢。