Coastal hypoxia and eutrophication as key controls on benthic release and water column dynamics of iron and manganese  

海岸帶缺氧與富營養(yǎng)化對底棲鐵錳釋放及水體動力學(xué)的關(guān)鍵控制作用  

來源：Limnology and Oceanography. 66, 2021, 807–826

《湖沼學(xué)與海洋學(xué)》第66卷（2021年）第807至826頁

 

摘要內(nèi)容：  

研究揭示波羅的海沉積物中鐵（Fe）和錳（Mn）的底棲釋放機制及其對水體的影響。通過9個站位的原位測量發(fā)現(xiàn)：在季節(jié)性缺氧（底層水氧0-63μmol/L）且有機質(zhì)輸入高的區(qū)域，溶解態(tài)Fe和Mn的底棲釋放速率最高。Fe釋放受底層水氧濃度和沉積物表層Fe-S氧化還原化學(xué)控制，Mn釋放則與Mn氧化物供應(yīng)量正相關(guān)。底棲釋放導(dǎo)致水體中溶解態(tài)Fe/Mn濃度升高，并通過"再循環(huán)"機制（釋放→水體氧化→金屬氧化物沉積→再還原溶解）放大。水體中近80%的Fe以顆粒態(tài)存在，而約50%的Mn保持溶解態(tài)。易還原Fe/Mn氧化物是懸浮顆粒的主要形態(tài)。波羅的海作為高度富營養(yǎng)化-低氧海岸系統(tǒng)的極端案例，預(yù)示未來海岸帶缺氧加劇將顯著增強陸架底棲Fe/Mn釋放。  

 

研究目的：  

1. 量化波羅的海不同氧狀態(tài)區(qū)域底棲Fe/Mn釋放速率  

2. 解析控制底棲釋放的關(guān)鍵因素（氧、硫化物、Mn氧化物供應(yīng)）  

3. 闡明釋放的Fe/Mn在水體中的形態(tài)轉(zhuǎn)化與遷移規(guī)律  

4. 評估富營養(yǎng)化海岸帶對全球金屬循環(huán)的潛在影響  

 

研究思路：  

1. 選取波羅的海9個代表性站位（圖1），覆蓋梯度氧狀態(tài)（季節(jié)性缺氧→永久硫化）  

 

2. 原位測量：沉積物孔隙水剖面（Fe、Mn、H?S等）、底棲通量（溶解Fe/Mn、O?消耗）  

3. 水體剖面：分層測定溶解/顆粒態(tài)Fe/Mn（<0.02μm, 0.02-0.2μm, <0.2μm分餾）  

4. 沉積物固相：Fe/Mn形態(tài)連續(xù)提取（鐵氧化物、硫化物）  

5. 整合數(shù)據(jù)建立Fe/Mn釋放與氧狀態(tài)、硫化物、Mn氧化物供應(yīng)的定量關(guān)系  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義：  

1. 孔隙水剖面（圖2）  

 

   ? 數(shù)據(jù)：缺氧站位（如LL3A）孔隙水Fe/Mn富集（最高400μM），硫化站位（JML）Fe被固定  

 

   ? 意義：揭示Fe釋放受H?S抑制（FeS形成），Mn釋放不受限  

 

2. 原位底棲通量（圖3）  

 

   ? 數(shù)據(jù)：季節(jié)性缺氧區(qū)釋放最高（Fe: 2.6 mmol/m2/d, Mn: 15.3 mmol/m2/d）  

 

   ? 意義：量化實際通量，比全球模型預(yù)測高15倍  

 

3. 固相Fe/Mn分布（圖4）  

 

   ? 數(shù)據(jù)：表層沉積物易還原Fe氧化物富集（Feox1），Mn富集與底棲Mn釋放正相關(guān)（圖7c）  

 

   ? 意義：證實Mn氧化物供應(yīng)是釋放的關(guān)鍵限制因子  

 

4. 水體Fe/Mn形態(tài)（圖5,6）  

 

 

   ? 數(shù)據(jù)：近底層80% Fe為顆粒態(tài)（含易還原氧化物），50% Mn為溶解態(tài)  

 

   ? 意義：解釋Mn溶解態(tài)遷移性更強  

 

5. 控制參數(shù)關(guān)聯(lián)（圖7）  

   ? 數(shù)據(jù)：底棲Fe釋放與底層水氧負相關(guān)（圖7a），Mn釋放與沉積物Mn富集量正相關(guān)（圖7c）  

 

   ? 意義：建立"Fe氧化還原窗口"概念（缺氧但非硫化條件最優(yōu)）  

 

結(jié)論：  

1. 季節(jié)性缺氧區(qū)是Fe/Mn釋放熱點，最高通量達全球均值10倍（Fe: 2.6, Mn: 15.3 mmol/m2/d）  

2. Fe釋放需滿足"氧化還原窗口"：低氧（<63μmol/L）且低H?S（防FeS沉淀）；Mn釋放取決于表層Mn氧化物儲量  

3. 回流機制主導(dǎo)：沉積物釋放→水體氧化→顆粒沉降→再還原釋放→形成近底高濃度金屬層  

4. 水體Fe以顆粒態(tài)（80%）為主（易還原氧化物）；Mn以溶解態(tài)（50%）為主，遷移性強  

5. 富營養(yǎng)化通過增強有機質(zhì)降解驅(qū)動缺氧，放大Fe/Mn再循環(huán)；預(yù)示未來海岸缺氧加劇將增加陸架金屬通量  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的核心研究意義：  

1. 毫米級界面過程解析：  

   ? 使用OX-50/SULF-50/pH-100微電極（50μm尖端）獲取沉積物-水界面O?/H?S/pH剖面（圖2）  

 

   ? 揭示O?滲透深度（0-3.5mm）直接控制Fe/Mn還原層位，如BY2站O?穿透3.5mm抑制底棲釋放  

 

2. 通量形成機制驗證：  

   ? 原位測量孔隙水擴散通量（表3）與實測底棲通量差異顯著（如311站Fe擴散通量1.07 vs 實測2.6 mmol/m2/d）  

 

   ? 證明傳統(tǒng)擴散模型低估實際通量，需考慮再循環(huán)放大效應(yīng)  

 

3. 動態(tài)閾值量化：  

   ? 微電極捕捉H?S濃度>5μmol/L時Fe釋放驟降（圖2），明確Fe固定臨界硫濃度  

 

   ? 記錄再氧合事件（BY15站）后Mn氧化物層形成（圖4），解釋短期通量劇變（15.3 mmol/m2/d）  

 

4. 微生物過程關(guān)聯(lián)：  

   ? O?/H?S微剖面耦合硫酸鹽還原速率數(shù)據(jù)，證實高H?S區(qū)硫酸鹽還原菌抑制Fe釋放  

 

   ? 酸化界面（如Al處理站）的O?滲透加深（1.04mm vs 對照0.38mm）印證微生物活性抑制  

 

5. 技術(shù)不可替代性：  

   ? 傳統(tǒng)采樣無法獲取的毫米級化學(xué)梯度（如O?/H?S躍變），Unisense實現(xiàn)原位實時監(jiān)測  

 

   ? 微尺度數(shù)據(jù)支撐"氧化還原窗口"理論（Fe釋放需界面低O?且無H?S滯留），修正全球模型參數(shù)