海岸帶區域內，穿過(guò)沉積物-海水界面的溶解氧通量是研究水體環(huán)境內生物地球化學(xué)循環(huán)周轉的重要指標。由于傳統采樣方法存在局限性，原位觀(guān)測儀器布放難度較大，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)對青島匯泉灣潮間帶礫石基底的底棲溶解氧通量做出評估。渦動(dòng)相關(guān)原位觀(guān)測結果表明，在一個(gè)漲潮期內溶解氧通量變換范圍為-16.7888±5.0～+49.3344±3.7mmol O2/m2/d。不穩定的通量結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出極為復雜的變化形式。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(對應時(shí)間間隔為3.58～10.75s)頻帶為其主要貢獻頻段。通過(guò)對不同時(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底棲溶解氧通量變化起著(zhù)主導推進(jìn)作用。此項研究也表明渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)可應用于近海潮間帶底棲溶解氧觀(guān)測，為從宏觀(guān)到微觀(guān)研究海岸帶生物地球化學(xué)進(jìn)程研究提供了新的觀(guān)測手段。

海床是水體與沉積物間地球化學(xué)和生物進(jìn)程緊密耦合的區域。沿海近岸的沉積物-海水界面既是有機質(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)反應中的重要參數，是評估海底邊界層碳礦化和初級生產(chǎn)的關(guān)鍵指標之一。準確測定溶解氧通量對研究不同時(shí)空尺度上生物地球化學(xué)循環(huán)與生態(tài)系統活性至關(guān)重要。

傳統上，一般使用底棲通量室或微電極剖面法原位測量底邊界層溶解氧通量。底棲培養室技術(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)跟蹤采樣或測量。該方法會(huì )封閉區域沉積物與上覆水，影響水體自然流動(dòng)和水結組分的自然交換，使外界動(dòng)力環(huán)境變化無(wú)法在封閉的箱室系統中再現。微電極剖面技術(shù)是采用步進(jìn)馬達，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)現沉積物-水界面擴散邊界層中的變化過(guò)程測量。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)法反映遠離氧微電極穿透區域的生物擾動(dòng)和灌洗作用的影響；并且由于微電極尖端非常細，在實(shí)際觀(guān)測應用中極易導致微電極的損壞。近年來(lái)，日本及歐美許多發(fā)達國家相繼將大氣科學(xué)中的渦動(dòng)相關(guān)概念應用于水底邊界層界面，利用溶解氧微電極測量距海底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)對溶解氧濃度測點(diǎn)位置的水流垂向流速進(jìn)行測量，之后將二者以極高的頻率進(jìn)行擬合計算氧通量。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)人為干擾的原位數據。

美國弗吉尼亞大學(xué)利用渦動(dòng)相關(guān)系統分別在海草區、海冰區和珊瑚礁區實(shí)施了測量，對特殊底質(zhì)區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機理。目前，國內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物沉積區，對堅硬底質(zhì)區氧通量的研究還未見(jiàn)報道，這主要是由于在堅硬底質(zhì)區難以進(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，氧交換速率是評估該區域生物代謝活動(dòng)的重要參數。利用渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)在青島匯泉灣礫石海灘對底棲溶解氧通量進(jìn)行了測量和評估。通過(guò)對不同時(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底棲溶解氧通量變化起著(zhù)主導推進(jìn)作用。

1、方法

1.1研究區概況

研究區位于膠州灣以東的匯泉灣(見(jiàn)圖1)。匯泉灣西側、北側、東側三面環(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(xiàn)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)型由細礫、粗砂、中砂、細砂依次分布變化。海灣潮汐類(lèi)型屬正規半日潮，潮流半日周期往復運動(dòng)，漲潮時(shí)流向為順時(shí)針?lè )较?，退潮時(shí)流向為逆時(shí)針?lè )较?。匯泉灣內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。

圖1研究區域地形圖(黑色星號為測點(diǎn)區域)

圖2(A)渦動(dòng)相關(guān)系統現場(chǎng)布設情況;(B)測點(diǎn)位置情況;(C)長(cháng)有貽貝類(lèi)生物的礫石;(D)長(cháng)有藻類(lèi)生物的礫石

測點(diǎn)位置位于匯泉灣東側中潮帶(36°03′06.38"N，120°20′23.36"E)，滿(mǎn)潮水深將近3.5m。測點(diǎn)附近沉積物類(lèi)型主要為細砂，砂體之上布有長(cháng)滿(mǎn)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)系統集成與布設

從使用便捷、拆裝簡(jiǎn)易、運行安全的角度出發(fā)，我們將渦動(dòng)相關(guān)系統設計為小型可拆卸式坐底觀(guān)測平臺，平臺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構穩定的三角框架，集成了不同的傳感器進(jìn)行組合檢測。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OX-100 fast)，尖端直徑90～110μm，90%響應時(shí)間＜2s，測量精度可達0.3μmol/L；并裝配了一臺意大利IDRONAUT公司生產(chǎn)的CTD多參數水質(zhì)儀(型號:OCEAN SEVEN 304Plus)獲取海水深度、溫度和電導率信息，為后期分析氧通量數據提供依據和參考。

2016年6月4日上午11:00，在匯泉灣東側潮間帶進(jìn)行了渦動(dòng)相關(guān)系統觀(guān)測實(shí)驗。海流數據模塊、溶解氧數據模塊和溫鹽深數據模塊都被固定在三角支架上(見(jiàn)圖2)，微電極尖端指向ADV測量區域，測點(diǎn)距沉積物表面24cm，CTD安裝位置稍高，距沉積物表面55cm。觀(guān)測過(guò)程中，ADV以16Hz的預設頻率和20min的預設周期進(jìn)行間歇采樣，循環(huán)周期包括15min持續采樣時(shí)間和5min間歇時(shí)間；微電極以16Hz頻率進(jìn)行連續采樣；CTD以8Hz的預設頻率進(jìn)行連續采樣。

布設按照原定計劃于低潮時(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)口方向正對海流主流速方向以避免支架腳對海流的干擾。數據采集初始階段，由于潮水并未完全淹沒(méi)測點(diǎn)及傳感器，因此所測數據無(wú)效，將這部分數據歸為“空采數據”，在后期處理中予以剔除。實(shí)驗原計劃水下工作10～12h，以獲取完整潮汐漲落周期內溶解氧通量變化數據，但由于中途數據記錄發(fā)生故障，系統采集被迫中止。綜合以上兩點(diǎn)，本次觀(guān)測采集到了從上午11:20～下午15:00約4h的有效數據。據國家海洋局北海預報中心當日發(fā)布的潮汐預報，當日漲潮期為上午10:18～下午15:36，由此可見(jiàn)本次采集數據基本覆蓋了漲潮期。

1.3氧通量的計算方法

1.3.1基本原理

根據Reynolds分解理論，在流體力學(xué)研究中常常對溶質(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(mǎn)足:

公式(4)表示在高度h處測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的水體內溶解氧源匯效應之和(w為垂向流速)。當測量點(diǎn)位距沉積物-海水界面很近(即h很小)時(shí)，源匯效應項也可以忽略不計。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數據處理分析

為簡(jiǎn)化數據處理，首先將采集到的16Hz頻率數據轉換為8Hz數據，并對溶解氧和海流流速數據進(jìn)行了去尖峰濾波、去噪濾波處理，對流速數據進(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)計算。為選擇出合適的濾波窗口長(cháng)度Nr，采用累加計算方法，將初始窗口長(cháng)度設為1，并逐漸增大窗口長(cháng)度，反復計算滑動(dòng)平均值、波動(dòng)值和通量值，當窗口長(cháng)度增大到一定程度后，通量值達到近乎穩定(見(jiàn)圖3)，以上午12:00～12:15這一數據段為例，將3000個(gè)數據點(diǎn)(對應時(shí)間為6.25min)作為最終的濾波窗口長(cháng)度，以此計算湍流波動(dòng)值C′和u′。隨后對每個(gè)數據段分別計算兩個(gè)波動(dòng)值的互相關(guān)函數(見(jiàn)圖4)，以下午13:00～13:15這一數據段為例，湍流波動(dòng)值C′與u′的最大互相關(guān)出現在第7175點(diǎn)位置，距7200點(diǎn)的中心位置偏差了25個(gè)數據點(diǎn)(對應時(shí)間為3.125s)，因此將溶解氧濃度和垂向波動(dòng)速度時(shí)間序列相對移動(dòng)25個(gè)數據點(diǎn)，使最大互相關(guān)值位于中心位置。隨后根據式(6)計算功率譜密度并進(jìn)行頻率響應校正。

最后計算出每個(gè)15min時(shí)間段內的溶解氧通量。