海底邊界層溶解氧通量原位觀測技術方法研究

崔尚公，于新生，2*，趙廣濤，2，張曉東，2

（1.中國海洋大學 海洋地球科學學院,山東 青島 266100；2.海底科學與探測教育部重點實驗室，山東 青島 266100）

海底邊界層溶解氧通量原位觀測技術方法研究

崔尚公1，于新生1，2*，趙廣濤1，2，張曉東1，2

（1.中國海洋大學 海洋地球科學學院,山東 青島 266100；2.海底科學與探測教育部重點實驗室，山東 青島 266100）

海底邊界層是溶質和懸浮顆粒物在海床與水體間交換的重要場所，也是沉積物質的主要成巖作用區，對海洋、湖泊有著重要的生物、化學、地質學意義。底棲溶解氧消耗速率是評估早期碳礦化作用的重要指示劑，也是研究元素循環周轉的重要指標。溶解氧通量原位監測技術是獲取底棲溶解氧消耗速率、了解化學物質輸運機制，進而研究底棲生態系統、環境污染影響、生物地球化學進程的重要手段。針對傳統溶解氧觀測方法在效率和準確度上的局限性，介紹了目前底邊界層原位氧通量測量技術的發展現狀，對包括底棲培養室、微電極剖面、渦動相關技術和平面光極系統在內的觀測特點進行了對比分析，討論了各自的不足與局限，提出了今后需要關注的改進方向。

溶解氧；沉積物-水界面；底棲培養室；微電極剖面；渦動相關；平面光極

占地球表面積約70%的海洋底部區域是物理、化學、生物、地質作用相互交匯的復雜場所[1]，其間既有熱量、溶質進行界面間的頻繁交換，也存在著有機質成巖作用，同時還是底棲動植物、微生物棲息的重要場所[2]，進而形成了特殊的底棲環境[3]。海底邊界層(Benthic boundary layer,BBL)是指海底沉積物及沉積物—水界面 (Sediment-water interface，SWI)之上的水體區域，其理想分層模型如圖1所示。在對數層中，流體的平均速度隨高度呈對數形式增加；在黏滯層，垂直湍流運動和波浪能量消耗殆盡，溶質輸運以動量黏滯遷移為主；在擴散邊界層中分子擴散效應超過渦流擴散,成為溶質輸運的主導進程。對于多孔砂質沉積而言，沙粒間的孔隙對流會對沉積物和水體間通量產生顯著影響。此外，包括生物擾動、回灌在內的各種生物活動也是影響界面間溶質和顆粒物交換的關鍵要素之一[4]。

無論是淺海還是深海，氧都是海底邊界層內元素循環周轉的關鍵指標之一。氧由植物、微生物通過光合作用生成，再通過兩種途徑被消耗：（1）動物、細菌的好氧異養活動；（2）厭氧異養生物降解期間釋放的還原無機產物再氧化[5]（見圖1）。當沉積物中厭氧礦化的降解無機溶質在沉積物中被完全氧化，總底棲耗氧（total benthic O2uptake，TOU）便可近似作為總底棲碳礦化的代理指標[6]。在評估環境的生態學意義和諸如C，N，P，S等元素循環時，準確的溶解氧通量動態變化資料對生物地球化學循環分析結果顯得至關重要[7]。

圖1 水底邊界層理想模型及主要成巖作用示意圖[8]

受水下復雜環境影響，目前人們對于海底的物質通量動態過程缺乏深入了解，對底棲溶解氧在生態環境及全球生物地球化學循環中的貢獻缺乏系統的認識，其主要原因是缺少海底的長時序實時觀測資料。因此發展沉積物—海水界面原位觀測技術對深入開展生態、環境、全球氣候變化研究至關重要。傳統的底棲溶解氧測量方法是通過科考船在現場利用沉積物取樣器進行沉積物及水體取樣，然后帶回實驗室做進一步分析[9]。經過幾十年不斷發展，傳統的實驗室分析方法趨于成熟，憑借其操作的便捷性和低成本特點，目前仍然是較為常用的評估手段[10]。但傳統方法在采集過程中會改變液體靜壓力、溫度以及其他物理和化學條件，容易在操作或置放容器等操作環節中對樣品產生污染；其次，受科考船航次及氣候變化等因素的制約，傳統方法難以保證長時序實時連續監測，導致觀測資料無法體現連續的變化過程；另外，傳統方法也無法模擬原位溫度、光照以及底棲生物擾動及回灌等特性對測量結果產生的影響[11]。Rolley和Owens[12]發現利用沉積物柱狀樣在實驗室內進行分析會將耗氧速率低估約15%，James[13]發現樣品實驗室分析的耗氧量結果與理論計算相差48%，認為在采集樣品和搬運過程中沉積物孔隙水流失會導致其氧梯度分布結構產生變化。Rasmussen和Jorgensen通過對比實驗發現現場微電極原位觀測方法與實驗室分析方法在夏季年平均測量值可相差30%[14],Wenzhoefer和Glud觀測到原位測量方法與實驗室分析方法在深海的觀測結果相差1倍，在大陸架處可相差3～4倍[15]。因此發展沉積物—海水界面原位觀測新技術新方法對深入開展生態、環境、全球氣候變化研究至關重要。

為克服傳統方法存在的問題，近幾十年來開發了多種原位現場監測技術，用于對底棲氧通量進行定量評估，獲取沉積物-水界面的小尺度范圍內的長周期、連續的高時空分辨率變化數據。本文歸納總結了這些海底邊界層原位氧通量測量的技術方法，對包括底棲培養室、微電極剖面、渦動相關技術和平面光極系統在內的主要原位觀測技術進行了對比分析，闡述了不同觀測方法的應用及發展現狀，討論了各方法及技術的特點，期望促進海底邊界層溶解氧通量原位觀測新技術與新方法的發展。

1 底棲溶解氧通量原位監測技術

1.1 底棲培養室技術

底棲培養室技術起源于19世紀60年代中期，到70年代末，已經成為檢測沉積物與水界面溶質交換的主要技術手段。該技術的測量原理是采用工程塑料和橡膠制作的鐘罩型、圓柱型或方盒型開口箱體，將開口端嵌入到表層沉積物幾厘米至幾十厘米處，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（見圖2），同時通過在箱體上裝配的序列注射式水樣采集器接口或嵌入傳感器對封閉上覆水中的如O2、H2S等化學物質濃度進行實時跟蹤采樣或測量。采集的液體樣品可用于后期實驗室分析，用于檢測液體內的金屬及無機物濃度含量變化。通過平均濃度變化速率時間序列進行相關性分析，可以評估封閉上覆水中的溶質通量的變化[16-18]，沉積物—水界面的總氧交換通量計算公式如式（1）所示：

式中：ΔC為溶解氧濃度變化量；Δt為布設培養時間；V為箱室上覆水體積；A為箱室覆蓋沉積物面積[19]。一般來說，封閉的上覆水中O2起始變化速率是近似線性的，底棲耗氧速率可以通過線性擬合進行計算。

圖2 底棲通量室結構示意圖

德國馬克普朗克海洋微生物學研究所在2005年研制了帶有新型嵌入控制系統和攪拌系統的“Sandy”底棲培養室來評估對流輸運對溶質通量的貢獻；西班牙加迪斯大學在2008年開發了配有水下離心泵攪拌系統的培養室；法國布雷斯特研究所在2010年研制了工作水深6 000 m的CLAMAR培養室[20-22]。目前報道的底棲培養室檢測溶解氧濃度的精度已到達2 μmol/L的低濃度檢出限，布設時長可達90 h以上。

底棲培養室最顯著的優點在于可以簡便直接地測量沉積物—水界面上由分子擴散耗氧(diffusive O2uptake,DOU)和生物耗氧 (benthos mediated O2uptake,BMU)組成的總底棲耗氧(TOU)。表1列出了近期使用過的培養室應用。大型培養室便于獲取較全面的由底棲生物活動引起的溶解氧時空變化數據，為深入了解海底局部沉積異質性變化過程提供可靠數據資料。但是，培養室只能測量總底棲耗氧，因此隨著覆蓋面積的增大，其空間分辨率會隨之降低。在時間尺度上，根據Bender等人研究發現，培養室內水體成分會隨時間推移發生變化，進而改變沉積物—水界面的濃度梯度，使得測量的濃度—時間曲線發生彎曲，導致線性擬合得到的通量值要比非線性模型計算的平均低23%，但在10～20 h的時間范圍內，線性擬合計算結果還是滿足研究需求的[23]。此外，雖然在溶質交換以分子擴散為主的非滲透性沉積物中，底棲培養室方法可以獲得較為準確的結果，但在淺海廣泛存在的沙質沉積區，底棲室系統無法提供準確的通量[24-26]。這是由于滲透性沉積物中波浪和波形底紋間的相互作用使孔隙水間的對流遷移成為主要的輸運機制，而底棲培養室封閉了區域沉積物與上覆水，影響了水體自然流動和水結組分的自然交換，這些外界動力環境變化無法在封閉的箱室系統中再現。為減小這種影響，通常會在底棲通量室內安裝一個攪拌或水循環系統，在沉積物表面產生一個已知的壓力梯度分布[27]。在實際觀測過程中，為保證封閉箱體內上覆水空間體積的精度，底棲通量室系統在現場布設時還需要考慮精確插入深度問題及箱室下沿插入沉積物的控制方式問題。這些控制方式增加了底棲通量室實際應用的復雜性和成本。

表1 近期基于原位底棲通量室的實時觀測應用

1.2 微電極剖面技術

微電極剖面技術的測量原理如圖3所示，其采用水下電機，譬如步進馬達，將溶解氧微電極以微米為單位從上覆水開始緩慢穿過沉積物—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，實現沉積物—水界面擴散邊界層中的變化過程測量。根據修正的菲克第一擴散定律，擴散通量與濃度梯度符合下列關系：

式中：Φ為沉積物表面孔隙率；Ds為氧分子擴散系數為沉積物-水界面濃度梯度[9]。

與底棲通量室不同，微電極剖面技術并沒有將沉積物與水體封閉起來，而是直接將氧微電極刺入了沉積物內測定孔隙水中的氧滲透深度和動態變化。因此，微電極剖面技術可以直接、簡便地在自然水動力條件下測量分子擴散耗氧（DOU），并且可以進而通過氧濃度線性分布、剖面拐點計算出擴散邊界層厚度，實現空間小尺度孔隙水內氧濃度監測。在時間尺度上，單一剖面的測量時間是由剖面深度、步進間隔決定的，一般為30 min～1 h左右。由于高分辨率的微電極測量會擾動沉積物使局部氧通量發生變化[33]，因此在電機步進過程中需要間歇時間，保證界面梯度重新接近穩定再進行測量。其實際調整時間取決于初始剖面分布特征和干擾程度，總體以5～30 min為宜。

目前，溶解氧微電極主要有3種類型（見表2）。簡單的陰極類型氧微電極最早應用于沉積物—水界面氧分布研究[34]，但由于其無法保證良好的線性效應會產生持續的電流漂移，穩定性極易受到環境條件影響，因此無法滿足氧濃度微剖面測量需求[35-36]；改進的Clark型微電極具有完美的線性校準曲線，響應時間（t90）可達0.1 s，受外部介質干擾變化較小（＜1%～2%），是目前生物地球化學測量應用較廣的微電極傳感器；伏安微電極主要用于電化學研究，由于其測定時會消耗大量的氧，破壞局部濃度梯度，且響應時間（幾分鐘）遠遠慢于其他類型微電極，因此在現場環境觀測中很少使用。Revsbech等[37]在1983年利用溶解氧微電極測量了Solar湖微生物墊的溶解氧剖面；Sweerts等[38]在1991年測量了Vechten湖深層腐殖黑泥中的O2，NH4+，S2-濃度剖面，分析了不同氧化進程對氧消耗的占比情況；汪嘉寧等[39]在2010年對青島會場灣淤泥潮灘進行了微剖面觀測，探究了流速與DBL厚度的關系。

圖3 溶解氧濃度剖面裝置示意圖及實測數據圖[44]

表2 不同類型溶解氧微電極特性

微電極剖面技術的問題在于雖然其垂直分辨率很高，但僅能獲取一維梯度溶解氧通量信息，無法反映遠離氧微電極穿透區域的生物擾動和灌洗作用的影響[25-26]；并且由于微電極尖端非常細，在實際觀測應用中極易導致微電極的損壞,同時微電極的使用壽命短也是其在實際應用中需要克服的問題。

1.3 渦動相關技術

渦動相關技術原是大氣科學領域中測定陸—氣、海—氣邊界層CO2、濕度和能量交換的方法，Berg等[5]人在2003年首次將其應用于水底邊界層界面，實現了水體耗氧通量的測量。渦動相關技術的基本原理是利用溶解氧微電極測量距海底15～30 cm固定一點的氧濃度，同時使用多普勒矢量流速儀（Acoustic Doppler Velocimeter,ADV）對溶解氧濃度測點位置的水流垂向流速進行測量，之后將二者以極高的頻率進行擬合計算氧通量，如圖4所示[45]。水體中任意位置任意時間點由于平流和分子擴散作用導致的垂向O2通量的數學表達式為：

式中：uz為垂向速度；C為氧濃度；D為水體中O2的分子擴散系數為沉積物—水界面濃度梯度。由于測量位置位于對數層，式（4）中分子擴散項被省略，經過雷諾分解與簡化，實際應用中的O2通量可以通過如下公式計算得出[5]。

式中：u'z為垂向速度波動；C'為氧濃度波動。

與底棲培養室和微電極剖面方法不同，渦動相關技術既沒有封閉沉積物水體，也沒有將微電極插入沉積物，因此可以獲得無人為干擾的原位數據[24]，Hume等人在2011年對海草區進行渦動氧通量觀測發現，在高流速環境下（7.5～10 cm·s-1），渦動相關結果是底棲培養室結果的2～6倍[46]。由于不接觸海床，因此系統布設不會被諸如沉積物滲透性、地形、植被等海底特征所限。2011、2012和2013年美國弗吉尼亞大學分別在海草區、海冰區和珊瑚礁區等其他方法無法布設的地形實施了渦動相關操作[46-48]。從本質上說，渦動相關技術是在沉積物—水界面之上可忽略的高度對底部探測區域垂向通量進行統計學近似。其指示區域面積與測點高度、沉積物表面粗糙程度有關，一般來說可以達到10～50 m2[49]，這也從某種程度上解決了底棲觀測中的空間異質性問題。Berg等人在2009年日本Sagami灣1 450 m深海使用培養室、微電極剖面和渦動相關方法進行了氧通量對比觀測，三者結果分別為1.62±0.23（SE，n=7）；1.65±0.33（n=2）；1.43±0.15（n=25）mmol·m-2·d-1，較為一致的數據表明在低流速下，三種方法獲得的結果是近似的，且渦動相關方法也具有極高的（＜1mmol·m-2·d-1）的氧通量分辨率。在時間分辨率上，由于ADV和溶氧渦動電極具有高達16～64 Hz的采樣頻率，在進行高頻擬合后可以在分鐘水平上得到沉積物氧通量中的高時序變化，改善了其它方法僅能在小時到天水平上解決高時序變化的問題[26]。

由于進行統計學近似，該技術對所用傳感器的精度及后期數據處理方法要求極其嚴格。Lorri等人通過對底邊界層自然水動力不同湍流尺度的分析，測算出應用于渦動相關技術的流速和溶解氧傳感器至少應分別具有0.001 m·s-1和0.012 mmol·m-3的精度，才能捕獲所有最小湍流波動[50]。經過10余年發展，目前渦動相關技術的數據處理流程已逐步統一明確（見圖5）。在數據統計上，為減小風、潮汐、強烈O2源匯效應對流速、O2濃度造成的瞬時影響，需合理延長統計區間，以15 min～1 h為宜[51]。

圖4 渦動相關技術示意圖

圖5 渦動相關數據處理流程

但是，渦動相關技術與傳統方法相比，造價昂貴，技術應用難度很大，對微電極及儀器的要求也更高，O2濃度渦動測量需要快速響應微電極（t90＜0.4 s），但此類電極壽命僅為2～6個月[51]。且對于渦動相關技術應用于氧通量測量來說，需要復雜的數據處理與解釋來劃分大尺度對流和小尺度渦動的貢獻邊界，這也是極為困難的[52]。

1.4 平面光極技術

由于傳統微傳感器監測技術只能獲取上覆水和沉積物內的一維數據，若要獲取二維空間的氧分布變化信息，需要使用多個微電極在水平方向上移動，然后重復地進行垂直方向上的測量，這使得系統結構和控制變得復雜，水下操作難度加大。同時由于廣泛使用的微電極存在壽命短、對壓力變化敏感、測量過程中會消耗氧等缺陷，促使人們將目光轉移到光化學傳感技術上來[53]。

平面光極技術的溶解氧濃度測量是基于熒光淬滅機理，將對氧分子具有熒光淬滅作用的試劑作為熒光指示劑，包埋在高分子薄膜中，制成厚度約10 μm的傳感膜。由于O2分子與熒光指示劑相互作用，導致熒光強度的衰減或熒光壽命的變化，該變化與溶解氧濃度關系可以用修正的Stern-Volmer方程表示：

式中：τ0和τ分別為無氧和有氧條件下的熒光壽命；I0和I分別為無氧和有氧條件下的熒光強度；KSV為雙分子猝滅系數；[O2]為O2濃度，frac為分級因子，即參與熒光猝滅的指示劑分子百分比。通過校準確定I0，I，KSV，frac等系數，利用式（3）可計算出氧濃度[O2][54]。基于熒光強度的測量容易受外界照射強度、光照不均勻及熒光指示劑分布等因素的影響，導致測量精度及穩定性變差；而基于熒光壽命的測量依賴于熒光指示劑的本征參量，具有較高的抗外界光干擾能力，具備較好的準確性和穩定性，但是熒光壽命范圍為微秒級或毫秒級，需要配置復雜的觸發控制電路，使得觀測儀器的制作變得復雜。因此現今更多采用比率檢測法，其利用同時測量熒光激發強度與參考光的比值，可以消除熒光強度測量存在的對環境因素敏感的不足，同時不需要復雜的控制電路系統，可以獲取兩維溶解氧分布信息[55]。

1996 年，Glud等[56]利用氧分子的熒光猝滅原理制作了平面溶解氧光極，并將平面氧光極首次應用于沉積物—水界面溶解氧的觀測應用，得到了具有較傳統方法時空分辨率更佳的O2分布。另外，采用1 000×1 000像素的數字成像系統，從平面光極圖像可以同時提取幾百個溶解氧垂直剖面分布曲線。2001年德國馬克普朗克海洋微生物學研究所首次開發出原位平面光極溶解氧觀測的裝置（見圖6）。在實際應用中，首先利用電機將帶有平面光極的傳感器窗步進插入沉積物之后，利用發光二極管作為激發光源，熒光經過濾光片，由相機的電荷耦合靶面（CCD）接收，根據圖像中像素的光強分布即可計算各點像素O2濃度[57]。該裝置空間分辨率可達50× 50 μm/像素，響應時間約為300～400 s。中國海洋大學在2014年制備了響應時間約為20 s的平面光極傳感膜，其對沉積物—水界面的測量結果如圖7所示。

平面光極由于在測量過程中不消耗氧，且不需要參比電極，因此具有較長的使用壽命，可以對指定區域進行長期連續觀測。另外，平面光極避免了微電極應用中會產生電磁噪聲干擾的問題，制作成本較微電極也要低廉得多，具有較好的靈活性和較高的兩維時空分辨率。但是和微電極剖面方法類似，平面光極在插入沉積物時會對界面的結構產生干擾；另外，平面傳感薄膜的材料可能會對掘穴生物產生吸引或排斥影響，導致生物灌洗作用的改變[8]。目前，有關平面光極技術的許多應用理論和技術仍集中在對傳感膜性能的改進上，對野外原位觀測的研究還需進一步完善，如傳感膜機械強度、靈敏性、響應時間、現場應用時插入深度控制等問題。

圖6 原位平面光極裝置示意圖[57]

圖7 平面光極傳感膜對沉積物-水界面的測量結果[55]

2 結論與展望

海水中的溶解氧含量變化是底棲碳礦化作用和初級生產力研究中廣泛應用的重要指標。準確快速地監測溶解氧通量變化對研究生物生長狀況和污染程度具有重要意義。近幾十年來，溶解氧原位監測技術迅速發展，特別是新的溶解氧微傳感技術的不斷發展，使得通量測量的精度、時間和分辨率都大大提高。但是目前現有的原位監測技術尚沒有一種溶解氧原位檢測技術能夠在穩定性、簡易性、沉積異質性反映程度、監測時間尺度等方面完全滿足底邊界層溶解氧測量要求。

底棲通量室技術成形最早，憑借操作簡便、可以覆蓋相對較大面積的海床這一優勢，已成為應用最廣的原位通量監測手段。但封閉的箱室阻塞水體流動，無法還原自然水動力影響的弊端在滲透性大的砂質沉積中依然尤為明顯。微電極剖面技術裝置較為簡易，操作方便，通過將微電極刺入沉積物可以獲得孔隙水溶氧數據，但其測量的是局部有限點的一維梯度通量。可以獲取二維平面氧分布圖像的平面光極手段可以提供高時空分辨率的邊界層溶解氧分布信息，但傳感膜的機械強度及響應時間等問題依然有待于進一步改善。渦動相關技術是近幾年才發展起來的新方法，其改變了傳統插入沉積物測量的方法，在海床之上通過濃度與流速的數據擬合計算氧通量，是目前測量原理上最具潛力的檢測技術。排除對設備要求過高、造價昂貴等方面因素不談，渦動相關技術在靈敏度、響應時間、測量時間尺度上是最佳選擇，具備極大優勢。表3對4種原位觀測方法的特性進行了直接對比，可以看出各種原位觀測方法在特定環境中均擁有獨特的優勢，因此，可以根據不同的觀測研究區域選取多種溶解氧底棲通量原位檢測方法，形成互補，獲取更加全面的觀測資料。

在海底邊界層溶解氧原位觀測中，其核心是原位溶解氧傳感器，表4給出了目前已經商品化的溶解氧傳感器主要技術指標，在實際觀測中應根據所實際觀測實驗需求，選擇合適的精度、靈敏度、響應時間的溶解氧傳感器。

表3 4種溶解氧觀測技術對比

表4 目前商品化的原位溶解氧傳感器比較

針對海底環境的復雜性及觀測資料的需求，海底邊界層溶解氧通量原位監測方法依然面臨著一系列挑戰。今后原位監測技術改進可從以下幾個方面入手：

（1）原位觀測儀器設備的小型化、智能化。新一代溶解氧通量原位觀測儀器設備結構要盡可能減小對沉積物—水界面的擾動與破壞。針對不同海底地質屬性，儀器設備應具有自動判別和調節功能，以滿足海底生物地球化學研究構建數值模型的不同需求。

（2）開發新型傳感器。溶解氧傳感器是底棲監測中最重要的工具，直接關系到獲取數據的準確性與有效性。面對海底長時序的連續觀測需求，開展新材料、新型傳感器的研究是提高傳感器的靈敏度、精度、低功耗、響應時間、水下工作穩定性，以及獲取可靠的邊界層溶解氧通量資料的保障，將為開展底棲通量微觀變化研究提供更好的視野。

（3）完善應用理論。平面光極和渦動相關技術發展時間不長，這些方法應用于野外實際工作的機理及復雜環境下的數據質量還需進行深入的研究。我國在這方面的研究起步較晚，加強研究和開發底棲通量監測技術體系勢在必行。

（4）多功能觀測方法的集成應用。目前尚未有某一種觀測技術能夠滿足各種復雜環境下的不同觀測需求，因此結合實驗室分析儀器工作原理，開發多種功能的原位觀測儀器，拓展原位觀測儀器設備的應用范圍將是未來發展的方向之一。

參考文獻：

[1]Khalil K,Raimonet M,Laverman A,et al.Spatial and temporal variability of sediment organic matter recycling in two temperate eutrophicated estuaries[J].Aquatic Geochemistry,2013,19(5):517-542.

[2]Lorke A,Wuest A.Application ofcoherent ADCP for turbulence measurements in the bottomboundarylayer[J].Journal ofAtmospheric &Oceanic Technology,2005,22(11):1821-1828.

[3]Attard K,Hancke K,Sejr MK,et al.Benthic primary production and mineralization in a High Arctic Fjord:In situ assessments by aquatic eddycovariance,Marine EcologyProgress,2016,554:35-50.

[4]Boudreau B P,Jorgensen B B.The benthic boundary layer:transport processes and biogeochemistry[M].NewYork:Oxford University Press,2001:4-6.

[5]Berg P，Roey H,Janssen F,et al.Oxygen uptake by aquatic sediments measured with a novel non-invasive eddy correlation technique [J].Marine EcologyProgress,2003,261(8),75-83.

[6]Hartnett HE,Keil RG,AL E,et al.Influence of oxygen exposure time on organic carbon preservation in continental marine regions[J]. Nature,1998,391(6667):572-575.

[7]Tahey TM,Duineveld GCA,Berghuis EM,et al.Relation between sediment-water fluxes of oxygen and silicate and faunal abundance at continental shelf,slope and deep-water stations in the northwest Mediterranean[J].Marine Ecology Progress,1994,104(1-2): 119-130.

[8]Glud RN.Oxygen dynamics ofmarine sediments[J].Marine BiologyResearch,2008,4(4):243-289.

[9]Archer D,Devol A.Benthic oxygen fluxes on the Washington shelfand slope:A comparison ofin situ microelectrode and chamber flux measurements[J].Limnology&Oceanography,1992,37(3):614-629.

[10]Abe K,Tsujino M,Kazama T,et al.Underestimation of nutrient fluxes due to possible bacterial activity during a core incubation experiment[J].Journal ofOceanography,2015,71(3):1-8.

[11]Tengber A,Bovee FD,Hall P,et al.Benthic chamber and profiling landers in oceanography-A reviewof design,technical solutions and functioning[J].Progress in Oceanography,1995,35(3):253-294.

[12]Rolley HLJ,Owens M.Oxygen consumption rates and some chemical properties of river muds[J].Water Research,1967,1(11-12): 759-766.

[13]Jame A.The measurement ofbenthal respiration[J].Water Research,1974,8(11):955-959.

[14]Rasmussen H,Jorgensen BB.Microelectrode studies on seasonal oxygen uptake in a coastal sediment:Role of molecular diffusion[J]. Marine Ecological Progress,1992,81(3):289-303.

[15]Wenzhoefer F,Glud RN.Benthic carbon mineralization in the Atlantic:Asynthesis based on in situ data fromthe last decade[J].Deep Sea Research Part I Oceanographic Research Papers,2002,49(7):1255-1279.

[16]Sommer S,Türk M,Kriwanek S,et al.Gas exchange system for extended in situ benthic chamber flux measurements under controlled oxygen conditions:First application-Sea bed methane emission measurements at Captain Arutyunov mud volcano[J]. Limnology&OceanographyMethods,2008,6(1):23-33.

[17]Viollier E,Rabouille C,Apitz SE,et al.Benthic biogeochemistry:state of the art technologies and guidelines for the future of in situ survey[J].Journal ofExperimental Marine Biology&Ecology,2003,285-286(3):5-31.

[18]Tengberg A,Hall POJ,Andersson U,et al.Intercalibration of benthic flux chambers II.Hydrodynamic characterization and flux comparisons of14 different designs[J].Marine Chemistry,2004,94(1-4):147-173.

[19]Warnken KW,Gill GA,Griffin LL,et al.Sediment-water exchange of Mn,Fe,Ni and Zn in Galveston Bay,Texas[J].Marine Chemistry,2001,73(3-4):215-231.

[20]Janssen F，Faerber P，Huettel M,et al.Pore-water advection and solute fluxes in permeable marine sediments(I):Calibration and performance ofthe novel benthic chamber systemSandy[J].Limnology&Oceanography,2005,50(3):768-778.

[21]Sara F，Ferno A，Castro CG,et al.Hydrodynamic characterization and performance of an autonomous benthic chamber for use in coastal systems[J].Limnology&OceanographyMethods,2008,6(6):558-571.

[22]Jean-Claude C，Nadine L，Philippe C,et al.A new CALMAR benthic chamber operating by submersible:first application in the cold-seep environment ofNapoli mud volcano(Mediterranean Sea)[J].Limnology&OceanographyMethods,2010,8(1):304-312.

[23]Bender M，JahnkeR，Ray W,et al.Organic carbon oxidation and benthic nitrogen and silica dynamics in San Clemente Basin,a continental borderland site[J].Geochimica Et Cosmochimica Acta,1989,53(3):685-697.

[24]Berg P,Long MH,Huettel M,et al.Eddy correlation measurements of oxygen fluxes in permeable sediments exposed to varying current flowand light[J].Limnology&Oceanography,2013,58(4):1329-1343.

[25]Kuwae T,KamioK,Inoue T,et al.Oxygen exchange fluxbetween sediment and water in an intertidal sandflat,measured in situ bythe eddy-correlation method[J].Marine EcologyProgress,2006,307(8):59-68.

[26]Berg P,Glud RN,Andrew H,et al.Eddy correlation measurements of oxygen uptake in deep ocean sediments[J].Limnology& OceanographyMethods,2009,7(2):576-584.

[27]Huettel M,Gust G.Impact of bioroughness on interfacia solute exchange in permeable sediments[J].Marine Ecology Progress, 1992,89(2-3):253-267.

[28]Pakhomova SV,Hall POJ,Kononets MY,et al.Fluxes ofiron and manganese across the sediment-water interface under various redox conditions[J].Marine Chemistry,2007,107(3):319-331.

[29]MacPherson TA,Cahoon LB,Mallin MA.Water column oxygen demand and sediment oxygen flux:pattern ofoxygen depletion in tidal creek[J].Hydrobiologia,2007,586(1):235-248.

[30]Fuchsman CA,Devol AH,Chase Z,et al.Benthic fluxes on the Oregon shelf[J].Estuarine Coastal&Shelf Science,2015,163: 156-166.

[31]Shim JG,Kang YC,Kang DJ,et al.Fluxes and budgets of biogenic elements at the sediment-water interface of Marian Cove,King Feorge Island[J].Antarctic Science,2011,23(4):358-368.

[32]Fuente ADL.Methodologyfor analyzingdissolved oxygen consumption in benthic chambers[J].Journal ofEnvironmental Engineering, 2014,141(7):1-11.

[33]Lundgren J，Glud RN,Revsbech NP,et al.Impact of microsensor-caused changes in diffusive boundary layer thickness on O2profiles and photosynthetic rates in benthic communities ofmicroorganisms[J].Marine EcologyProgress,1995,119(1-3):237-241.

[34]Reimers CE.An in situ microprofiling instrument for measuring interfacial pore water gradients:methods and oxygen profiles from the North Pacific Ocean[J].Deep Sea Research Part AOceanographic Research Papers,1987,34(12):2019-2035.

[35]Gust G,Booij K,Helder W,et al.On the velocitysensitivity(stirringeffect)ofpolarographic oxygen microelectrodes[J].Netherlands Journal ofSea Research,1987,21(4):255-263.

[36]Revsbech NP.An oxygen microelectrode with a guard cathode[J].Limnology&Oceanography,1989,34:474-478.

[37]Revsbech NP,Cohen Y.Microelectrode studies ofthe photosynthesis and O2,H2S,and pH profiles ofa microbial mat[J].Limnology& Oceanography,1983,28(6):1062-1074.

[38]Sweerts Jean-Pierre RA,B?r-Gilissen Marie-Jose,Cornelese AA,et al.Oxygen‐consuming processes at the profundal and littoral sediment‐water interface of a small meso‐eutrophic lake(Lake Vechten,The Netherlands)[J].Limnology&Oceanography,1991, 36(6):1124-1133.

[39]Wan JN,Zhao L,WeiVariable H.Variable diffusion boundary layer and diffusion flux at sediment-water interface in response to dynamic forcingover an intertidal mudflat[J].Science Bulletin,2012,57(13):1568-1577.

[40]Whalen WJ,RileyJ,Nair P.Amicroelectrode for measuringintracellular pO2[J].Journal ofApplied Physiology,1967,23(5):798-801.

[41]Revsbech NP,Ward DM.Oxygen microelectrode that is insensitive to medium chemical composition:use in an acid microbial mat dominated bycyanidiumcaldarium[J].Applied&Environmental Microbiology,1983,45(3):755-759.

[42]Heinze J.Elektrochemie mit Ultramikroelektroden[J].Angewandte Chemie,1993,105(9):1327-1349.

[43]Brendel PJ,Luther GWI.Development of a gold amalgam voltammetric microelectrode for the determination of dissolved Fe,Mn,O2, and S(-II)in porewaters ofmarine and freshwater sediments[J].Environmental Science&Technology,1995,29(3):751-761.

[44]WangC,Shan B,ZhangH,et al.Analyzingsediment dissolved oxygen based on microprofile modeling[J].Environmental Science and Pollution Research,2014,21(17):10320-10328.

[45]Andreas B,McGinnis DF,Bernhard W,et al.Intermittent oxygen flux from the interior into the bottom boundary of lakes as observed byeddycorrelation[J].Limnology&Oceanography,2008,53(5):1997-2006.

[46]Hume AC,Berg P,Mcglathery KJ.Dissolved oxygen fluxes and ecosystem metabolism in an eelgrass(Zostera marina)meadow measured with the eddycorrelation technique[J].Limnology&Oceanography,2011,56(1):86-96.

[47]Long MH,Koopmans D,Berg P,et al.Oxygen exchange and ice melt measured at the ice-water interface by eddy correlation[J]. Biogeosciences Discussions,2011,8(6):11255-11284.

[48]LongMH,BergP,Beer DD,et al.In situ coral reefoxygen metabolism:an eddycorrelation study[J].Plos One,2013,8(3):4422-4427. [49]BergP,RφyH,WibergPL.Eddycorrelation fluxmeasurements:The sediment surface area that contributes to the flux[J].Limnology &Oceanography,2007,52(4):1672-1684.

[50]Lorrai C,Mcginnis DF,Berg P,et al.Application of oxygen eddy correlation in aquatic systems[J].Journal of Atmospheric& Oceanic Technology,2010,27(9):1533-1546.

[51]Holtappels M,Glud RN,Donis D,et al.Effects oftransient bottomwater currents and oxygen concentrations on benthic exchange rates as assessed byeddycorrelation measurements[J].Journal ofGeophysical Research Oceans,2013,118(3):1157-1169.

[52]Mcginnis DF,Berg P,Brand A,et al.Measurements of eddy correlation oxygen fluxes in shallow freshwaters:Towards routine applications and analysis[J].Geophysical Research Letters,2008,350(4):222-256.

[53]Peterson JI,Fitzgerald RV,Buckhold DK.Fiber-opticprobeforin vivomeasurementofoxygen partialpressure[J].AnalyticalChemistry, 1984,56(1):62-67.

[54]Holst G,Grunwald B.Luminescence lifetime imagingwith transparent oxygen optodes[J].Sensors&Actuators B Chemical,2001,74 (1):78-89.

[55]姜子可.平面光極在沉積物—水界面的觀測應用研究[D].青島：中國海洋大學,2014.

[56]Glud RN,RamsingNB,Gundersen JK,et al.Planar optrodes:a newtool for fine scale measurements oftwo-dimensional O2distribution in benthic communities[J].Marine EcologyProgress,1996,140(1-3):217-226.

[57]Glud RN,TengbergA,Kühl M,et al.An in situ instrument for planar O2optode measurements at benthic interfaces[J].Limnology& Oceanography,2001,46(8):2073-2080.

Research on the In-Situ Observation Methods for Dissolved Oxygen Flux in the Benthic Boundary Layer

CUI Shang-gong1,YU Xin-sheng1,2,ZHAO Guang-tao1,2,ZHANG Xiao-dong1,2
1.College of Marine Geosciences,Ocean University of China,Qingdao 266100,Shandong Province,China;
2.Key Laboratory of Geosciences and Prospecting Techniques,Ministry of Education,Ocean University of China,Qingdao 266100, Shandong Province,China

The benthic boundary layer is the important region of intense transport of solutes and suspended particles and of diagenesis of deposited materials.This zone is of great significance to the study of the oceans, seas and lakes in terms of biology,chemistry,geology.The consumption rate of benthic dissolved oxygen is one of the important indicators of evaluatiing early mineralizing organic carbon.The dissolved oxygen also has strong influence on the cycling of elements.It is required to develop in-situ measurement of benthic dissolved oxygen flux to acquire consumption rates,to understand transport process mechanisms and to research the benthic ecosystem,pollution effects and biogeochemical process.Traditional dissolved oxygen measuring methods are limited in measurement due to low efficiency and accuracy.This report gives an overview of current state-of-theart techniques used for benthic oxygen measurement.The characteristics and limits of benthic chamber, microsensor profiler,eddy correlation and optode planar techniques are evaluated and contrasted to discuss the shortage and constraints of each obseving method,and to present future development directions.

dissolved oxygen;sediment-water surface;benthic chamber;microsensor profiler;eddy correlation; planner optode

P714

A

1003-2029（2017）02-0122-10

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.021

2017-01-18

國家自然科學基金資助項目（41276089；41176078）；國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2009AA09Z201）

崔尚公（1992-），男，碩士，主要從事海底觀測技術研究。E-mail:cui_sg@126.com

于新生，E-mail:xsyu@ouc.edu.cn