海底边界层溶解氧通量原位观测技术方法研究

海底边界层是溶质和悬浮颗粒物在海床与水体间交换的重要场所,也是沉积物质的主要成岩作用区,对海洋、湖泊有着重要的生物、化学、地质学意义。底栖溶解氧消耗速率是评估早期碳矿化作用的重要指示剂,也是研究元素循环周转的重要指标。溶解氧通量原位监测技术是获取底栖溶解氧消耗速率、了解化学物质输运机制,进而研究底栖生态系统、环境污染影响、生物地球化学进程的重要手段。针对传统溶解氧观测方法在效率和准确度上的局限性,介绍了目前底边界层原位氧通量测量技术的发展现状,对包括底栖培养室、微电极剖面、涡动相关技术和平面光极系统在内的观测特点进行了对比分析,讨论了各自的不足与局限,提出了今后需要关注的改进方向。     

生物扰动下海底沉积物-水界面溶解氧二维观测方法

沉积物-水界面(SWI)是生物地球化学循环的主要界面,界面上溶解氧(DO)的分布实时测量对于了解生物扰动的复杂作用和生物地球化学循环过程有着重要意义。为了探索生物扰动作用对SWI微尺度溶解氧二维分布的影响作用,本文以八乙基卟啉铂为荧光指示剂,掺杂香豆素(Macrolex Yellow10GN)作为荧光素能量供体,以聚苯乙烯为基质制作了光学平面传感膜。以发光二极管(LED)为激励光源,结合彩色相机,构建了基于比率法的二维溶解氧观测系统,系统能够以0.36 mm的空间分辨率对SWI的溶解氧分布连续观测,实验室内的模拟实验结果表明,底栖沙蚕掘穴扰动可使局部沉积物溶解氧质量比提高3~4?g/g。该研究填补了国内基于比率法的平面光学溶解氧传感器研究领域的空白。     

北部湾南部海域近底悬沙输运及地貌演变

利用1个海洋沉积动力过程原位监测系统在北部湾南部浅海陆架海域采集了18个潮周期的波浪、潮流、悬浮沉积物浓度、底床变化数据,分析了悬沙浓度变化特征,计算了近底悬沙通量并分析了潮流和波浪对底床演变的影响,结果表明:观测期间近底悬沙浓度的变化主要受水位波动、潮流的共同影响,波浪作用较弱;悬沙浓度的异常高值可能是上游沙波表面的泥沙滑落沉降所致;观测期间悬沙通量的波动规律与近底潮流速度变化一致,潮周期和涨落潮之间的悬沙通量有显著差别;在潮流作用下观测期间悬沙向西的净输运量约为15 158 kg/m,向北净悬沙通量为2 934 kg/m,东西向净通量远大于南北向净通量;近东西向波谷地形对南北向悬沙输运的限制作用可能导致了输运通量的显著差异;底床高程的变化在潮周期之间有差异,变化值在0.8~16.7 cm之间波动,厘米级底床高程的快速变化主要是由潮流流速的大小及往复潮流的不对称性造成的。这种变化可能与沙纹的运移有关,沉积物向下游方向的运移以及沙纹剖面形态的改变可以较合理地解释底床高程的变化特点。     

北部湾南部海域近底悬沙输运及地貌演变

利用1个海洋沉积动力过程原位监测系统在北部湾南部浅海陆架海域采集了18个潮周期的波浪、潮流、悬浮沉积物浓度、底床变化数据,分析了悬沙浓度变化特征,计算了近底悬沙通量并分析了潮流和波浪对底床演变的影响,结果表明:观测期间近底悬沙浓度的变化主要受水位波动、潮流的共同影响,波浪作用较弱;悬沙浓度的异常高值可能是上游沙波表面的泥沙滑落沉降所致;观测期间悬沙通量的波动规律与近底潮流速度变化一致,潮周期和涨落潮之间的悬沙通量有显著差别;在潮流作用下观测期间悬沙向西的净输运量约为15 158 kg/m,向北净悬沙通量为2 934 kg/m,东西向净通量远大于南北向净通量;近东西向波谷地形对南北向悬沙输运的限制作用可能导致了输运通量的显著差异;底床高程的变化在潮周期之间有差异,变化值在0.8~16.7 cm之间波动,厘米级底床高程的快速变化主要是由潮流流速的大小及往复潮流的不对称性造成的。这种变化可能与沙纹的运移有关,沉积物向下游方向的运移以及沙纹剖面形态的改变可以较合理地解释底床高程的变化特点。     

长江口及邻近陆架海区夏季小型底栖动物群落结构研究

根据2006年7月13日至8月30日在长江口及邻近陆架海区采集的小型底栖动物样品,对小型底栖动物类群组成,丰度、生物量的水平分布和垂直分布以及调查海区的环境因子进行了研究。结果表明：研究海域小型底栖动物有线虫、桡足类、多毛类、寡毛类、介形类、螨类、双壳类、腹毛类、动吻类、端足类和等足类等11个类群及无节幼体等。平均丰度为453.22±355.34 ind/10 cm2,最优势类群为线虫,占小型底栖动物总丰度的81.37%,次优势类群分别为底栖桡足类和多毛类,分别占小型底栖动物总丰度的10.13%和2.96%。平均生物量为622.65±505.07 μg/10 cm2,生物量占比最高的类群为多毛类,占总生物量的30.21%,其次分别为线虫和寡毛类,分别占小型底栖动物总生物量的23.69%和19.44%。水平分布上,从河口冲淡水区到东海陆架深水区,小型底栖生物丰度呈现由低到高的变化趋势,杭州湾小型底栖动物丰度为240.96±223.47 ind/10 cm2,长江口近岸区为442.91±304.16 ind/10 cm2,东海陆架深水区为865.42±553.88 ind/10 cm2。垂直分布上,小型底栖动物主要分布在0~2 cm层,丰度为290.28±250.03 ind/10 cm2;其次是2~5 cm层,丰度为132.81±128.74 ind/10 cm2;5~10 cm层分布最少,丰度为30.14±31.91 ind/10 cm2。其中线虫、多毛类、寡毛类与桡足类等主要类群的垂直分布与总分布趋势相同。与环境因子进行相关分析表明,调查海区小型底栖动物的丰度主要与水深、盐度和溶解氧显著相关,对小型底栖动物分布影响最大的环境因子组合为溶解氧和盐度。     

潮水影响下苏北海岸带盐沼DMS通量变化特征研究

海岸带盐沼是全球生物地球化学循环的重要的一环,对全球气候变化也产生深远影响。2013年7月(生长季)和2013年12月(非生长季)在中国江苏省盐城海岸带盐沼湿地采用静态箱技术原位测定DMS的通量。结果表明,盐城海岸带盐沼湿地整体上表现为DMS的源。植被带及光滩上,互花米草带具有最高的DMS排放率38.06±8.97mg·m~(-2)·d~(-1);距离潮沟远近上,潮沟内DMS通量0.35±0.11mg·m~(-2)·d~(-1)远小于近潮沟10.30±5.09mg·m~(-2)·d~(-1)与远潮沟9.57±4.04mg·m~(-2)·d~(-1)DMS通量;非生长季DMS通量14.31±5.80mg·m~(-2)·d~(-1)高于生长季的DMS通量5.56±2.63mg·m~(-2)·d~(-1)。地上植被及其残留根系、潮水的周期性变化均影响DMS的通量大小。     

胶州湾沉积物-海水界面溶解无机氮的迁移特征及其影响因素解析

采用实验室培养法,在原位温度和溶氧条件下,研究了夏、冬季胶州湾沉积物-海水界面溶解无机氮(DIN)的迁移特征。结果表明,夏、冬季胶州湾沉积物-海水界面DIN主要以NO_3-N和NH_4-N的形态进行交换,夏季胶州湾沉积物表现为水体DIN的源,其交换通量为1.64×10~9 mmol/d,可以提供维持初级生产力所需氮的39.3%;而冬季沉积物表现为DIN的汇,其交换通量为–2.12×10~8 mmol/d。利用相关分析和主成分回归分析,研究界面不同形态DIN交换速率和底层环境因子的关系,结果表明,夏季胶州湾沉积物-海水界面DIN的交换主要受沉积物中有机质的矿化、底栖藻类的同化作用和扩散过程共同调控,而冬季则主要受内源有机质的矿化、底栖藻类的同化作用、吸附-解吸和扩散过程共同调控。     

大型绿藻爆发对砂质潮间带小型底栖动物群落的影响

于2012年6月10日浒苔爆发早期、2012年7月26日浒苔大量爆发期及2012年9月18日浒苔消退后在青岛太平湾砂质潮间带开展小型底栖动物的采样调查,讨论大型绿藻爆发对小型底栖动物群落结构及分布的影响。本研究共鉴定15个小型底栖动物类群,海洋线虫占据绝对优势(69.3%~97.9%),其次为桡足类(0.2%~18.7%)和涡虫类(0.2%~17.5%)。在浒苔爆发早期,小型底栖动物的平均丰度为(1036.5±788.6)ind.10cm-2;在浒苔大量爆发期平均丰度为(815.3±492.3)ind.10cm-2;在浒苔消退后平均丰度为(864.7±380.9)ind.10cm-2。浒苔大量爆发使海洋线虫优势度增加,桡足类比例降低,对小型底栖动物群落数量及结构的影响因潮带不同而具有差异。总体而言,浒苔爆发的影响最先表现为使具有良好暴露程度的中潮带和高潮带小型底栖动物丰度降低,对低潮带小型底栖动物丰度的影响不明显。高潮带海洋线虫丰度在浒苔爆发期显著低于消退后,以深层分布为主;浒苔消退后恢复表层、次表层分布为主。表明浒苔爆发期线虫主要可通过垂直迁移迁出受胁迫的环境;浒苔消退后,通过水平和垂直迁移迅速进入恢复后的环境。与此相反,高潮带桡足类在浒苔大量爆发时显著增加,并以深层分布为主,与生存竞争压力降低和浒苔附植桡足类的补充有关。本研究结果显示小型底栖动物丰度与沉积物叶绿素浓度有着显著的正相关性,而浒苔的爆发正是造成叶绿素浓度变化的主要原因。此外,浒苔爆发还可通过影响沉积物溶解氧含量最终对小型底栖动物产生负面影响。     

基于223Ra和224Ra的桑沟湾海底地下水排放通量

海底地下水排放（SGD）是陆地向海洋输送水量和营养物质的重要通道之一,对沿海物质通量及其生物地球化学循环有重要的影响,对生态环境起着不可忽视的作用。本文运用天然放射性同位素223Ra和224Ra示踪估算了我国北方典型养殖基地桑沟湾的海底地下水排放通量。结果表明,海底地下水样尤其是间隙水中Ra活度[224Ra=（968±31）dpm/（100 L）,223Ra=（31.4±4.9）dpm/（100 L）,n=9]远高于表层海水[224Ra=（38.7±2.0）dpm/（100 L）,223Ra=（1.70±0.50）dpm/（100 L）, n=21]。假设稳态条件下,考虑Ra的各源、汇项,利用Ra平衡模型,估算出桑沟湾SGD排放通量为（0.23~1.03）×107 m3/d。潮周期内的观测结果显示,涨潮时,水力梯度较小,SGD排放变弱,落潮时,水力梯度较大,导致了相对较多的SGD排放。在一个潮周期间,基于223Ra和224Ra得到的SGD排放通量平均为0.39×107 m3/d。潮汐动力下的SGD排放平均占总SGD排放的61%,因此桑沟湾沿岸的地下水排放主要受潮汐动力的影响,并对海水组成及海陆间物质交换有显著贡献。     

波流耦合下保守污染物迁移扩散的模拟研究

基于三维潮流和谱波浪模型,以及输移扩散模型和拉格朗日粒子追踪模型,构建了波流耦合下保守污染物的迁移扩散模型。模型基于非结构化网格,对近岸复杂岸线有很好的拟合,可用于大范围波流耦合计算。运用所建的耦合模型研究了旅顺港内外的潮流变化、波生流场、保守污染物输移、粒子运动、以及新水道对湾内污染物迁移的影响,模拟的潮流场与实测数据吻合较好。结果表明:潮流会在湾内近湾口处形成一逆时针涡,波浪对湾内影响较小,但波生流会改变湾口流场分布;在湾内处于涡中的水体潮流自净能力较强,而湾中及湾底则较弱,SE向波浪会降低湾内水体的自净能力;新潮流通道的开挖,会显著改善水体的自净能力,尤其对湾底浅水区域作用明显。     

桐花树红树林潮滩近底层悬沙浓度垂向剖面变化特征分析*

观测红树林潮滩在波浪和潮流作用下的近底层垂向剖面悬沙浓度变化过程, 对理解海岸带植被的消能促淤机制和滨海湿地生态修复工程有着重要作用。本文以北部湾七星岛岛尾桐花树红树林潮滩为例, 基于剖面流速仪HR、声学多普勒单点流速仪ADV、浪潮仪T-wave及剖面浊度仪ASM, 获取了研究区域2019年夏季大潮连续3天的水文数据, 同时结合桐花树典型植株实测参数, 分析了潮周期内红树林潮滩近底层垂向剖面悬沙响应波浪、潮流作用及桐花树空间结构的运动过程。结果表明: 1) 桐花树潮滩近底层悬沙浓度和悬沙通量具有涨潮明显大于落潮的潮汐不对称现象, 剖面垂向高悬沙浓度区域在涨潮初期—涨急由距底部0.1~0.37m转变为距底部0.5~0.67m, 落急—落潮末期则由上部转变为下部; 2) 潮周期内悬沙起动和再悬浮阶段发生在以波浪作用主导的涨潮初期和落潮末期, 平流和沉降发生在以潮流作用为主的涨急至落急整个阶段; 3) 涨潮阶段桐花树冠层的茂密枝叶通过减缓流速拦截多于冠层上部40%以上的悬沙, 落潮水体则挟沙自陆向海经过桐花树群落, 使得悬沙浓度下降超过71%。该不对称涨、落潮动力沉积机制有利于悬沙向岸输运, 促进潮滩扩张过程。     

大型底栖动物污染指数在乐清湾潮间带环境质量评价中的应用

采用大型底栖动物污染指数对乐清湾生态监控区2004~2006年潮间带环境质量的现状和变化趋势进行了分析,结果表明:2004~2006年监控区潮间带环境质量基本稳定,6个潮间带断面所在海区环境质量由好到差依次为浦歧、清江口、百亩礁、龙湾、西门岛和黄华海区,各海区高、中、低3个潮带的环境质量有一定的变化趋势,中、低潮带的环境质量明显好于高潮带。与潮间带邻近海域的水质状况进行的比较表明,MPI法的潮间带环境质量评价不如化学指标法灵敏,且评价结果存在滞后性。虽然MPI法是纯粹的数值计算法,不能准确反映群落内关键生态信息,在使用过程中有时还需借助生物、生态知识进行结果的修正,但是这种将图形数字化的生态评价方法降低了对评价人员专业要求的门槛,适应数字化平台的数据管理,因而较其它方法具有计算简便、易于掌握的优势。     

三沙湾夏季底边界层动力过程及悬沙输运特征

基于2018年8月福建三沙湾湾内外共两个定点站位的船基和座底三脚架观测数据,研究了三沙湾底边界动力过程及悬沙输运特征。结果表明,三沙湾湾内湾外两个站位均表现出涨落潮历时相近但涨落潮流速明显不对称的现象,即湾内涨潮流速大于落潮流速,湾外则相反。湾内水体受淡水输入影响较大,表现出落潮期间显著的温盐层化,而涨潮期间水体混合良好;湾外水体受淡水影响不明显,表现为水体温度主导的层化。通过对底边界层动力过程的分析表明,湾内(距底0.75m)、湾外(距底0.50m)站位底边界层的平均摩阻流速分别是0.016m/s、0.013m/s,且两个站位拖曳系数基本相等(2.03×10^–3),表明在相同流速下湾内站位的底部切应力更大,近底沉积物再悬浮和搬运相对湾外站位更为显著。因此观测期间悬沙浓度最大值出现在湾内站位,为109mg/L,且悬沙在垂向上的分布可达上层水体;湾外站位悬沙浓度更低,并且底部悬浮泥沙仅能影响至距底5m的水体。悬沙通量机制分解结果表明,三沙湾夏季的潮周期单宽悬沙从湾外向湾内方向净输运,湾内站位向湾内方向净输运74.88 g/(m·s),平流输沙占主导作用,贡献率41....     

海底沉积物-水界面溶解甲烷渗漏通量原位观测研究进展

海底沉积物-水界面溶解甲烷渗漏不仅是海底天然气水合物的存在标志和分解释放途径,也是冷泉生物群落的物质和能量来源,因其对海洋环境乃至全球变化的可能重要影响而日益引起人们关注,而海底原位观测及渗漏甲烷通量估算是理解上述问题的关键。目前国际上有两种较为成熟的海底甲烷通量观测方法:1流体渗漏速率原位测量配以室内甲烷浓度分析;2底栖室流体连续取样配以室内甲烷浓度分析,前者能灵敏反应冷泉渗漏速率的时序变化,而后者具有较高的甲烷通量测量准确度。随着甲烷传感器技术的发展,原位测量方法将大大提高甲烷通量测量精度、时间和分辨率。在可移动式观测平台上搭载甲烷传感器,同时进行近海底界面微尺度甲烷浓度梯度测量和湍流观测,不仅能够精细刻画近海底甲烷浓度变化、渗漏通量变化,并且非封闭环境能够最大限度地避免沉积物-水界面遭受扰动,使观测数据更接近海底真实环境,这成为未来海底原位观测的主要发展方向之一。除此之外,特征冷泉生物群落的分布已被广泛应用于将个别测量站位的观测结果扩展到整个区域的甲烷渗漏流量估算。目前,国外学者已经对部分典型海底冷泉区进行了渗漏甲烷通量估算,发现每个渗漏系统每年通过溶解形式向海水释放甲烷量约为6×103~1.35×107 mol,并且甲烷渗漏在时间上和空间上都是多变的,但还没能将单个冷泉系统的通量估算延伸到更大的时空尺度,这成为深入研究海底甲烷储库及其在全球碳循环和气候变化中的作用的瓶颈之一。     

基于原位观测的胶州湾沉积物侵蚀再悬浮过程研究

海洋动力作用下,河口海岸地区海床通常处于动态变化之中。作为地质环境的控制因素,海床沉积物侵蚀再悬浮过程的研究具有重要意义。为阐明胶州湾海域水动力条件对海床侵蚀再悬浮的作用,本文利用海底原位观测三脚架进行了现场观测。观测结果显示：通常条件下,潮流导致的最大海床剪应力可达0.35 N/m²,高于波浪引起的剪应力。涨潮期间,海床发生侵蚀;退潮期间,海床发生淤积。风速达到5 m/s时,波浪引起的剪应力近似等于流致剪应力。风速达到7 m/s时,有效波高为26 cm,波浪对海床侵蚀再悬浮过程起主要作用;此时也会导致海水浊度显著上升,高于通常条件下的2-8倍。分析表明：通常条件下,周期性海流影响海床侵蚀再悬浮过程;而大幅度沉积物再悬浮过程由偶发的波浪事件控制。针对胶州湾沉积物动力学机制的深入研究仍待进一步开展。     

三亚湾沙滩小型底栖动物时空异质性及影响因素

于2015年12月和2016年6月对海南省三亚市三亚湾沙滩进行了冬夏两季的采样调查,对小型底栖动物及其沉积环境进行了研究,探讨了小型底栖动物的丰度、生物量和群落的时空变化及其与环境变量的关系。共鉴定出小型底栖动物类群12个,优势类群为海洋线虫类与底栖桡足类(二者占总丰度92.01%);小型底栖动物的平均丰度为223.59±304.74 ind·10 cm^-2,平均生物量为164.37±245.87μg·dwt·10 cm^-2。小型底栖动物的丰度、生物量、多样性和类群组成在潮区间、断面间差异均不显著,在不同季节间差异显著。相关分析(Pearson)表明,小型底栖动物丰度与中砂和粉砂-粘土含量显著相关。生物环境分析(BIOENV)表明,间隙水温度、pH值、有机碳含量、分选系数和粗砂含量的环境因子组合能最好地解释三亚湾沙滩小型底栖动物的群落结构。研究结果可为沙滩小型底栖动物的生态学深入研究提供基础数据,也可为全球气候变化背景下沙滩的保护、开发和利用提供科学依据。     

北黄海冷水团对小型底栖动物时空分布的影响

2011—2014年春夏季和秋冬季于北黄海冷水团及其周边海域进行采样,对小型底栖动物丰度、生物量、类群组成和群落结构的时空分布特征及其与环境因子的关系进行了研究。结合908专项调查,以多年数据分析探究冷水团对小型底栖动物的生态效应。调查海域共鉴定出小型底栖动物20个类群,总丰度中线虫占85%,桡足类占11%,其它类群仅占4%。小型底栖动物在春夏季和秋冬季的平均丰度分别为(961±797)、(679±553)ind/10cm2,平均生物量分别为(1 007±753)、(658±401)μg dwt/10cm2。三因素方差分析(three-way ANOVA)和二因素相似性分析(two-way ANOSIM)结果表明小型底栖动物丰度、生物量和群落结构在冷水团中心及其周边以及在春夏季和秋冬季之间皆有显著差异。群落结构的差异主要由桡足类、动吻类和介形类引起。Pearson相关分析表明丰度和生物量与底温呈显著负相关,与底盐呈显著正相关。小型底栖动物丰度、生物量与有机碳水平分布规律相反。93%的小型底栖动物分布在沉积物0~5cm层,桡足类在0~2cm层分布率高于小型底栖动物平均水平。     

青岛唐岛湾潮间带沉积物粒度及水动力

唐岛湾为半封闭狭长型海湾,水动力条件复杂。对湾内潮间带沉积物进行定点定时取样,并进行粒度测试。分析表明:沉积物以砂和粉砂质砂为主,分选较差,偏度正偏,呈宽峰态;概率累积曲线以两跳一悬式为主。利用粒级—标准偏差曲线研究现代沉积,沉积物中粒径158.6μm的组分受潮流影响显著,158.6~369.1μm和369.1μm的粒级组分则分别代表波浪和强水动力如风暴浪等的作用;且通过对各粒径组分的分析认为,粒径158.6μm的组分中潮汐作用的月周期性最为明显。在狭长型海湾中,潮流水动力强度可能并不大。最后结合相关资料,对唐岛湾内潮坪沉积、潮沟变化及沉积物冲淤变化进行了分析,以期对半封闭狭长型海湾潮间带沉积水动力研究及实施海岸带保护提供基础资料。     

黄河三角洲海底土波致再悬浮研究

在现代黄河三角洲采集土样,制备室内水槽试验的底床,施加波浪作用,观测波致悬沙含量的变化规律,分析不同波高、作用时间对单位面积底床再悬浮量的影响,及波浪停止作用后悬浮泥沙的静水沉降规律。研究发现,在水深一定条件下底床再悬浮量呈现随波高增大而增大的特性,两者线性拟合的相关性很好;在一定波高的波浪连续作用下,约5 000~6 000个波周期底床再悬浮过程完成;在波浪作用初始阶段底层悬沙含量与中上层的相差很大,悬沙含量垂线结构呈斜线型,稳定阶段的悬沙浓度垂向结构呈准直线型,底层与表层含沙量比值为0.98~1.25,整个水层含量分布均匀;静水沉降过程中当悬沙含量大于1 g/dm3,悬沙含量(SSC)呈现出随时间指数衰减的规律,悬沙浓度与沉降通量呈线性关系。研究结果对认识黄河水下三角洲泥沙运移规律具有一定的科学意义。     

双台子河口砂质潮间带小型底栖动物的群落结构及其对环境的响应

潮间带是典型的陆海交互区,其生物群落及其环境具有典型性特征。海洋小型底栖动物具有极高的群落多样性和环境适应性,但是其时空分布特征以及与环境因子的关系研究具有区域局限性。2017年春季(5月)、夏季(8月)和秋季(10月)于我国纬度最高的双台子河口潮间带,布设7个断面,21个站位,进行了小型底栖动物和沉积环境的定量采样与分析。共检获7个小型底栖动物主要类群,总平均丰度和生物量分别为(3530±1474)ind./10cm2和(1836.5±976.3)μgdwt/10cm2,其中海洋线虫为最优势类群,平均丰度和生物量分别占96.6%和72.1%,其次是双壳类和桡足类。丰度/生物量的季节波动小,自陆向海略呈降低趋势(高位≥中位低位),统计分析表明其与中值粒径和和叶绿素a含量显著相关。小型底栖动物群落受季节和潮位影响显著, Bio-env分析显示相关性最高的环境因子组合为沉积物中值粒径、叶绿素和脱镁叶绿酸含量。海洋线虫与桡足的比值(N/C)评估显示该区域存在有机污染,且研究区西部最严重,与同区有机污染物的环境评价结果较为一致,说明其在生物监测中具有重要意义。