2.2沉積物-海水界面水母消亡模擬觀測


在室內模擬實驗的第1天和第2天，培養箱水面結了一層薄膜,海蜇的大小無明顯變化。第3天，海蜇塊的分解速率加快,培養箱水面形成一層膜,水體散發出一股惡臭味，表明大量的氨釋放到水體中，主要是微生物分解起著主要作用。第4天，隨著塊體逐漸變小,海水表面薄膜漸變成紅色,同時惡臭味加劇。第5天至第6天，海蜇塊體消失,水體中只剩一些絮狀體時,惡臭味逐漸變淡。室內模擬實驗的觀測表明，水母組織的分解過程一般需要4～6 d。

圖6沉積物-水界面剖面溶解氧分布的時間序列觀測結果


圖6是將切割的水母快放入觀測水槽后，從第1天至第5天期間沉積物-海水附件兩維溶解氧變化序列圖像。圖7是從圖6中的溶解氧兩維分布圖像中提取3.2 cm A處黑線的一維溶解氧垂直梯度變化。

圖7抽取黑線A處的溶解氧垂直梯度變化。


從圖6和7的溶解氧分布變化過程可以看出初期溶解氧滲透到沉積物表層的深度約為2～30 mm，在沉積物表層形成了一個厚度為2～30 mm的界面擴散邊界層(DBL)。在沉積物表面的上覆水區存在一個耗氧區域，高度約80～150 mm，這是因為在沉積物界面表層生存著大量的細菌和微生物，這些細菌和微生物的新陳代謝活動消耗水體中的氧，在上覆水區域內溶解氧較低，在上覆水區域到海水-空氣界面的區域內溶解氧的垂直分布呈飽和氧的分布，總體上剖面的垂直方向溶解氧的分布范圍為10～4 mg/L。


但是隨著水母組織的分解，在垂直方向上使得沉積物-海底附近的低氧區逐漸變成無氧區，同時消耗大量水體中的溶解氧，貧氧區在垂直方向上將逐漸向水體空間遷移，第3天使得水體空間呈現大面積的貧氧區，表明水母組織在降解過程中產生一系列的化學反應并消耗大量的溶解氧，形成局部范圍內大面積的貧氧區，改變了沉積物-界面及水體空間溶解氧的分布范圍。圖8是沉積物-水界面和沉積物-水界面上部15 mm處的水平方向溶解氧的分布變化的時間序列觀測結果，可以觀察到第2天在沉積物-水界面的水平方向溶解氧含量整體平均減少了3.5 mg/L,第3天沉積物-水界面就成為貧氧區域。在沉積物-水界面上部15 mm處，水平方向上溶解氧含量在整體水平方向整體呈下降趨勢，第1天平均下降6.8 mg/L，第2天下降2.5 mg/L，第3天下降3 mg/L。本模擬實驗表明水母組織在海底降解過程中，在兩天內可以使得沉積物-水界面附近從初期的低氧變為貧氧區，并且使得貧氧區由上覆水空降向水體空間整體遷移，在3d后可導致水體空間形成貧氧區。

((a)是沉積物-水界面(黑線B)的溶解氧水平分布，(b)是位于沉積物-水界面上15 mm處(黑線C)的溶解氧水平分布

圖8在沉積物-水界面(黑線B)和沉積物-水界面上部15 mm(黑線C)處的溶解氧水平空間分布


結合圖7和8的觀測結果可以看出，第1天內，沉積物-海水界面的溶解氧消耗速率為0.15 mg·L-1·h-1，第2天溶解氧的消耗速率增加為0.04 mg·L-1·h-1。在近海底的水體空間內，第1天的溶解氧消耗速率為0.28 mg·L-1·h-1，第2天為0.14 mg·L-1·h-1，第3天為0.13 mg·L-1·h-1，表明不同區域溶解氧的消耗呈動態分布，在第1天消耗溶解氧最高，使水體中的溶解氧梯度發改變；在第2天和第3天持續消耗水體中的溶解氧，在垂直方向上和水平方向上使得水體呈缺氧狀態；第4天在水體空間形成一個貧氧區，改變了海底區域的溶解氧分布體系。


模擬觀測結果表明，水母在消亡過程中的2～3 d內會導致沉積物-水界面空間的海水溶解氧發生劇烈變化，使得沉積物-海水界面附近海水溶解氧含量下降，形成嚴重缺氧區，并且缺氧區向水體空間擴散，如果大規模水母爆發，其消亡將改變依靠水體溶解氧相關的沉積物-海水界面附近的生物群的生存環境，可導致海底微生物群的缺氧而窒息死亡，對沉積物-海水界面附近生態環境造成嚴重的影響。


3結語


本文介紹了一種基于八乙基卟啉鉑和香豆素的光強比率測量傳感膜制備，該傳感膜在低溶解氧的測量中具有較好的靈敏度和穩定性。利用3CCD構建了基于比率法的兩維溶解氧觀測系統，該系統可以對沉積物-水界面的溶解氧兩維動態分進行實時觀測，其空間分辨率可達0.52 mm，為研究缺氧-有氧界面附近的動態變化過程提供了新的觀測手段。


在實驗室對水母在海底消亡過程進行了模擬觀測研究，觀測結果表明，在水母水母消亡前沉積物表面的上覆水區存在一個耗氧區域，高度約80～150 mm，在上覆水區域到海水-空氣界面的區域內溶解氧垂直分布呈飽和氧的分布。在置入水母的第16 h后，水母消亡將消耗溶解氧，使得沉積物-水界面溶解氧開始下降。在2～3 d內會導致沉積物-水界面空間的海水溶解氧發生劇烈變化，在沉積物-海水界面附近逐漸形成嚴重缺氧區。第1天內，沉積物-海水界面的溶解氧消耗速率為0.15 mg·L-1·h-1，第2天溶解氧的消耗速率為0.04 mg·L-1·h-1。在近海底的水體空間內，第1天的溶解氧消耗速率為0.28 mg·L-1·h-1，第2天為0.14 mg·L-1·h-1，第3天為0.13 mg·L-1·h-1，表明不同空間中溶解氧的消耗呈動態分布。


實驗結果表明,海蜇在消亡過程中的3～4 d內會導致沉積物-水界面垂直方向和水平方向上的海水溶解氧發生顯著變化，消耗大量的溶解氧并形成一個貧氧區，證明在大規模水母爆發區域，水母的消亡將對海底的生態結構和生存環境會產生嚴重的影響。