通過掩埋有機物，海草生態系統已被認為是大氣中碳的重要匯聚區。許多研究人員調查了各種條件下海草的長期生產力，但是所使用的技術（例如海草生物量添加技術）是費時破壞性的，并且不包括地下生產或沉積物代謝。本論文的研究人員利用歐拉控制體積、渦流協方差和生物量添加技術，研究了佛羅里達灣海草的營養和生產力梯度下的凈生態系統代謝。原位氧氣通量由一個側面長250 m的三角形歐拉控制體和中心的渦流協方差儀測定。生物質添加技術通過凈添加生物質來評估地上海草的生產力。比較了每種方法的時空分辨率，準確性和適用性。


在這項研究中，研究人員比較了生物量添加技術，歐拉控制容積技術和EC（渦動）技術，以監測美國佛羅里達海灣營養和生產力梯度上的海草生態系統代謝。比較了這些方法在分辨率和準確性上的差異，以及揭示出在不同時空尺度上測量的海草生態系統原位代謝的差異。發現渦流協方差技術（unisense水底渦動系統）具有最高的時間分辨率，同時產生準確的長期通量率，超越了在淺海海灣中使用的生物量添加和歐拉控制體積技術的能力。


unisense水底渦動系統的應用


渦動協方差（EC）技術通過使用unisense水底渦動系統中的關聯垂向速度和O2濃度的瞬時變化并整合這些變化隨時間的變化來確定底棲生物與上層水之間的O2交換。原位渦動協方差技術時間分辨率高（<1 h），能夠在大面積上整合（10s-100s m2），并且對各種不同的底棲系統具有適應性。EC儀器使用的是聲學多普勒測速儀，并通過皮安放大器與快速響應（<0.3 s）的Clark型O2微電極傳感器（unisense）結合。渦動系統儀器部署于海底，用于捕獲海底沉積物表面以上0.35-0.55 m（大約是海草冠層高度的兩倍）處的晝夜（24小時）波動，EC系統測試的底棲O2通量是由垂直速度和氧濃度瞬時變化的時間平均乘積在0.25小時間隔內確定的。


研究結果


盡管渦流協方差技術（unisense水底渦動系統）和歐拉控制體積方法都可能非常適合測量底棲O2通量和每日總代謝率的日變化，但EC方法可能更適合于估算整個晝夜周期內的凈O2通量。與渦流協方差技術（unisense水底渦動系統）技術相比，歐拉控制體積法仍然具有一些顯著的優點，包括能夠在更大的空間和更長的時間尺度上采樣，以及適用于幾乎任何可以在幾分鐘到幾小時內測量的溶質（相比之下，渦流協方差技術技術所需的時間不到一秒）。渦流協方差技術和歐拉法都將受益于新的傳感器，這些傳感器是專門設計的，具有高精度、高分辨率和快速響應時間的要求的原位測試方法，以及具有對生物淤積物的彈性的損傷。最后，對低流量沿海系統的水柱結構進行仔細的評估將大大提高對將來從EC或歐拉控制體積數據得出的凈產量的測量進行評估的能力。而歐拉控制體積法則具有一些例如能夠在更大的空間和更長的時間尺度上采樣，以及適用于幾乎任何可以在幾分鐘到幾小時內測量的溶質的顯著的優點。


實驗過程

圖1、美國佛羅里達州南端的佛羅里達灣的RKB、BA、Duck區域的位置圖。

圖2、所有渦度協方差（A、B和C）和歐拉控制體積（D、E和F）的逐時盒圖，每個站點在一天中的每小時O2通量數據。圖3e和3f中的數據減少是由于低電流速度減少了歐拉技術的響應時間（BA和DUCK監測點在3h間隔的通量率）。圖中的方框表示上四分位數和下四分位數，每個框中的線表示中位數，線表示第一個離群值，圓表示離群值。圖3e和圖3f中減少的數據是由于低流速減少了歐拉技術的響應時間(BA和Duck站點每隔3小時的通量率)。n是個體通量估計值的數量。PAR是測量期間內的平均光合有效輻射。

圖3、左圖顯示了通過渦度協方差技術和歐拉控制體積法得出的各部分的呼吸（R）速率。右圖通過渦度協方差和歐拉方法顯示了各個站點的總初級生產（GPP）率。從圖中可以看出，在對24小時內的EC（渦度協方差技術）通量進行積分顯示，GPP和R的速率在各個位點之間存在顯著變化。

圖4、通過渦動協方差，生物量添加和歐拉控容積法計算的各部位的凈代謝率。渦度協方差和生物量添加技術顯示了佛羅里達灣生產率梯度上的預期趨勢。生物質添加和渦流技術之間的比率&gt;2：1是因為生物質添加技術僅包含海草呼吸作用和地上生產，而渦旋協方差技術包含海草草甸中存在的所有生物。用歐拉技術測定的NEM速率有顯著差異，但在佛羅里達灣的營養梯度范圍內未顯示出預期趨勢。

圖5、渦流協方差測量主要受電流（左）和波動（右）的影響。垂直速度的光譜表明，這兩個電流流動為主的條件下（圖5A）和波為主的條件下（圖5 B）存在在不同的時間，這也與O2光譜一致（圖5 c和5 d）。所有光譜均顯示出定義明確的慣性子范圍，其特征是-5/3斜線。波浪主導的周期在0.5-1 Hz頻帶內顯示出明顯的波浪信號，表明表面波較小。電流主導周期中的累積共譜表明，在更寬的頻帶（0.002-0.9 Hz；圖5E）中，通量貢獻較大；而在波浪頻率中，以波浪為主的周期中，通量貢獻更大（圖5E、圖5


結論與展望


本論文主要討論了應用利用歐拉控制體積、渦流協方差（unisense渦動系統）和生物量添加技術，研究佛羅里達灣海草的營養和生產力梯度下的凈生態系統代謝。研究發現，在以往在各種條件下海草的長期生產率研究所使用的技術（例如海草生物量添加技術）是費時破壞性的，并且不包括地下生產或沉積物代謝。研究人員為了將短期生理反應與長期生理變化區分開，以最大可能的時間分辨率檢查這些變量及其之間的相互作用非常有用。因為較高的采樣頻率可以實現更高的數據密度可以在同一研究期間內在更廣泛的各種環境條件下測量海草新陳代謝的獨立速率。因此在原位條件下以快速測量的技術的應用有利于確定海草群落的代謝如何響應快速變化的環境條件。歐拉控制容積技術和渦度協方差（EC）技術是可以在相對較高的時間分辨率下（小時或更少的時間）測量原位條件下海草生態系統新陳代謝速率的兩種方法。但是歐拉技術必須部署在多個一晝夜周期中才能確定準確的凈新陳代謝速率，因為它會受到深度和/或流量限制所帶來的誤差和信號損失的困擾，很難確定空氣中氧氣（O2）的交換速度、高或極低的O 2飽和度，以及流量和光的快速變化。而渦度協方差技術（unisense渦動系統）具有最高的時間分辨率，同時產生準確的長期通量率的優勢。


渦動協方差（EC）技術主要是通過應用unisense水底渦動系統關聯垂向速度和O2濃度的瞬時變化并整合這些變化隨時間的變化來確定底棲生物與上層水之間的O2交換。原位渦度協方差技術（unisense渦動系統）的優點是時間分辨率高（<1 h），能夠在大面積上整合（10s-100s m2），并且對各種不同的底棲系統具有適應性。原位渦度協方差技術（unisense渦動系統），并與底棲腔和微剖面測量進行了比較，顯示出比這些標準方法更高的分辨率和準確性。通過對比這些方法，研究人員準確的發現了不同方法的分辨率和準確性上的差異，實現關于在不同時空尺度上測量的海草生態系統原位代謝的差異。


從整篇的論文研究內容因此可以看出，原位渦度協方差技術（unisense渦動系統）和歐拉控制體積方法都可能非常適合測量底棲O2通量和每日總代謝率的日變化，但是原位渦度協方差技術（unisense渦動系統）方法可能更加適合于估算整個晝夜周期內的凈O2通量。而歐拉控制體積法則具有一些例如能夠在更大的空間和更長的時間尺度上采樣，以及適用于幾乎任何可以在幾分鐘到幾小時內測量的溶質的顯著的優點。


這說明渦流協方差（unisense渦動系統）在海底海草床的氧通量研究方面具有非常好的應用前景，因為渦流協方差（unisense渦動系統）受益于新的傳感器，這些傳感器是專門設計的，可以滿足高精度、高分辨率和快速響應時間的要求的實驗方案的測試。