利用底界层中的溶质浓度梯度来揭示沉积物源汇动态：一项非侵入性的原位研究

《European Annals of Otorhinolaryngology, Head and Neck Diseases》：Use of solute concentration gradients in the benthic boundary layer to highlight sediment source-sink dynamics: a non-invasive in situ study

氧、营养物及痕量元素在底泥-水体界面（SWI）的浓度梯度时空变化特征及其环境适用性分析。通过在Berre、Thau、Prévost三处地中海潟湖部署BOGOS系统连续监测14天，结合SUSANE采样器在不同溶解氧条件（好氧、缺氧、厌氧、硫还原）下采集数据，揭示了底泥-水体界面通量动态规律：宏观藻类覆盖区呈现昼夜氧波动，裸露底泥区持续高氧消耗；缺氧条件下底泥释放Mn、Fe、Co等痕量元素，硫还原环境导致元素向底泥迁移，但营养物仍持续释放。研究明确了该方法在分层水体、强混合环境及低通量场景下的局限性，为后续湍流扩散参数补充提供依据。

　　在浅海沿岸环境中，氧、营养物质和污染物在沉积物-水界面的通量变化对于水体质量和生态系统状态具有重要影响。然而，这些通量的短期变化往往受到水动力条件和底栖生物地球化学过程的干扰，使得对其净平衡的评估变得复杂。因此，本文探讨了利用底栖边界层（BBL）中的浓度梯度来更好地理解这些通量变化的可能性。研究对象是三个受到缺氧事件影响的浅海地中海沿岸泻湖——Berre、Thau和Prévost泻湖，它们的水质状况存在显著差异。通过部署一种专门设计的底栖水采样器（SUSANE），在不同氧含量条件（好氧、缺氧、无氧、硫化）和昼夜循环下获取了多种溶质的浓度梯度数据。研究结果表明，浓度梯度方法在某些情况下具有局限性，尤其是在水体分层、强烈的水体混合或通量强度较低的环境下。此外，技术上的浓度不确定性也是需要考虑的因素。这种方法在捕捉不同底栖环境中的氧动态方面表现出色，例如在Prévost和Thau泻湖中，由大型植物群落覆盖的沉积物表现出明显的昼夜循环特征，而在Berre泻湖的裸露沉积物中则显示出较高的氧需求。在Berre泻湖中，浓度梯度还揭示了在长期无氧条件下，沉积物中营养物质和溶解态的锰、铁、砷、钴等元素在好氧条件下释放的现象。而在硫化条件下，大部分微量元素的浓度梯度方向发生了逆转，这可能是由于与硫化矿物的（共）沉淀作用导致的，但营养物质的浓度梯度仍然显示出持续的向水体释放趋势。因此，浓度梯度方法被认为是一种在高动态浅海沿岸泻湖中评估底栖通量动态的有前景手段。为了更全面地了解这些通量的变化，建议结合垂直湍流扩散系数的测量，以获得各种溶质的湍流通量时间序列。

沿海地区长期以来受到富营养化、污染和缺氧等现象的影响，这些因素导致了水体质量的下降和生态系统的退化。尽管通过控制流域的营养物质和化学物质输入，一些沿海区域的生态状况得到了改善，但许多区域仍然面临严重的退化问题。这一现象表明，沉积物在储存大量营养物质和污染物的同时，也成为了这些化学物质向水体扩散的重要非点源。此外，沉积物的底栖需氧量（或消耗）可能是导致沿海地区缺氧事件的关键因素之一。水体中的氧浓度是驱动表面沉积物中生物地球化学过程的重要因素，它影响着氧、营养物质和污染物在沉积物-水界面的传输方向、强度和性质。氧浓度的波动幅度和频率可能导致沉积物在相对较短的时间内从吸收者转变为释放者。由于对这些动态机制的理解尚不充分，目前难以准确评估沉积物在沿海地区化学预算中的作用，从而无法量化其对化学和生态退化的影响。因此，增强对沉积物-水界面溶质交换过程在适当时间尺度上的理解，对于揭示底栖生物地球化学循环和制定有效的环境管理策略至关重要。

近年来，浓度梯度方法在海洋区域被广泛用于评估水体与沉积物之间的化学交换过程。这种方法的优势在于其非侵入性，能够反映现场的实际情况。浓度梯度被认为可以直接揭示沉积物与水体之间溶质传输的方向。例如，负梯度（即红色曲线）表明溶质从沉积物向水体传输，可能是由于沉积物中的溶质生成或释放过程。而正梯度（即橙色曲线）则表明溶质从水体向沉积物传输，可能与溶质的消耗或去除有关。尽管在不同垂直分辨率和高度设置下，浓度梯度方法已被应用于多种溶质的测量，但这些研究大多集中在氧气上，对其他溶质如营养物质和微量元素（TE）的探讨相对较少。此外，这些研究大多未深入讨论浓度梯度的特征（如形状和强度）如何影响最终计算的通量值。更重要的是，这些方法在浅海沿岸环境中，尤其是在存在高短期变化的条件下，其适用性尚未得到充分探讨。

本文旨在通过详细评估氧气、营养物质和微量元素在底栖边界层中的浓度梯度，填补这一科学空白。研究对象是三个受到缺氧事件影响的浅海地中海泻湖——Berre、Thau和Prévost泻湖，它们的生态状况存在显著差异。研究的主要目标包括：（1）探讨浓度梯度方法在不同浅海沿岸环境中的适用范围；（2）利用该方法表征沉积物-水界面的昼夜氧动态；（3）分析营养物质和微量元素在不同水体氧含量条件下的交换情况。通过在这些泻湖中进行长期的观测和采样，研究人员能够更全面地理解浓度梯度方法在浅海沿岸环境中的表现及其局限性。这些泻湖的环境条件各不相同，例如水体的分层现象、风速的变化以及潮汐作用的影响，这些因素都可能对浓度梯度的形成和解释产生影响。因此，本文不仅关注浓度梯度本身，还探讨了如何结合其他参数（如湍流扩散系数）来提高对溶质通量的评估精度。

在研究过程中，研究人员在三个泻湖中部署了底栖氧梯度观测系统（BOGOS），持续记录了氧气浓度梯度的时间序列。此外，还使用SUSANE采样器在不同氧含量条件下获取了营养物质和微量元素的浓度梯度数据。这些数据的采集时间涵盖了不同的昼夜循环，使得研究人员能够捕捉到溶质通量的动态变化。在Berre泻湖中，研究人员发现浓度梯度的强度和变化模式与长期无氧事件后沉积物中营养物质的释放有关。而在Thau和Prévost泻湖中，浓度梯度则更多地反映了由大型植物群落覆盖的沉积物中发生的昼夜氧循环。这一发现表明，浓度梯度方法在不同底栖环境中的应用效果存在显著差异，需要根据具体的环境条件进行调整和优化。

此外，研究还发现，在某些情况下，浓度梯度可能无法准确反映底栖过程的通量变化。例如，在水体分层的情况下，不同水层中的溶质浓度可能不同，导致浓度梯度的出现并非源于沉积物的活性过程。这种情况在Berre泻湖中尤为明显，占观测数据的38%。这表明，在某些特定的环境条件下，浓度梯度方法可能会产生误导性的结果。因此，研究人员强调，在应用该方法时，必须充分考虑水体的分层情况、水体混合的强度以及溶质通量的大小。同时，技术上的不确定性也需要被重视，例如采样器的精度、数据的处理方法以及环境因素对测量结果的干扰等。

通过本研究，研究人员不仅揭示了浓度梯度方法在浅海沿岸环境中的适用范围和局限性，还提供了关于不同底栖条件下的溶质通量动态的详细信息。这些发现对于理解沿海地区的生物地球化学循环以及制定相应的环境管理策略具有重要意义。例如，在某些情况下，沉积物可能在好氧条件下成为营养物质的来源，而在缺氧或无氧条件下则可能释放更多的微量元素。这种动态变化可能对水体的化学平衡和生态系统的健康产生深远影响。因此，利用浓度梯度方法结合其他参数（如湍流扩散系数）进行综合分析，可以更准确地评估沉积物在沿海地区化学预算中的作用。

最后，本文还提出了未来研究的方向和建议。首先，需要进一步提高浓度梯度方法的精度和适用性，特别是在水体分层和高混合强度的条件下。其次，应加强对其他溶质（如营养物质和微量元素）浓度梯度的研究，以更全面地理解沉积物-水界面的化学交换过程。此外，结合垂直湍流扩散系数的测量，可以更有效地评估不同溶质的湍流通量，从而提高对底栖过程动态变化的理解。这些研究不仅有助于揭示浅海沿岸环境中的生物地球化学机制，也为环境保护和管理提供了科学依据。