近年來，由斯德哥爾摩大學等機構(gòu)組成的研究團隊借助丹麥KC-Denmark公司多通道蠕動泵，在波羅的海40米深站點實現(xiàn)了距海底0.5cm起的高分辨率分層水樣同步采集，第一次揭示了長期被常規(guī)監(jiān)測遺漏的底棲邊界層“隱藏性"缺氧現(xiàn)象，打破了該站點30年“持續(xù)充氧"的歷史記錄。

研究背景

海洋底層缺氧是沿海生態(tài)系統(tǒng)面臨的最嚴峻問題之一，但常規(guī)船載CTD和錨系傳感器因技術(shù)限制，無法在海底以上1m范圍內(nèi)進行可靠測量，更難以捕捉分鐘至小時尺度的劇烈波動。

波羅的海中部的Ask? B1站自1992年以來的月度監(jiān)測數(shù)據(jù)一直顯示底層水體處于常氧狀態(tài)（O₂>2 mg L^-1，約62.5 μmol L^-1），但該站點的沉積物富含有機質(zhì)，具有很高的耗氧潛力。研究團隊因此推測，真正的缺氧區(qū)域可能僅存在于沉積物-水界面以上數(shù)厘米的薄層內(nèi)，而常規(guī)監(jiān)測的采樣高度恰好無法觸及這一層。為了驗證這一假設(shè)，就需要一臺能夠在不擾動沉積物的前提下，從多個貼近底質(zhì)的高度同步采集水樣的設(shè)備。

丹麥KC-Denmark公司多通道蠕動泵（圖1）最大耐壓6000m，6/12/18通道可選，最高轉(zhuǎn)速10 rpm，單通道抽水能力可達14 mL/min。其主體采用AISI 316不銹鋼材質(zhì)，并可選配電池艙與編程觸發(fā)器，預設(shè)多達24個獨立采樣任務(wù)。正是其多通道獨立控制、低擾動采樣和與著陸器系統(tǒng)無縫集成的能力，使之成為該項研究的核心工具。

圖1 丹麥KC-Denmark公司12通道蠕動泵

研究過程

研究團隊于2019年6月在Ask? B1站（圖2）布放了一臺搭載垂直滑動CTD的多參數(shù)底棲著陸器，并集成了丹麥KC-Denmark公司12通道蠕動泵。泵的進水口分別設(shè)置在距海底0.5、2.5、2.8、4.4、5.8、7、9、12、15、22和56 cm共11個高度上。著陸器著底靜置30分鐘后，泵以極低流速將各層水樣同步注入采樣袋，避免交叉污染與沉積物擾動。

泵采水樣與每20分鐘一次的CTD剖面嚴格對齊，構(gòu)建238小時、613個剖面的數(shù)據(jù)集。水樣過濾稱重，建立濁度-TSS（總懸浮固體）校準曲線以量化再懸浮顆粒物。同步開展渦動相關(guān)通量、流速及實驗室沉積物實驗，解析缺氧驅(qū)動機制。

圖2 Ask? B1采樣站位

實驗結(jié)果

1. 缺氧層被精確定位：

泵在0.5 cm和2.5 cm高度采集的水樣中O₂濃度頻繁低于63 μmol L^-1，而4.4 cm及以上高度水樣的O₂濃度顯著回升（圖3，g-i），證明缺氧僅存在于海底以上4～5cm的狹窄薄層中。這一垂直范圍低于常規(guī)監(jiān)測的最小采樣高度（>1 m），解釋了長期數(shù)據(jù)失真的原因。

2. 再懸浮事件量化：

兩次高流速事件中，泵采水樣的TSS濃度飆升（圖3，j-l），結(jié)合校準曲線計算得出底棲邊界層內(nèi)顆粒物負荷增加了6.6±2.1 g m^-2，相當于表層6 mm沉積物被揚起。同步渦動相關(guān)數(shù)據(jù)表明，事件后O₂通量從-6.9增至-10.3 mmol m^-2d^-1，證實了再懸浮對耗氧的刺激。

圖3 g-i：底棲邊界層O₂剖面圖；j-l：底棲邊界層濁度剖面圖

3. 耗氧激增的實驗室驗證：

對泵采水樣處的沉積物核心進行實驗室模擬懸浮培養(yǎng)，顯示懸浮顆粒物耗氧速率達16.8～31.7 μmol g^-1 h^-1，而移除表層4 mm沉積物后，擴散耗氧從20.1升至39.5 mmol m^-2 d^-1（表1）。這些數(shù)據(jù)直接支撐了“再懸浮暴露還原性硫化物和有機物，顯著增強耗氧"的結(jié)論。

表1 沉積物擴散耗氧速率

研究結(jié)論

本研究證實：（1）波羅的海中部站點存在頻繁發(fā)生的底棲“隱藏性"缺氧，16%的剖面數(shù)據(jù)低于缺氧閾值，但常規(guī)監(jiān)測會漏報；（2）缺氧的短期波動由底棲邊界層內(nèi)水流輻合/輻散及再懸浮事件共同控制；（3）只有實現(xiàn)連續(xù)、高頻率、多高度同步采樣，才能準確評估海底生物的氧暴露風險。

丹麥KC-Denmark公司多通道蠕動泵在此次研究中展現(xiàn)了良好的多通道獨立控制能力、超低擾動采樣設(shè)計以及與復雜著陸器系統(tǒng)的兼容性，為精準定位薄層缺氧、量化再懸浮物質(zhì)通量提供了不可替代的技術(shù)支撐。其模塊化結(jié)構(gòu)也使其適用于更多近底邊界層生物地球化學研究場景。

參考文獻

1. Fredriksson, J. P., Attard, K., Stranne, C., et al. (2024). Hidden seafloor hypoxia in coastal waters. Limnology and Oceanography, 69(11), 2489–2501. doi:10.1002