地球科学进展

地球科学进展 ›› 2023, Vol. 38 ›› Issue (3): 236 -255. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.001

综述与评述 上一篇    下一篇

海洋沉积物溶解氧消耗研究进展
郑旻 1( ), 罗敏 1 , 2( ), 潘彬彬 1, 陈多福 1   
  1. 1.上海深渊科学工程技术研究中心，上海海洋大学 海洋科学学院，上海 201306
    2.青岛海洋科学 与技术试点国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室，山东 青岛 266061
  • 收稿日期:2022-08-08 修回日期:2022-12-07 出版日期:2023-03-10
  • 通讯作者: 罗敏 E-mail:fsl_a@sina.com;mluo@shou.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金面上项目“马里亚纳海沟和新不列颠海沟深渊海底沉积物孔隙水溶解有机质特征及来源”(42176069);上海市青年科技启明星计划“深渊海底沉积物溶解有机质荧光光谱特征研究”(21QA1403700)

Research Progress of Oxygen Consumption in Marine Sediments

Min ZHENG 1( ), Min LUO 1 , 2( ), Binbin PAN 1, Duofu CHEN 1   

  1. 1.Shanghai Engineering Research Center of Hadal Science and Technology, College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China
    2.Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266061, China
  • Received:2022-08-08 Revised:2022-12-07 Online:2023-03-10 Published:2023-03-21
  • Contact: Min LUO E-mail:fsl_a@sina.com;mluo@shou.edu.cn
  • About author:ZHENG Min (1994-), male, Shanghai City, Master student. Research area includes early diagenesis of marine sediments. E-mail: fsl_a@sina.com
  • Supported by:
    the National Natural Science Foundation of China “Characteristics and sources of dissolved organic matter in seafloor sediments of the Mariana and New Britain Trenches”(42176069);Shanghai S & T Youth Rising-star Program “Fluorescence spectrum characteristics of dissolved organic matter in hadal sediments”(21QA1403700)
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海底沉积物—水界面的耗氧通量是海底沉积物有机质矿化速率的重要表征参数，因此，开展沉积物耗氧特征的研究有助于了解整个海洋的碳循环过程。目前，海洋沉积物耗氧测量的主流方法包括溶解氧浓度微剖面法、底栖培养箱法以及涡度协方差技术。其中，新兴的涡度协方差技术是一种非侵入式且能反映较大范围内溶解氧通量的测试方法，具有很强的应用前景。从全球来看，大部分海域的海底耗氧通量主要受水深和初级生产力的控制，海底扩散耗氧通量和总耗氧通量均随着水深的增加而显著降低，且海底扩散耗氧通量与总耗氧通量的比值随水深增大逐渐趋近于1，这主要是由底栖生物量及其对海底耗氧的贡献随水深增大而显著降低引起的。尽管海底耗氧观测已开展了逾半个世纪，但海底原位数据仍然十分匮乏，尤其是在深海和一些极端海洋环境，且目前大量实测数据依然以短时间内的单点监测为主。在全球变暖和人类活动对海洋环境和生态系统影响日益增长的大背景下，开展高精度、长时序的海底原位耗氧观测将是今后重要的发展趋势。

关键词: 溶解氧, 氧通量, 碳循环, 早期成岩作用, 生物地球化学

Benthic O2 uptake is a robust proxy for organic matter mineralization in marine sediments. Therefore, studying sediment oxygen consumption is conducive to understanding the global marine carbon cycle. Three approaches are commonly used to measure oxygen consumption at the SWI: oxygen microprofiling, benthic incubation, and the eddy covariance technique. The emerging eddy covariance technique is a non-invasive approach that can measure benthic O2 flux on a relatively large scale, and thus has wide application. Globally, benthic oxygen consumption is controlled by water depth and primary productivity in surface water. In addition, benthic diffusive oxygen uptake and total oxygen uptake decreased significantly and their ratios approached 1 with increasing water depth. This was mainly caused by the substantial decrease in benthic biomass and resulting benthic oxygen consumption with increasing water depth. Despite more than half a century of observations of benthic oxygen consumption, in-situ data remain scarce, especially in deep-sea and extreme marine environments. A large amount of measured data are still single-point observations within a short time period. Against the background of global warming and the increasing impact of human activities on marine environments and ecosystems, it is necessary to conduct high-precision and long-term in situ observations of benthic oxygen consumption globally.

Key words: Dissolved oxygen, Oxygen flux, Carbon cycle, Early diagenesis, Biogeochemistry.

中图分类号: 

图1 海底沉积物有机质早期成岩过程示意图（据参考文献［ 7 ］修改）
Fig. 1 The schematic diagram of key early diagenetic processes of organic matter in marine sediments （modified after reference ［ 7 ］）
图2 溶解氧微剖面法示意图
（a）微剖面法应用示意图；（b）福斯湾实测的氧气微剖面 ［ 18 ］，红色标记为溶解氧浓度测量值，蓝色虚线代表沉积物—水界面处的溶解氧浓度梯度，黄色背景为PROFILE软件模拟计算的单位体积耗氧速率剖面
Fig. 2 The schematic diagram of oxygen micro-profiling
（a） The schematic diagram of application of micro-profiling； （b） Micro-profiling of O 2 at Golfe de Fos ［ 18 ］， red dots indicate the measured value of Dissolved Oxygen （DO） concentration， blue dotted line indicates the Dissolved Oxygen （DO） concentration gradient at the sediment-water interface， yellow background indicates the volume-specific Dissolved Oxygen （DO） consumption calculated by PROFILE
图3 非原位与原位测量的扩散耗氧通量和氧气穿透深度比值与水深相关图［ 9 ］
Fig. 3 Relationship between the ratios of Diffusive Oxygen Uptake （DOU） to Oxygen Penetration Depth （OPD） measured ex-situ and in-situ and water depths［ 9 ］
图4 培养箱法测量总耗氧通量示意图
（a）培养箱法应用示意图；（b）测量结果示意图
Fig. 4 The schematic diagram of Total Oxygen Uptake （TOU） measurement by a benthic chamber
（a） The schematic diagram of benthic chamber incubation； （b） Schematic diagram of measurement results
图5 海底沉积物耗氧组成
Fig. 5 Components of sediments oxygen consumption
图6 总耗氧通量和扩散耗氧通量与水深关系图（据参考文献［ 7 ］修改）
（a）总耗氧通量和扩散耗氧通量分别与水深关系；（b）总耗氧通量和扩散耗氧通量的比值与水深关系
Fig. 6 Relationship between Total Oxygen Uptake （TOU），Diffusive Oxygen Uptake （DOU） and water depths （modified after reference ［ 7 ］）
（a） Total Oxygen Uptake （TOU） and Diffusive Oxygen Uptake （DOU） plotted against the water depth； （b） The ratio between Total Oxygen Uptake （TOU） and Diffusive Oxygen Uptake （DOU） plotted against water depth
图7 涡度协方差技术示意图
Fig. 7 The schematic diagram of the eddy covariance system
图8 生物扰动示意图
（a）氧化沉积物因氧化铁呈棕色，还原沉积物因铁硫化物而呈深灰色；受生物扰动之前（a）与之后（c）沉积物照片 ［ 10 ］；受生物扰动之前（b）与之后（d）溶解氧浓度剖面 ［ 78 ］
Fig. 8 The schematic diagram of bioturbation
（a） Oxic sediment is brown due to iron oxides. Reducing sediment is dark gray due to iron sulfide；The photographs of sediments （a） before and （c） after bioturbation ［ 10 ］； The O 2 profile of sediments （b） before and （d） after bioturbation ［ 78 ］
图9 陆架边缘海沉积物耗氧通量特征
（a）太平洋和（b）大西洋陆架边缘海海底沉积物耗氧通量与水深相关图；数据来源于参考文献［ 10 ］中的汇总数据，均为原位观测数据，并剔除了最小含氧带的数据
Fig. 9 Characteristics of O2 uptake in the shelf sediments
Relationship between O 2 uptake in the shelf sediments and water depths in the Pacific （a） and Atlantic（b）. Data from reference ［ 10 ］， all the data were measured in-situ， and the data of minimum oxygen zone were excluded
图10 浅水陆架区温度与沉积物耗氧的关系
（a）单位面积暗环境耗氧和净光合作用速率随温度的变化关系 ［ 96 ］（测于埃及太阳湖）；（b）耗氧速率与温度的关系（据参考文献［ 98 ］修改，测于丹麦奥胡斯湾）
Fig. 10 Relationship between temperature and sediments O2 uptake in the shallow water shelf
（a） Areal rates of dark O 2 consumption and net photosynthesis with increasing temperatures ［ 96 ］ （measured in Solar Lake， Egypt）； （b） Temperature dependence of oxygen consumption rates （modified after reference ［ 98 ］， measured in Aarhus Bay， Denmark）
图11 深远海沉积物耗氧通量特征
（a）太平洋和（b）大西洋深远海海底沉积物耗氧通量与水深相关图；（c）太平洋和（d）大西洋深远海沉积物耗氧通量与净初级生产量相关图；数据来源于参考文献［ 10 ］中的汇总数据，均为原位观测数据，并剔除了最小含氧带的数据
Fig. 11 Characteristics of O2 uptake in the deep-sea sediments
Relationship between O 2 uptake in the deep-sea sediments and water depths in the Pacific （a） and Atlantic （b）；Relationship between O 2 uptake in the deep-sea sediments and the net primary production in the Pacific （c） and Atlantic （d）. Data from reference ［ 10 ］， all the data were measured in-situ， and the data of minimum oxygen zone were excluded
图12 东北太平洋深远海沉积物2010年10月至2014年1月海底总耗氧通量和颗粒有机碳通量观测数据［ 10 ， 109 ］
测于4 000 m水深海底观测站MData measured at 4 000 m water-depth observation station M
Fig. 12 Benthic Total Oxygen Uptake （TOU） and Particulate Organic Carbon （POC） flux in the deep-ocean of the Northeast Pacific from October 2010 to January 2014［ 10 ， 109 ］
图13 最小含氧带海底沉积物耗氧通量特征
（a）一般海域与最小含氧带海域海底总耗氧通量与水深相关图；（b）海底总耗氧通量与海底溶解氧浓； 数据来源于参考文献［ 10 ］中的汇总数据，均为原位观测数据度相关图
Fig. 13 Characteristics of O2 uptake in the Oxygen Minimum Zone （OMZ） sediments
（a） The Total Oxygen Uptake （TOU） versus water depth in normal and Oxygen Minimum Zone （OMZ） areas； （b） The Total Oxygen Uptake （TOU） versus benthic O 2 concentration；Data from reference ［ 10 ］， all the data were measured in-situ
表1 深渊海沟轴部及邻近深海平原参考站位的扩散耗氧通量、总耗氧通量以及上覆水净初级生产力数据汇总表（数据来自参考文献［ 20 ， 31 ， 125 - 126 ］）
Table 1 Compilation of Diffusive Oxygen Uptake （ DOU）， Total Oxygen Uptake （ TOU）， and Net Primary Production （ NPP） of overlying water from hadal trench and abyssal sites （ data from references ［ 20， 31， 125-126］）
站位 水深/m DOU/［μmol/（m2·d）］ TOU/［（μmol/（m2·d）］ NPP/［（g C/（m2·a）］
马里亚纳海沟 海沟轴部 10 817 154±48（n=51） N.A. 50
10 853 N.A. 198（n=1） 50
深海平原 6 018 85±38（n=36） N.A. 50
汤加海沟 海沟轴部 10 800 225±50（n=7） N.A. 106
深海平原 6 250 92±44（n=16） N.A. 106
伊豆小笠原海沟 海沟轴部 9 200 746±103（n=27） N.A. 200
玛索海沟 海沟轴部 7 011 N.A. 266（n=2） 79
新不列颠海沟 海沟轴部 8 225 N.A. 604（n=2） 108
克马德克海沟 海沟轴部 10 010 452±14（n=9） N.A. 151
深海平原 6 080 152±22（n=8） N.A. 148
阿塔卡马海沟 海沟轴部 8 085 1 490±81（n=18） N.A. 335
深海平原 5 500 355±31（n=7） N.A. 308
图14 深渊海沟海底沉积物耗氧通量特征
深渊海沟海底沉积物扩散耗氧通量与（a）沉积物总有机碳含量、（b）沉积物叶绿素 a含量以及（c）上覆水中净初级生产力的相关图 ［ 126 ］
Fig. 14 Characteristics of O2 uptake in the hadal trenches sediments
Benthic O 2 uptake in hadal trenches as a function of the （a） Total Organic Carbon （TOC）， （b） Chl a， and （c） estimated Net Primary Productivity （NPP） ［ 126 ］
表2 克马德克海沟与阿塔卡马海沟轴部不同站位氧气穿透深度和扩散耗氧通量（数据来自参考文献［ 126 ］）
Table 2 Oxygen Penetration Depth （ OPD） and Diffusive Oxygen Uptake （ DOU） at the investigated sites in the Kermadec and the Atacama trenches （ data from reference ［ 126 ］）
海沟名称 站位 水深/m OPD/［μmol/（m2·d）］ DOU/［μmol/（m2·d）］
克马德克海沟 K2 9 700 6.1±0.4 668±83（n=5）
K3 9 540 8.6±0.5 538±91（n=7）
K4 9 300 20.7* 193±21（n=11）
K5 10 010 8.9±0.1 452±14（n=9）
K6 9 555 11.5±0.3 306±20（n=5）
阿塔卡马海沟 A2 7 995 3.2±0.1 1 236±56（n=35）
A3 7 915 2.6±0.1 1 793±77（n=29）
A4 8 085 3.4±0.4 1 490±81（n=18）
A5 7 770 4.0±0.2 992±50（n=12）
A6 7 720 4.1±0.3 1 035±143（n=8）
A10 7 770 3.1±0.3 1 634±71（n=19）
表3 海底冷泉区沉积物总耗氧通量与甲烷氧化过程速率数据表（数据来自参考文献［ 138 ， 142 - 144 ］）
Table 3 The benthic Total Oxygen Uptake （ TOU） and methane oxidation rate at cold seeps （ data from references ［ 138， 142-144］）
水深/m TOU/［mmol/（m2·d）］ CH4释放通量 AOM AeOM 底栖生物分布情况
/［mmol/（m2·d）］
Hikurangi大陆边缘 660 117 265 17 42 大型底栖动物、多毛类
Amon泥火山 1 120 61 69 1 30 未见
60 71 17 13 细菌席
REGAB麻坑 3 160 590 1 6 289 大型底栖动物、蛤类
294 1 3 144 大型底栖动物、蛤类
94 81 19 28 大型底栖动物、贻贝
77 334 20 19 大型底栖动物、贻贝
图15 冷泉区沉积物耗氧通量特征
（a）培养箱内溶解氧溶度和甲烷浓度的变化（根据参考文献［ 138 ］修改），实心和空心分别代表冷泉区和非冷泉区甲烷浓度，实线和虚线分别代表冷泉区和非冷泉区溶解氧浓度；（b）冷泉区与非冷泉区海底总耗氧通量与水深相关图（据参考文献［ 7 ， 138 ］修改）
Fig. 15 Characteristics of O2 uptake in cold seep sediments
（a） Changes in oxygen and methane concentration in the benthic chamber （modified after reference ［ 138 ］）， filled and hollow symbols indicate the methane concentration at seep and non-seep sites， while solid and dotted lines indicate the O 2 concentration at seep and non-seep sites； （b） The total O 2 uptake versus water depth at seep and non-seep sites （modified after references ［7，138］）
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