為了給沉積物水界面通量的原位長(zhǎng)效觀測(cè)研究提供技術(shù)支撐,對(duì)水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)路徑和應(yīng)用方向進(jìn)行了系統(tǒng)梳理。回顧了水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展歷程并對(duì)比分析了其技術(shù)特征,從理論基礎(chǔ)、系統(tǒng)構(gòu)建和數(shù)據(jù)處理三方面介紹了該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法,并總結(jié)了該技術(shù)的應(yīng)用方向和目前面臨的挑戰(zhàn)。水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)具有底質(zhì)適用類型多樣、不干擾沉積物結(jié)構(gòu)、測(cè)量足跡大且時(shí)間精度高等特點(diǎn),適用于河流、湖泊、水庫、海灣及深海等環(huán)境的沉積物水界面通量觀測(cè),能夠?yàn)樗w環(huán)境修復(fù)、生態(tài)系統(tǒng)代謝評(píng)估及潛流交換等研究提供支持。

沉積物水界面(sediment-water interface,SWI)是沉積物與其上覆水之間具有一定立體尺度的交界面。物質(zhì)在該界面附近活躍地發(fā)生著遷移、轉(zhuǎn)化、吸附、解吸、擴(kuò)散、掩埋和生物擾動(dòng)等一系列物理化學(xué)及生物反應(yīng),從而影響著水環(huán)境的整體功能與生態(tài)安全,也使得沉積物水界面成為陸地表層系統(tǒng)中最重要的界面之一。因此,開展沉積物水界面處溶解氧、溫室氣體、營(yíng)養(yǎng)物和污染物等物質(zhì)質(zhì)量乃至能量、動(dòng)量的通量觀測(cè),對(duì)于評(píng)估底棲生態(tài)環(huán)境、控制水體內(nèi)源污染和研究水環(huán)境生物地球化學(xué)循環(huán)過程都具有重要意義。

渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)(eddy correlation technique)是一種興起于微氣象領(lǐng)域的通量觀測(cè)方法,如今也被用于測(cè)量沉積物水界面通量且取得了較好的實(shí)踐效果。但是,目前國內(nèi)關(guān)于水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用和研究還比較少,也沒有能夠同時(shí)滿足原位、長(zhǎng)·81·期、非侵入等通量觀測(cè)需求的其他技術(shù)。有鑒于此,本文在回顧水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展歷史并總結(jié)其技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)介紹了該技術(shù)的具體實(shí)施途徑,梳理了其主要應(yīng)用領(lǐng)域及今后的發(fā)展方向,以期為水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)通量觀測(cè)技術(shù)的推廣應(yīng)用提供參考。

早在20世紀(jì)40年代末,Montgomery等便提出了用于測(cè)量大氣與其下墊面之間物質(zhì)能量交換通量的渦動(dòng)相關(guān)技術(shù),又稱渦動(dòng)協(xié)方差技術(shù)(eddy covariance technique)。在理論提出之初,觀測(cè)儀器的局限阻礙了該技術(shù)的實(shí)施,直至超聲風(fēng)速儀和氣體分析儀問世。

從20世紀(jì)80年代開始,渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)陸續(xù)被用于測(cè)量大氣相關(guān)界面的CO2和水熱等通量;在長(zhǎng)期的實(shí)踐對(duì)比中,該技術(shù)也被認(rèn)為是國內(nèi)外微氣象通量觀測(cè)領(lǐng)域最為可靠的方法之一。時(shí)至今日,渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)不僅是一種科學(xué)研究活動(dòng),更成了一種常規(guī)的氣象觀測(cè)手段,世界各地建立起了大氣渦動(dòng)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的共享。

表1常見沉積物水界面通量觀測(cè)技術(shù)特性對(duì)比

圖1水底邊界層的空間結(jié)構(gòu)及氧通量渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)示意圖

2003年,Berg等首次將渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)移植到水環(huán)境通量觀測(cè)領(lǐng)域,通過聲學(xué)多普勒流速儀(acoustic doppler velocimetry,ADV)和Clark型溶解氧微電極搭建了測(cè)量沉積物水界面氧通量的渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)并驗(yàn)證了其可靠性。而后,Berg等通過數(shù)值模擬進(jìn)一步夯實(shí)了該技術(shù)的理論基礎(chǔ),同時(shí)Donis等通過室內(nèi)水槽試驗(yàn)完善了該技術(shù)的應(yīng)用細(xì)節(jié)并探討了界面通量對(duì)各類環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系。如今,渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)已被用于河流、湖泊、水庫、海灘和深海等水環(huán)境的沉積物水界面通量觀測(cè)。

除水環(huán)境渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)外,目前測(cè)量沉積物水界面通量的方法還有實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)技術(shù)(laboratory core incubation)、底棲培養(yǎng)室技術(shù)(benthic chamber)、微電極剖面技術(shù)(micro-profiling)和平面光極技術(shù)(planar optode)等,主要技術(shù)特性對(duì)比見表1。總的來說,渦動(dòng)相關(guān)技術(shù)因其將觀測(cè)點(diǎn)布置于沉積物水界面上方而具備非侵入式觀測(cè)的顯著優(yōu)點(diǎn),又具有測(cè)量范圍廣和時(shí)間精度高等特點(diǎn),能夠?qū)鹘y(tǒng)方法難以適用的高滲透性砂質(zhì)底泥和生長(zhǎng)水棲植物的堅(jiān)硬底質(zhì)進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)。但是,該技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)處理方法提出了較高的要求,且可測(cè)量的通量類型受到傳感器性能發(fā)展的限制。