底栖层交换的O₂，N₂ 利用小型岩心培养法测定溶解性营养物质

本沉积物生物地球化学实验的总体目标是，对沉积物表面与上覆水体之间的溶质和气体交换进行真实可靠的测量，旨在完善水生环境中的物质平衡，并为生物地球化学模型提供依据。该方法有助于解答水生生物地球化学领域的一些关键问题，例如沉积物作为营养元素和氧气的汇与源的重要性如何。该方法针对水体反硝化作用这一水生氮循环中的主要汇过程进行了优化。

该技术的主要优势在于其高效性，能够使我们对沉积物生物地球化学过程实现广泛的空间和时间覆盖。首先通过GPS记录采样点的位置，然后使用YSI水质探头测定底层水体的溶解氧、温度和盐度。

将其降至距沉积物约一米处并读取数据。接下来，使用光合有效辐射（PAR）计和下降支架在水面和水底进行读数，以估算水体的光衰减程度。现在，准备采样器。

对于深水研究，使用内径为 6.35 厘米的采样管；对于含有底栖微藻或大型动物种群的沉积物，使用内径为 10 厘米的采样管。现在，将采样器从船侧投放，并缓慢下放，以尽量减少穿透沉积物时造成的扰动。回收箱式采样器后，将采样管插入采样箱中。

将丁基橡胶塞插入每个岩心管的顶部，然后在每个底部连接带O形圈的丙烯酸板。对于活塞取芯器，在将岩心从取芯器中取出之前，应先将丙烯酸底板放入岩心衬管中。取芯完成后，检查岩心及岩心盒是否存在可见的扰动或过度再悬浮现象。

进行通量实验时，理想的核心样品中沉积物与水的平衡应各为15厘米；但在粗粒或高度压实的沉积物中，采集较少的沉积物也可接受。然而，若氧气消耗速率过高，则应调整平衡，增加水相的比例。将样品核心储存于装满采样点原位水体的隔热水箱中，以维持原位温度。

确保冷藏箱保持直立。接下来，使用隔膜泵从取芯位置采集底层水样至20升的塑料瓶中。通常每个采样点填充两到三个塑料瓶，若预计不同采样点之间的水体化学性质存在差异，则应从多个地点分别采集。

如果在浅层非分层水体中无法使用泵，可手动灌装大容量试剂瓶。现在，需尽快将好氧样品运送到培养设施，以避免其变为缺氧状态。到达设施后，检查样品并丢弃在运输过程中受到扰动的任何样品。

然后将岩心（包括水柱空白样）放入水浴培养箱中，并将温度设定为测得的底层水温。向培养箱中加入采集的底层水，完全浸没沉积物岩心。空白岩心（即不含任何沉积物的岩心）也需用底层水注满。

此外，向带有水龙头的5升大瓶中加入底层水，用于提供替换水。供气时，使用由1/2英寸PVC管和三通接头制成的小型T形鼓泡器。用PVC管覆盖1/8英寸的管子，并通过排水提供循环和曝气。

现在，让样品芯在避光条件下平衡至少两小时至过夜，然后再进行采样。待样品芯平衡完成后，将旋转盖帽安装到样品芯上。在采样阀打开的状态下，轻轻清除旋转盖帽下方的任何气泡，并将样品芯与水箱中的水密封隔开。

接下来，将一个替换用的水桶抬高至比培养核心高30到40厘米的位置，然后从水桶引出排水管并开始排水，待水流稳定后，将管道连接至核心顶部。随后关闭阀门。现在启动中央搅拌转盘，并调节转速，使水体混合均匀，但不扰动底部沉积物。

通常以每分钟40转的速度运行即可。约五分钟后，打开置换水阀门和样品阀门。然后，使用鲁尔接头将一段短管连接到样品阀门上。

将该采样管放入一个7毫升的玻璃样品管中，并用水充满至溢出。然后向样品中加入10微升氯化汞，并盖紧管盖。进行溶质采样时，将一个20毫升的注射器筒连接到样品阀上，并打开置换水阀。

然后将活塞和滤膜安装到已装样液的注射器上，将样品过滤至收集管中。在黑暗条件下的采样时间进程通常包括四次采样，间隔时间为半小时至两小时或更长时间，具体取决于氧气消耗速率。使用校准过的光学氧传感器，持续监测所采集水样中的氧气水平。

通常，当氧气消耗达到 25% 时，即可测量营养物浓度的变化。可以进行更长时间的采样，但不得在氧气消耗超过 50% 后采样。如果沉积物来自浅层透光环境，则在采集第四次样品后，打开光源，并再采集三次样品。

将采集的样品在培养温度下浸没于水中保存。取样后，通过水柱高度或将全部水排入量筒来测量核心中剩余的水体积。沉积物通量的测量是在切萨皮克湾支流乔普坦克河的一处水产养殖设施附近进行的。

光照在一定程度上减缓了氧气的快速下降，但光合作用速率仍低于呼吸作用速率。对照组岩心的氧气水平仅发生轻微变化。氮气浓度通过氮气与氩气的比值测定，精度达到0.02%，或约每升100纳摩尔氮气。

无论在黑暗还是光照条件下，沉积物岩心的氮含量增加均远高于水中空白对照组的增加量。在黑暗期间，溶解态铵的通量相当高。其中一个岩心的铵浓度增加了20微摩尔每升。

即使在光照条件下，沉积物柱芯中的铵浓度仍持续升高。沉积物柱芯和水柱空白样品中的硝酸盐与亚硝酸 盐总浓度均随时间逐渐降低，且在光照期间下降速率较慢。一旦熟练掌握，两名科研人员通常可在六至八小时内高效完成这些培养操作，具体时长取决于沉积物的呼吸速率。

在进行该实验操作时，重要的是要记住采集完整的沉积物-水界面，并保持与野外观察到的温度相近的恒定温度。完成培养后，这些岩芯可用于采集样品，以测定叶绿素含量、粒径、孔隙水化学性质以及沉积物的比质量反应活性。在该方法建立之后，利用氮气与氩气的比例来测定反硝化作用，为反硝化作用及净氮气通量的测量提供了一种替代方法。

科学家已将这种气体比例技术应用于湿地、湖泊、水库、河口以及浅海沉积物中反硝化作用的测量，为同位素方法提供了一种有效的替代方案。