《Journal of Hydrology》：Dissolved oxygen dynamics in shallow lakes under climate change: Synergistic modulation by nutrient loading
编辑推荐：
气候变化与富营养化协同作用对浅层富营养湖溶解氧动态的影响机制研究。基于乌兰赛湖长期监测数据，采用分段结构方程模型揭示：物理过程（风速）主导溶解氧动态，温度效应呈现营养状态依赖性——贫营养条件下升温通过物理和代谢增强促进DO，而富营养条件下升温抑制光合产氧，逆转温DO关系。水力条件无显著影响。研究成果为富营养湖气候适应管理提供理论依据。
作者：张帆 | 史晓红 | 赵胜楠 | 霍若楠 | 王世环 | 康如兰 | 劳里·阿尔沃拉
中国内蒙古农业大学干旱地区水工程生态与环境国家重点实验室，呼和浩特 010018
摘要
在全球变暖和富营养化的双重压力下，湖泊中溶解氧的耗竭问题日益严重。然而，气候变化对溶解氧动态的影响如何依赖于湖泊的营养状态，这一关键机制尚未得到充分理解。基于乌兰苏海湖的长期监测数据，本研究采用分段结构方程模型来阐明气候因素和富营养化对溶解氧动态的级联效应。研究结果表明，溶解氧动态主要受物理过程控制，其中风速通过增强表面复氧作用成为主要的正向驱动因素。气温的影响表现出明显的营养状态依赖性：在营养水平较低的情况下，升温通过提高物理和代谢速率直接增加溶解氧含量。随着营养水平的升高和基质限制的缓解，升温会抑制光合作用产生的氧气，从而使温度-溶解氧关系从正协同作用转变为负对抗作用。同时，水文变化对溶解氧或营养负荷没有显著影响，这表明在湖泊较大的环境容量和较长的水力滞留时间下，稀释或外部输入的作用可以忽略不计。这些发现强调了减少营养负荷是提高湖泊气候适应性的关键管理策略。
引言
溶解氧（DO）是水生生态系统健康的重要指标，也是生物地球化学循环的关键驱动因素（Zhang等人，2025a）。其动态受物理供应（如大气复氧、溶解度）和生物代谢（如光合作用、呼吸作用）之间复杂平衡的调控（Zhang等人，2025c；Leles和Levine，2023）。然而，内陆水域正日益受到全球气候变化和人为富营养化的双重压力（Shi等人，2024；Peng等人，2024）。湖泊溶解氧的普遍下降，甚至区域性的缺氧现象，已成为全球性问题（Jane等人，2021）。这种下降导致了一系列问题，包括生物多样性的丧失、有毒金属的释放以及内部营养负荷的增加（Vaquer-Sunyer和Duarte，2008；Jia等人，2024；Levin等人，2009）。因此，了解气候条件和营养状态对溶解氧动态的复杂相互作用对于湖泊的适应性管理至关重要。
气候变化通过多种途径改变溶解氧动态，涉及物理和生物机制之间的相互作用（Carpenter等人，2011）。从物理角度来看，温度升高会降低氧气溶解度并加剧热分层，从而阻碍垂直氧气交换（Whitney和Vlahos，2021）。相反，风速的增加会增强湍流，促进空气-水界面的气体交换（Deike等人，2025）。从生物角度来看，升温可以刺激浮游植物的生长和代谢，从而提高白天的光合作用产氧潜力，但同时也会加速生态系统的呼吸速率（Zhi等人，2023；Zhang等人，2025c；Leles和Levine，2023）。气候变化对溶解氧的净效应取决于这些直接物理驱动因素和间接生物级联效应的相对主导性。此外，气候变化与溶解氧之间的关系可能是非线性的，并受到环境条件的调节，特别是湖泊的营养状态（Irby等人，2018；Jeppesen等人，2005）。Woolway等人（2022）的研究表明，在极端热浪期间，富营养化会加剧湖泊脱氧现象，表明高温-高叶绿素事件显著增加了缺氧的风险。其他研究表明，由气候变化驱动的湖泊脱氧趋势在富营养化系统中更为明显，而长期贫营养化可以在一定程度上抵消气候引起的氧气损失（Jansen等人，2024）。这意味着营养负荷不仅是一个并行的压力因素，还可能调节湖泊生态系统对气候变化的响应。
生态代谢理论认为，生态系统呼吸的活化能通常高于光合作用（Brown等人，2004）。然而，在营养受限的情况下，有机物的积累和相关的呼吸耗氧受到限制（Jansen等人，2025）。因此，在气候变暖的背景下，湖泊溶解氧的动态轨迹和潜在机制具有高度不确定性。水文条件通过改变水力滞留时间和污染物负荷等因素进一步复杂化了这些机制（Bodin等人，2013）。尽管现有研究独立考察了这些因素，但很少有研究在统一的分析框架内定量区分了溶解氧的直接物理效应和间接的、由富营养化介导的效应。此外，基于长期野外监测数据的实证证据仍然缺乏，关于依赖营养状态的非线性响应机制（Pe?a等人，2010）。
为了解决这些问题，本研究重点利用乌兰苏海湖（一个浅水富营养化湖泊）的长期无冰期监测数据，采用分段结构方程模型（pSEM）这一强大的分析框架，深入研究气候和富营养化对溶解氧动态的级联效应。研究目标是：（1）量化气候驱动因素和营养负荷因素对溶解氧变化的相对贡献；（2）揭示湖泊富营养化在气候-溶解氧关系途径中的中介效应；（3）检验温度-溶解氧关系中的“营养状态依赖性”假设，并明确水文条件的贡献。本研究首次全面评估了富营养化如何调节气候对溶解氧动态的方向和幅度，旨在为全球变暖背景下富营养化湖泊的缺氧风险提供新的机制见解，并为制定气候适应性湖泊管理策略提供科学依据。
研究区域
乌兰苏海湖（北纬40°36′–41°03′，东经108°43′–108°57′）位于中国北部，地处黄河中游，是中国的三大灌溉区之一——河套灌区的排水湖泊（图1）。该湖泊面积为293平方公里，蓄水量为2.5–3×10^8立方米，多年平均深度约为1.8米。受灌溉回流水的影响，乌兰苏海湖富含生物元素，具有较高的初级生产力。
数据采集与处理
本研究的水质数据来自2012年至2021年中国内蒙古乌兰苏海湖湿地生态系统国家监测与研究站进行的每月现场采样和实验室分析（https://wlsh.imau.edu.cn）。由于湖泊会结冰，监测方案确保每个水文年度的无冰期内至少有六次有效的采样活动。监测参数包括：溶解氧（DO）、水温（WT）、盐度（SAL）、叶绿素-a
分析方法
湖泊系统所表现出的固有“行为模式”或“生态状态”在很大程度上决定了溶解氧的命运（Zhang等人，2025c；Zhao等人，2021）。为此，通过季节分解和聚类集成分析识别了内源变量（DOS、TSI、N/P和SAL）的系统行为。方法上，采用Loess（STL）进行季节和趋势分解，将时间序列分为趋势、季节和残差三个部分。
结果
内源营养物质的特征与模式识别
尽管先前的研究表明乌兰苏海湖是一个典型的草藻湖（Du等人，2024），但通过计算来量化非藻类对光衰减的贡献，以验证SD的变化主要归因于藻类。随后，使用非藻类物质对总光衰减的贡献比率（）进行了“诊断”测试（Wu等人，2024）。
溶解氧的协同多途径驱动机制
为了理解变量的时空依赖特性并检验样本独立性的假设，采用了Moran的I和ACF分析来识别样本数据中的时空自相关性。空间自相关分析（表1）显示TSI、N/P和SAL具有显著的正空间自相关性（Moran的I：0.124–0.379，P < 0.01），而DOS则表现出空间随机性。时间自相关分析（表2）表明TSI和SAL
讨论
尽管pSEM证实气候可以通过诱导富营养化间接影响溶解氧，但物理过程的直接驱动力仍然是主导机制。特别是强风带来的复氧效应维持了湖泊的氧气供应和生态活力（Zhang等人，2020）。特别是在浅水湖泊系统中，风速显著增强了大气复氧速率，促进了表面更新和湍流混合（Perolo等人，2021）。
结论
本研究首次利用pSEM全面量化了气候变化和富营养化对浅水湖泊溶解氧动态的非线性级联效应。结果表明，在无冰期间，溶解氧动态主要受物理复氧过程控制，尤其是风速的作用，而非简单的代谢平衡。温度的调节效应表现出明显的营养状态依赖性，揭示了一个关键机制：尽管升温
作者贡献声明
张帆：撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查、正式分析、概念化。史晓红：撰写——审阅与编辑、监督、软件使用、资源获取、概念化。赵胜楠：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目行政、正式分析、数据管理。霍若楠：可视化、验证、方法论、调查、数据管理。王世环：可视化、验证、软件使用
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（U2443225、52260028和52369014）、内蒙古自治区科技计划（2023YFDZ0022和2025YFDZ0040）、内蒙古直属高校基本科研业务费（BR251202）以及内蒙古湿地生态系统定位观测与研究站能力提升项目（BR251009）的支持。
