天津大学童银栋、中科院南京地湖所孔祥臻、北京大学刘永The Innovation Geoscience:富营养化驱动的表层DO富集及其对气候变暖的脆弱性

溶解氧（DO）是维系湖泊生态系统健康的关键要素。气候变暖通常被认为会降低氧在水中的溶解度，从而加剧湖泊“脱氧”。然而，本研究发现，在高强度的人类活动驱动下，湖泊富营养化加剧，藻类大量繁殖，其光合作用产生的DO甚至超过了升温导致溶解度降低带来的DO损失，使中国湖泊表层水在2006至2018年间呈现出普遍的“富氧”现象。模型预测表明，这种“富氧”状态并非常态；随着未来营养盐输入的持续增加，湖泊系统DO消耗将反超生产，最终走向脱氧。这一发现为理解全球湖泊DO动态提供了新的区域性视角，也为气候变化背景下的湖泊富营养化治理提出了新启示。

1. 中国湖泊的富氧现象：全球背景下的特例

基于对99个中国湖泊（66个亚热带、33个温带）长达十余年的数据分析，本研究发现了一个与全球趋势相悖的现象：尽管湖泊表面水温在2006至2018年间以0.24℃/十年的速率显著上升，并在45个湖泊中导致饱和溶解氧浓度（DO_sat）下降，但实际DO却在34个湖泊中呈上升趋势。综合来看，表征DO饱和程度的ΔDO（DO - DO_sat）在39个湖泊中显著增加。尤其在夏季，约三分之二的湖泊呈现DO过饱和状态，且富营养化湖泊的DO富集趋势更为突出。

图3 中国淡水湖泊DO_sat, DO和ΔDO的时空分布格局

图4 中国湖泊2006-2018年间DO、DO_sat和ΔDO的变化趋势

2. 富营养化驱动湖泊“富氧”

本研究通过PCLake+过程模型和随机森林等统计模型，深入剖析了驱动湖泊DO动态的关键因素。模型结果显示，总初级生产力（GPP）是湖泊DO的主要来源，在富营养化湖泊中藻类光合作用的贡献高达99%以上。进一步分析发现，2006-2018年间，近三分之二湖泊的叶绿素a（Chl-a）浓度呈增加趋势，且其增速与ΔDO增速呈显著正相关。广义线性模型（GLM）进一步证实叶绿素a的变化解释了超过一半的ΔDO变化。这表明，富营养化驱动的藻类大量繁殖及其产生的过量DO，是抵消升温导致的溶解度下降并导致湖泊表层“富氧”的关键机制。

图5 PCLake+模型模拟的不同季节、不同营养状态下湖泊DO的源汇过程

3. 富氧暂态与未来脱氧风险

尽管历史时期湖泊呈现“富氧”状态，但本研究对未来情景的预测发出了明确警示。模型预测表明，在营养盐持续增加的情景下（nutrient (+)），随着气候持续变暖，尽管GPP仍将增强，但水体呼吸和微生物分解等耗氧过程（EC）的增速更快，导致净生态系统生产力（NEP）由正转负，即产氧速率低于耗氧速率，湖泊将不可避免地走向“脱氧”。这一“富氧”至“脱氧”的转变，源于光合作用与呼吸作用对温度升高的非对称响应。相反，在营养盐持续削减的情景下（nutrient (-)），无论未来气候变暖程度如何，湖泊表层DO浓度都将保持稳定甚至提升，从而有效规避脱氧风险。因此，当前中国湖泊的“富氧”状态很可能是一种对气候变化高度敏感的“暂态”过程。

图6 未来气候变暖和营养盐增加情景下（nutrient (+)），中国不同营养状态湖泊DO、DO_sat和ΔDO的变化趋势

图7 未来气候变暖和营养盐减少情景下（nutrient (-)），中国不同营养状态湖泊DO、DO_sat和ΔDO的变化趋势

4. 对湖泊管理的启示

童银栋，天津大学环境科学与工程学院教授、博士生导师。主要研究方向为区域物质循环与环境效应、湖泊富营养化控制等。主持国家自然科学基金优秀青年科学基金、面上项目等多项国家级课题。以第一/通讯作者在Nature Geoscience、PNAS、Water Research、Environmental Science & Technology等期刊发表论文多篇。

孔祥臻，中国科学院南京地理与湖泊研究所青年研究员。主要从事湖泊生态系统多稳态转换与环境效应的模拟研究。主持德国洪堡学者基金、中科院人才计划、国家自然科学基金等。在The Innovation、Global Change Biology、Water Research、Environmental Science & Technology等期刊发表论文多篇。

刘 永，北京大学环境科学与工程学院教授、博士生导师。主要研究方向为环境规划与智慧决策、流域过程与调控。主持国家科技重大专项、国家重点研发计划项目等，以第一/通讯作者在Nature Geoscience、Water Research等期刊发表论文百余篇。