在全球湖泊普遍因气候变暖而“脱氧”的背景下，中国湖泊却呈现出截然不同的“富氧”趋势。本研究通过分析近100个湖泊长达十余年的数据，揭示了这一现象背后的关键驱动因素——富营养化，并警示这一“富氧”状态可能只是暂态，在未来持续升温与富营养化情景下或将逆转。
导 读
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。
图1 图文摘要
图2 研究框架
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（DOsat）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 - DOsat）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DOsat, DO和ΔDO的时空分布格局
图4 中国湖泊2006-2018年间DO、DOsat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、DOsat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、DOsat和ΔDO的变化趋势
4. 对湖泊管理的启示
本研究不仅揭示了中国湖泊DO动态的独特性，也为未来的湖泊管理提供了新思路。研究结果指出，富营养化治理不能仅仅以控制藻类浓度为唯一目标，而应兼顾其对湖泊DO平衡的影响。尽管削减营养盐输入是缓解富营养化的有效手段，但实施过程中必须谨慎评估其对DO的潜在影响，特别是系统结构调整过程中可能引发的短期耗氧增强。未来湖泊管理应将维持湖泊DO平衡作为核心目标之一，并结合气候变化背景，制定更具韧性与前瞻性的湖泊保护方案。
总结与展望
本研究通过长期观测与多模型耦合分析，揭示了中国湖泊在全球湖泊“脱氧”背景下的“富氧”暂态现象，并证实了富营养化是这一现象的核心驱动力。然而，这一“富氧”状态是脆弱的，未来在气候变暖和营养盐持续输入的双重压力下，湖泊的产氧与耗氧平衡将被打破，并最终走向“脱氧”。研究结果强调了在未来湖泊管理中，应考虑将DO水平作为核心指标之一，制定综合营养盐削减策略，以应对气候变化带来的挑战，保障湖泊生态系统的长期健康。
责任编辑
王敬富 中国科学院地球化学研究所
闫兴成 南京水利科学研究院