近期，海洋二所近海动力与生态环境团队在长江口外缺氧区年际变化的机理方面获得新认识，基于底栖—浮游耦合模式模拟以及针对典型年份的案例研究表明，水体耗氧是长江口外缺氧区的位置发生年际变化的主控因素。成果发表在国际知名期刊Journal of Geophysical Research: Biogeosciences，第一作者为孟启承博士，共同通讯作者为周锋研究员，合作者包括德国赫姆霍兹协会海岸带研究所张文彦研究员、Corinna Schrum教授，以及海洋二所卫星海洋环境动力学国家重点实验室的倪晓波、曾定勇、马晓、田娣，海洋生态系统动力学实验室廖一波、于培松、汤雁滨，极地深海技术研究院的丁睿彬。观测资料主要来自海洋二所专项调查、973项目、长三角海洋生态野外科学观测研究站以及海洋二所LORCE研究计划的历年积累。

日益严重的近海缺氧灾害恶化水质、退化生境、威胁生态多样性并深刻改变碳、氧、氮等生物地球化学要素循环，在全球受到包括科学家、政策制定者、管理者等的广泛和持续关注。长江口外缺氧区是世界最大的河口季节性缺氧区之一，而且具有复杂多变的年际变化（图1）。缺氧区经常出现在长江口外的水下河谷与浙江近海海域，但某些年份也会在水下河谷以北较浅的长江浅滩大面积发生。这种观测到的复杂的年际变化对预测、预警与治理缺氧提出了巨大挑战，首先需要在机理上给出科学解释。因此，对长江口外缺氧区年际变化的机理研究具有重要的科学意义与应用价值。

图1 研究区域地形与流场。不同色块标示不同年份调查到的缺氧区。

此研究利用浮游—底栖耦合数值模式对水动力影响下的生态动力系统进行过程模拟。模式在氮、磷、硅、碳、氧元素循环基础上刻画了颗粒有机碳经浮游植物光合作用生成、被浮游动物摄食并排泄、在水体中沉降及分解等过程。模式也能够模拟颗粒有机碳在表层沉积物中受大型底栖生物扰动等因素影响下的埋藏与分解过程。该模式的一个特色是融合大面调查的沉积物粒径、粒度组分、总有机碳等本底数据进行初始化，从而既能真实反映底栖生态系统在长期沉积与早期成岩过程中形成的基本空间格局，又能计算浮游生态系统短期快速变化对底栖生态系统的扰动。此外，研究中利用了遥感水温与叶绿素产品、重复调查断面温盐溶氧、船测缺氧区分布范围、底栖生物调查数据、培养实验与化学分析方法观测的沉积物耗氧速率对模式进行了系统性验证。

研究展示了沉积物耗氧与水体耗氧（混合层下水体中呼吸作用、有机碳分解、光合作用与硝化作用对氧收支的总贡献）的时空变化特征。沉积物耗氧虽然在东海具有很强的空间异质性，但年际变化相对稳定。夏季水体耗氧强的区域具有显著年际差异，且与缺氧区变化较为一致。研究揭示，尽管缺氧区范围年际变化显著，缺氧区内沉积物耗氧的相对贡献基本都低于40%。在2009、2011、2014年，水下河谷以北的长江浅滩海域没有发生缺氧时，沉积物耗氧的相对贡献可达80%以上，但当2013年缺氧区在长江浅滩大面积蔓延时，沉积物耗氧相对贡献显著降低（40%以下）。以上的模拟结果指出，可能是水体中的有机质耗氧而不是沉积物中的有机质耗氧主导了长江口外缺氧区位置的年际变化。

图2 沉积物耗氧（SOC）占沉积物耗氧与水体耗氧(WOC)之和的比例在2009年（a），2011年（b），2013年（c）和2014年（d）8月的分布图。红线为缺氧区范围。

对长江口外缺氧区预测与治理的启示：

此研究提示，基于水体物理—生物地球化学耦合数值模式预报长江口外缺氧区的短期变化是可行的，其模拟结果也可定性反映缺氧区年际变化规律。但如果不考虑沉积物耗氧会造成底层水体溶解氧收支计算中的误差，这种误差可能在非缺氧区比缺氧区内更大。此研究计算局地水体耗氧通量时，虽然排除了对流与混合对底层水团氧收支的贡献，但水动力过程对营养盐、浮游植物、浮游动物、有机碎屑的输运作用仍间接控制局地水体耗氧变化。因此，风场、辐射通量、径流、外海强迫等影响水动力环境的因素对缺氧区分布的预测十分关键。研究指出，长江口外大面积缺氧灾害的发生与热浪、台风等气象灾害发生的程度与位置可能有密切的联系。对气候/气象灾害与缺氧灾害关系的进一步研究，有望提高对缺氧的预测水平。从治理缺氧灾害的角度看，此研究也提示虽然削减陆源营养盐排放可能通过遏制水体富营养化、降低初级生产力缓解水体缺氧程度，但沉积物耗氧是相对稳定的过程，可能持续从水体中移除溶解氧，抵消部分治理效果。

对其他强潮型近海海域缺氧的启示：

前人经验认为沉积物沉积物耗氧的相对贡献随水深变浅而加强，因为浅水区域颗粒有机碳的沉降距离更短，在水体中滞留的时间更短，有更多的有机碳在沉积物中降解耗氧。但是，长江浅滩潮汐动力强又经常受台风等过程强烈扰动，再悬浮作用使颗粒有机碳在水体中的滞留时间增长。从沉积物沉积物耗氧的角度看，有机碳在沉积物中的分解速率受溶解氧浓度的制约，所以可以从溶解氧进入沉积物的方式将沉积物耗氧分成3个分量。第一是由于孔隙水对流将溶解氧带入沉积物中进而促进有机碳分解，这个过程造成的沉积物耗氧被称为孔隙水对流（引起的）耗氧；第二是由于底栖生物扰动而携带溶解氧进入更深层沉积物进而促进有机碳分解，这个过程被抽象成生物扰动（引起的）耗氧；第三是由沉积物—水界面通过分子扩散作用向沉积物内部补充溶解氧进而促进有机碳分解，这个过程被称为分子扩散（引起的）耗氧。在长江浅滩砂质区主要是孔隙水对流耗氧主导沉积物耗氧，分子扩散耗氧可以忽略不计。如图3a所示，当水体混合剧烈，初级生产力低时，虽然生物扰动耗氧降低，但沉积物中孔隙水对流耗氧增强，导致沉积物耗氧相对于水体耗氧的贡献加强，此时水体缺氧程度较轻或不发生缺氧。如图3b所示，当水体稳定，初级生产力高时，虽然生物扰动耗氧升高，但沉积物中孔隙水对流耗氧降低，导致沉积物耗氧相对于水体耗氧的贡献减弱，此时大量有机碳在水体内分解耗氧，往往形成大面积缺氧区。

图3 水动力强（a）与弱（b）时近海砂质区浮游—底栖系统与缺氧现象相关的响应。

本研究由国家重点研发计划（2018YFD0900906），浙江省万人计划（2020R52038），国家自然科学基金（41876026），上海交通大学-海洋二所“深蓝计划”基金（SL2102），SOED自主课题等项目资助。

引用：Meng, Q., Zhang, W., Zhou, F., Liao, Y., Yu, P., Tang, Y., Ma, X., Tian, D., Ding, R., Ni, X., Zeng, D. & Schrum, C. (2022). Water oxygen consumption rather than sediment oxygen consumption drives the variation of hypoxia on the East China Sea shelf. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, e2021JG006705. https://doi.org/10.1029/2021JG006705

团队的近期成果

Tian D, Zhou F, Zhang W Y, Zhang H, Ma X and Guo X. Effects of dissolved oxygen and nutrients from the Kuroshio Current on hypoxia off the Changjiang Estuary. Journal of Oceanology and Limnology.  https://link.springer.com/article/10.1007/s00343-021-0440-3. 

卫动国重室从浮游—底栖耦合角度揭示水体耗氧为长江口外缺氧区年际变化的主控因素

近期，海洋二所近海动力与生态环境团队在长江口外缺氧区年际变化的机理方面获得新认识，基于底栖—浮游耦合模式模拟以及针对典型年份的案例研究表明，水体耗氧是长江口外缺氧区的位置发生年际变化的主控因素。成果发表在国际知名期刊Journal of Geophysical Research: Biogeosciences，第一作者为孟启承博士，共同通讯作者为周锋研究员，合作者包括德国赫姆霍兹协会海岸带研究所张文彦研究员、Corinna Schrum教授，以及海洋二所卫星海洋环境动力学国家重点实验室的倪晓波、曾定勇、马晓、田娣，海洋生态系统动力学实验室廖一波、于培松、汤雁滨，极地深海技术研究院的丁睿彬。观测资料主要来自海洋二所专项调查、973项目、长三角海洋生态野外科学观测研究站以及海洋二所LORCE研究计划的历年积累。

日益严重的近海缺氧灾害恶化水质、退化生境、威胁生态多样性并深刻改变碳、氧、氮等生物地球化学要素循环，在全球受到包括科学家、政策制定者、管理者等的广泛和持续关注。长江口外缺氧区是世界最大的河口季节性缺氧区之一，而且具有复杂多变的年际变化（图1）。缺氧区经常出现在长江口外的水下河谷与浙江近海海域，但某些年份也会在水下河谷以北较浅的长江浅滩大面积发生。这种观测到的复杂的年际变化对预测、预警与治理缺氧提出了巨大挑战，首先需要在机理上给出科学解释。因此，对长江口外缺氧区年际变化的机理研究具有重要的科学意义与应用价值。

图1 研究区域地形与流场。不同色块标示不同年份调查到的缺氧区。

此研究利用浮游—底栖耦合数值模式对水动力影响下的生态动力系统进行过程模拟。模式在氮、磷、硅、碳、氧元素循环基础上刻画了颗粒有机碳经浮游植物光合作用生成、被浮游动物摄食并排泄、在水体中沉降及分解等过程。模式也能够模拟颗粒有机碳在表层沉积物中受大型底栖生物扰动等因素影响下的埋藏与分解过程。该模式的一个特色是融合大面调查的沉积物粒径、粒度组分、总有机碳等本底数据进行初始化，从而既能真实反映底栖生态系统在长期沉积与早期成岩过程中形成的基本空间格局，又能计算浮游生态系统短期快速变化对底栖生态系统的扰动。此外，研究中利用了遥感水温与叶绿素产品、重复调查断面温盐溶氧、船测缺氧区分布范围、底栖生物调查数据、培养实验与化学分析方法观测的沉积物耗氧速率对模式进行了系统性验证。

研究展示了沉积物耗氧与水体耗氧（混合层下水体中呼吸作用、有机碳分解、光合作用与硝化作用对氧收支的总贡献）的时空变化特征。沉积物耗氧虽然在东海具有很强的空间异质性，但年际变化相对稳定。夏季水体耗氧强的区域具有显著年际差异，且与缺氧区变化较为一致。研究揭示，尽管缺氧区范围年际变化显著，缺氧区内沉积物耗氧的相对贡献基本都低于40%。在2009、2011、2014年，水下河谷以北的长江浅滩海域没有发生缺氧时，沉积物耗氧的相对贡献可达80%以上，但当2013年缺氧区在长江浅滩大面积蔓延时，沉积物耗氧相对贡献显著降低（40%以下）。以上的模拟结果指出，可能是水体中的有机质耗氧而不是沉积物中的有机质耗氧主导了长江口外缺氧区位置的年际变化。

图2 沉积物耗氧（SOC）占沉积物耗氧与水体耗氧(WOC)之和的比例在2009年（a），2011年（b），2013年（c）和2014年（d）8月的分布图。红线为缺氧区范围。

对长江口外缺氧区预测与治理的启示：

此研究提示，基于水体物理—生物地球化学耦合数值模式预报长江口外缺氧区的短期变化是可行的，其模拟结果也可定性反映缺氧区年际变化规律。但如果不考虑沉积物耗氧会造成底层水体溶解氧收支计算中的误差，这种误差可能在非缺氧区比缺氧区内更大。此研究计算局地水体耗氧通量时，虽然排除了对流与混合对底层水团氧收支的贡献，但水动力过程对营养盐、浮游植物、浮游动物、有机碎屑的输运作用仍间接控制局地水体耗氧变化。因此，风场、辐射通量、径流、外海强迫等影响水动力环境的因素对缺氧区分布的预测十分关键。研究指出，长江口外大面积缺氧灾害的发生与热浪、台风等气象灾害发生的程度与位置可能有密切的联系。对气候/气象灾害与缺氧灾害关系的进一步研究，有望提高对缺氧的预测水平。从治理缺氧灾害的角度看，此研究也提示虽然削减陆源营养盐排放可能通过遏制水体富营养化、降低初级生产力缓解水体缺氧程度，但沉积物耗氧是相对稳定的过程，可能持续从水体中移除溶解氧，抵消部分治理效果。

对其他强潮型近海海域缺氧的启示：

前人经验认为沉积物沉积物耗氧的相对贡献随水深变浅而加强，因为浅水区域颗粒有机碳的沉降距离更短，在水体中滞留的时间更短，有更多的有机碳在沉积物中降解耗氧。但是，长江浅滩潮汐动力强又经常受台风等过程强烈扰动，再悬浮作用使颗粒有机碳在水体中的滞留时间增长。从沉积物沉积物耗氧的角度看，有机碳在沉积物中的分解速率受溶解氧浓度的制约，所以可以从溶解氧进入沉积物的方式将沉积物耗氧分成3个分量。第一是由于孔隙水对流将溶解氧带入沉积物中进而促进有机碳分解，这个过程造成的沉积物耗氧被称为孔隙水对流（引起的）耗氧；第二是由于底栖生物扰动而携带溶解氧进入更深层沉积物进而促进有机碳分解，这个过程被抽象成生物扰动（引起的）耗氧；第三是由沉积物—水界面通过分子扩散作用向沉积物内部补充溶解氧进而促进有机碳分解，这个过程被称为分子扩散（引起的）耗氧。在长江浅滩砂质区主要是孔隙水对流耗氧主导沉积物耗氧，分子扩散耗氧可以忽略不计。如图3a所示，当水体混合剧烈，初级生产力低时，虽然生物扰动耗氧降低，但沉积物中孔隙水对流耗氧增强，导致沉积物耗氧相对于水体耗氧的贡献加强，此时水体缺氧程度较轻或不发生缺氧。如图3b所示，当水体稳定，初级生产力高时，虽然生物扰动耗氧升高，但沉积物中孔隙水对流耗氧降低，导致沉积物耗氧相对于水体耗氧的贡献减弱，此时大量有机碳在水体内分解耗氧，往往形成大面积缺氧区。

图3 水动力强（a）与弱（b）时近海砂质区浮游—底栖系统与缺氧现象相关的响应。

本研究由国家重点研发计划（2018YFD0900906），浙江省万人计划（2020R52038），国家自然科学基金（41876026），上海交通大学-海洋二所“深蓝计划”基金（SL2102），SOED自主课题等项目资助。

引用：Meng, Q., Zhang, W., Zhou, F., Liao, Y., Yu, P., Tang, Y., Ma, X., Tian, D., Ding, R., Ni, X., Zeng, D. & Schrum, C. (2022). Water oxygen consumption rather than sediment oxygen consumption drives the variation of hypoxia on the East China Sea shelf. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, e2021JG006705. https://doi.org/10.1029/2021JG006705

团队的近期成果

Tian D, Zhou F, Zhang W Y, Zhang H, Ma X and Guo X. Effects of dissolved oxygen and nutrients from the Kuroshio Current on hypoxia off the Changjiang Estuary. Journal of Oceanology and Limnology.  https://link.springer.com/article/10.1007/s00343-021-0440-3.