气候变暖驱动下Oberon水库分层强化与深层缺氧的十年演变：对水质及金属/营养盐循环的影响

《Science of The Total Environment》：Climate-driven intensification of stratification and hypolimnetic deoxygenation in Oberon reservoir: A decadal analysis

本研究针对气候变暖加剧水库热分层、导致深层水体缺氧及水质恶化的问题，开展了对Oberon水库(OR)为期十年(2016–2025)的监测与模拟研究。通过结合现场观测与季节性自回归积分移动平均(SARIMA)模型，研究人员揭示了热分层强度(TSI)与化学分层指数(IC-i)的紧密耦合关系，证实了气候驱动下热分层持续强化会加剧深层缺氧(Hypolimnetic anoxia)，并促进铁(Fe)、锰(Mn)、无机磷(P)和铵氮(NH4+-N)等从沉积物中释放。研究预测至2030年表层水温将上升约2.5°C，分层将进一步加剧。该成果为制定气候适应型水库管理策略（如人工扰沌）提供了关键科学依据，对保障饮用水安全及水生生态系统健康具有重要意义。

　　

在全球气候变暖的背景下，淡水生态系统正面临着前所未有的压力。其中，热分层（Thermal Stratification, ThS）作为一种关键物理过程，深刻影响着湖泊和水库的水质动态。简单来说，热分层就是水体因温度差异而分层的现象：阳光照射使表层水温升高、密度降低，形成温暖的表水层（Epilimnion）；底层则保持低温、高密度，形成深水层（Hypolimnion）；两者之间存在一个温度急剧变化的过渡层，即温跃层（Thermocline）。这一分层结构犹如给水库盖上了一层“隔热被”，阻碍了上下水体的混合，导致底层水体氧气消耗后得不到补充，进而引发缺氧甚至无氧状态。在这种缺氧环境下，沉积物中的铁、锰等金属氧化物以及结合在其中的营养物质（如磷）会通过一系列复杂的氧化还原（Redox）反应被释放回水体，造成内部污染负荷增加，加剧富营养化，威胁饮用水安全和 aquatic 生物多样性。因此，厘清气候变暖如何影响水库热分层及其后续的生物地球化学效应，对于水资源可持续管理至关重要。

位于澳大利亚新南威尔士州的奥伯伦水库（Oberon Reservoir, OR），是一个典型的温带单次混合水库（每年完全混合一次），其强烈的季节性分层使其成为研究气候驱动下水质变化的天然实验室。尽管热分层在全球淡水系统中已被广泛研究，但其长期演变趋势及对未来水质的深远影响，特别是在OR这样的具体系统中，仍未得到系统评估，这制约了在变暖气候下制定适应性管理策略。为此，由Khin July Win Thant、Peter Thew、Joe Pera、Lee J. Baumgartner和Lalantha Seneviratha组成的研究团队，在《Science of The Total Environment》上发表了他们的研究成果，通过整合九年（2016–2025）的实地水质监测数据和先进的统计模型，深入剖析了OR热分层的历史演变并预测了其未来轨迹。

为了回答上述科学问题，研究人员主要运用了几项关键技术方法。首先是长期的、多深度的现场水质监测，每月在固定点位（站点“S”）的0、5、10、15、20和25米深度采集水样，使用多参数 sondes（如EXO2）和比色法（HACH DR 1900）精确测量水温（WT）、溶解氧（DO）、pH、铁（Fe）、锰（Mn）、无机磷（P）和铵氮（NH₄⁺-N）等关键水质参数。其次，他们利用判别法定量分析了热分层的关键指标，包括温跃层深度（TD）、温跃层底部深度（TB）、温跃层厚度（TT）、分层指数（S）以及温跃层强度指数（TSI）。第三，为了量化化学分层，研究采用了化学分层指数（IC-i）来表征不同水质参数在垂直方向上的梯度。最后，也是本研究的核心分析工具，是季节性自回归积分移动平均（Seasonal Autoregressive Integrated Moving Average, SARIMA）模型。该时间序列预测模型能够有效捕捉数据中的长期趋势和季节性周期，被用于校准历史数据并预测未来（至2030年）水温分层和水质参数的变化。模型性能通过平均误差（ME）、均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）、对称平均绝对百分比误差（SMAPE）、平均绝对尺度误差（MASE）和残差自相关（ACF?）等指标进行严格评估，确保了预测的可靠性。

3.1. 水温（WTs）变化

研究结果显示，OR的水温呈现出典型的温带单次混合模式。每年夏季（12月至次年2月），强烈的太阳辐射导致稳定的热分层形成，温跃层通常位于10米深度附近，表层水温最高可达20°C，而底层水温则稳定在较低水平（约10.79 ± 3.45°C），最大垂直温差可达8.90°C。秋季，随着气温下降，分层逐渐减弱。冬季，水体发生完全混合，水柱趋于等温。通过对温跃层参数（如TT, TB, TD, S, TSI）的分析发现，从2016年到2025年，热分层有加强的趋势，特别是在2024年末至2025年初，分层指数（S）出现了异常高值（高达0.53），表明气候异常（如高温、低风速）可能加剧了分层的稳定性。

3.2. 溶解氧（DO）变化

溶解氧的分布与热分层紧密相关。夏季分层期间，表层DO浓度较高（8-10 mg/L），而底层DO则急剧下降至0-2 mg/L，出现持续数月的缺氧状态。冬季混合期，整个水柱的DO恢复均匀且接近饱和（7-9 mg/L）。这种季节性的缺氧模式为底层发生的还原性反应创造了条件。

3.3. pH变化

pH值也表现出明显的垂直梯度。夏季表层因光合作用吸收CO₂而偏碱性（pH > 8.0），底层则因有机物分解积累CO₂而偏酸性（pH可低于7.0）。这种pH差异进一步影响了金属的溶解度和营养盐的形态。

3.4. Fe和Mn变化

Fe和Mn的循环受氧化还原状态控制。在夏季分层缺氧期间，底层的Fe和Mn浓度显著升高（Fe > 0.5 mg/L, Mn > 0.6 mg/L），这是由于Fe(III)和Mn(IV)的氧化物被还原为可溶性的Fe²⁺和Mn²⁺（即还原性溶解）。冬季混合时，浓度趋于均匀。数据显示，底层Fe和Mn的最大浓度在观测期内有上升趋势，暗示着分层加剧导致释放量增加。

3.5. 无机P变化

无机P在夏季分层期间在底层富集，浓度（0.38–0.41 mg/L）远高于表层，这主要归因于缺氧条件下与铁氧化物结合的磷被释放。其浓度始终高于淡水富营养化阈值（0.02 mg/L），表明OR处于持续的富营养化状态。

3.6. NH₄⁺-N变化

铵氮在夏季分层缺氧的底层积累（峰值0.3–0.7 mg/L），因为缺氧抑制了将NH₄⁺-N转化为硝酸盐的硝化作用。冬季混合时，浓度下降并趋于均匀。

3.7. 气候变暖下的热分层强化

线性回归分析表明，2016-2025年间，OR夏季表层水温呈现显著上升趋势（R2 = 0.56），而底层水温变化微弱（R2 = 0.15），这意味着表层与底层之间的温差在加大，热分层正在强化。与其他新南威尔士州的水库相比，OR显示出更尖锐和稳定的热梯度。

3.8. 气候变暖下的化学分层强化与深层缺氧

回归分析证实，热分层强度指数（TSI）与代表化学分层的IC-i指数（针对DO, NH₄⁺-N, P, Fe, Mn）之间存在强相关性（TSI解释了超过77%的化学分层方差）。这表明热分层的加强直接导致了化学分层的加剧，即底层缺氧以及营养盐和金属的积累。标准偏差（SD）分析显示，底层水质参数的变异性通常高于表层，反映了底层水体对物理化学过程（如间歇性混合、沉积物-水交换）的高度敏感性。

3.9. 混合期间的水质

冬季的完全混合暂时恢复了水体的垂直均质性，缓解了缺氧并重新氧化了部分溶质。然而，这种混合并未能完全抵消长期分层造成的累积影响，内部负荷和氧化还原驱动过程的影响在混合后依然存在。

3.10. OR热结构和水质的气候驱动变化

SARIMA模型预测显示，在持续气候变暖情景下，OR的表层水温到2030年预计将上升约2.5°C，而底层水温增幅较小，这将导致热分层进一步强化和延长。随之而来的是底层缺氧的加剧和持续时间的延长，以及Fe、Mn、P等物质内部负荷的潜在增加。模型预测性能良好，各项误差指标（如SMAPE一般低于10%，MASE <1）均支持预测结果的可靠性。

综上所述，本研究通过对Oberon水库十年的系统观测和建模分析，清晰地揭示了气候变暖通过强化热分层，进而加剧深层缺氧、促进营养盐和金属释放，最终导致水质恶化的连锁反应。研究结论强调，尽管冬季混合能暂时改善状况，但不足以逆转气候变暖带来的长期累积效应。SARIMA模型的成功应用为预测未来水质变化提供了有力工具。基于这些发现，研究者建议采取积极的适应性管理策略，例如实施人工扰沌技术（Artificial destratification）来破坏热分层、增加底层溶氧，并结合长期监测和预测模型，以应对气候变化对水库水质和生态系统构成的日益严峻的挑战。这项研究不仅为OR的管理提供了科学依据，也为全球面临类似问题的湖泊和水库提供了宝贵的参考。