烟台近海季节性低氧的生消过程及其生态效应解析

中国科学院烟台海岸带研究所研究团队阐释了烟台近海季节性低氧形成的主要影响因素，解析了季节性低氧对生源要素地球化学循环过程的影响。聚焦于山东半岛北部养马岛附近海域日趋严重的低氧灾害问题，通过大量现场观测，并结合有针对性的实验室培养实验，探讨了季节性低氧的生消过程及其主要控制机制，评估了DO对生源要素碳、氮、磷、硅等地球化学循环过程的影响，揭示了低氧灾害的生态效应。

研究表明，水体层化和扇贝养殖活动的共同作用是导致养马岛附近海域底层水体夏季发生低氧灾害的重要因素；持续的高气温和低风速是造成该海域水体夏季出现层化的主导因素，扇贝养殖设施引起的水交换减缓则是水体分层和低氧发生的重要促进因素；温跃层厚度大于2.5 m、上边界深度在7.0 m以下的水体更易发生低氧；当底层水体的表观好氧量大于4 mg/L，即使没有跃层存在也能够发生低氧，说明层化虽然能够促进底层水体低氧的形成，但并非必不可少（图1）[1]。温度是该海域海水中DO季节变化的主要驱动因素，夏季底层水体的DO下降速度约为表层水体的3~4倍，水体耗氧是DO支出的主要途径[2]。

图1 养马岛附近海域水体层化和底层耗氧对海水DO的影响（α：温跃层强度；β：盐跃层强度；TT：温跃层厚度；TD：温跃层上边界深度；HT：盐跃层厚度；HD：盐跃层上边界深度；AOU：表观耗氧量）[1]

扇贝养殖活动对底层水体夏季低氧形成的促进作用还体现在其对有机质迁移转化的影响。海湾扇贝的排泄作用将大量具有高分子量和低腐殖度特征的溶解有机质（DOM）释放到水柱中，改变了有机质的生物地球化学循环。海湾扇贝在一个养殖周期内（6月-11月）的排泄过程可使海水中溶解有机碳增加19.7 μmol/L，假设扇贝排泄的DOM中不稳定部分被完全耗氧分解，可使养马岛附近海域海水中DO和pH分别降低-13.4 μmol/L和-0.018[3]，使水体总碱度降低75.7 μmol/kg，从而加速低氧和海水酸化的进程[4]。 

上覆水体中DO浓度会影响沉积物有机质的好氧和厌氧分解模式，从而主导营养盐和荧光溶解性有机质（FDOM）的释放。当上覆水体中DO > 50 μmol/L时，有利于沉积物中铵氮、硅和FDOM的释放；当上覆水体中DO < 100 μmol/L时，会加速沉积物中磷的释放[5]。在夏季，低氧通过有机质矿化和铁结合态磷（Fe-P）还原促进了沉积物中磷向上覆水中迁移；相比之下，秋季水体的富氧状态促进了沉积物中Fe/Mn氧化物与磷酸盐共沉淀形成Fe-P（图2）[6]。

图2低氧与富氧条件下，沉积物中不同形态磷的收支[6]

2019-2020年初级生产是水体溶解氧的主要来源，约为61 μmol/L；而水体有机质降解与海气交换是溶解氧支出的主要途径，分别为-293 μmol/L和-247 μmol/L。水体和沉积物耗氧能够使水体溶解氧浓度降低，其中沉积物好氧的贡献很小，每月仅能使溶解氧浓度降低约6 μmol/L，水体耗氧是底层水体缺氧的主要因素，其贡献约为沉积物好氧的50倍。扇贝呼吸耗氧对水体溶解氧影响与沉积物耗氧相当，每月仅能使溶解氧浓度降低约5 μmol/L。尽管扇贝呼吸过程对溶解氧收支的贡献微不足道，但是其排泄产生的有机质以及养殖设施所导致的水动力条件的削弱均能够促进水体溶解氧的亏损。扇贝摄食将初级生产者固定的无机营养盐转化为自身机体组织，同时扇贝摄食造成大量生物可利用有机质由表层水体向底层水体和沉积物转移并发生降解，是造成该海域溶解无机营养盐浓度较低和夏季底层水缺氧的重要因素。

相关文献：

[1] Sun X , Gao X , Zhao J ,et al.Promoting effect of raft-raised scallop culture on the formation of coastal hypoxia.[J].Environmental research, 2023:, 115810. DOI:10.1016/j.envres.2023.115810.

[2] Yang B, Gao X, Zhao J, et al. Summer deoxygenation in a bay scallop (Argopecten irradians) farming area: The decisive role of water temperature, stratification and beyond[J]. Marine Pollution Bulletin, 2021, 173: 113092.

[3] Yang B , Gao X , Zhao J ,et al.The impacts of intensive scallop farming on dissolved organic matter in the coastal waters adjacent to the Yangma Island, North Yellow Sea[J].Science of The Total Environment, 2022, 807:150989-.DOI:10.1016/j.scitotenv.2021.150989.

[4] Yang B , Gao X , Zhao J ,et al.Massive shellfish farming might accelerate coastal acidification: A case study on carbonate system dynamics in a bay scallop (Argopecten irradians) farming area, North Yellow Sea[J].The Science of the total environment, 798:149214[2025-07-16].DOI:10.1016/j.scitotenv.2021.149214.

[5] Yang B , Gao X , Zhao J ,et al.Potential linkage between sedimentary oxygen consumption and benthic flux of biogenic elements in a coastal scallop farming area, North Yellow Sea[J].Chemosphere, 2021, 273(12):129641.DOI:10.1016/j.chemosphere.2021.129641.

[6] Yang B , Gao X , Zhao J ,et al.The influence of summer hypoxia on sedimentary phosphorus biogeochemistry in a coastal scallop farming area, North Yellow Sea[J].Science of The Total Environment, 2020, 759(1):143486.DOI:10.1016/j.scitotenv.2020.143486.