《Regional Studies in Marine Science》：Deep water of the Gdansk Deep (Baltic Sea): variability of hydrology and dissolved oxygen over recent decades
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本文针对波罗的海格但斯克海盆深层水体（>100米）在2003-2023年间的溶解氧（DO）持续下降及缺氧/硫化氢（H2S）现象加剧问题，开展了系统的水文和生物地球化学研究。通过整合超过4000个现场测量数据与NEMO、ERGOM模型输出，研究发现深层水温显著上升约1.6°C，盐度微增0.7 PSU，而DO浓度自2018年后急剧下降至<1 ml/L，并于2019年起持续出现硫化氢条件。研究揭示了主要波罗的海入侵（MBI）事件后氧气的快速消耗机制，并指出底部沉积物中的生物地球化学过程是驱动缺氧加剧的关键因素，为理解气候变化与人为富营养化共同作用下 Baltic Sea 生态系统的长期演变提供了重要科学依据。
波罗的海，这个被陆地环抱的半咸水内海，以其独特而脆弱的生态系统闻名于世。然而，近年来，这片海域的深层水体正经历着一场悄无声息的危机——溶解氧的持续丧失和硫化氢的蔓延。其中，位于波罗的海东南部的格但斯克海盆，因其对缺氧的高度敏感性，成为了科学家们密切关注的焦点区域。在缺乏重大干预措施的情况下，波罗的海深层水体的缺氧已成为一种常态，这主要由历史营养盐负荷和物理分层结构所维持，仅能被罕见的主要波罗的海入侵事件短暂打断。那么，在2003年至2023年这二十年间，格但斯克海盆的深层水体究竟发生了怎样的变化？其水文特征和溶解氧状况的长期趋势如何？驱动这些变化的关键因素又是什么？为了回答这些问题，由Kapustina Mariia、Bubnova Ekaterina和Dudkov Ivan组成的研究团队，依托俄罗斯科学院希尔绍夫海洋研究所大西洋分所等机构，开展了一项深入的研究，其成果发表在《Regional Studies in Marine Science》上。
为了全面揭示格但斯克海盆深层水体的演变规律，研究人员综合运用了多种技术手段。他们收集了2003年至2023年间在俄罗斯专属经济区进行的长期环境监测数据，包括超过630次溶解氧测量，并补充了国际海洋勘探理事会公开数据库中的3600个数据点。水文结构参数（温度、盐度、深度）的测量使用了多种先进的水文探测仪，如Neil Brown Mark III、Sea&Sun Tech CTD系列、Idronaut OS 316 Plus等。溶解氧浓度采用经典的温克勒改良法测定，而溶解态硫化氢浓度则通过N,N-二甲基对苯二胺和乙酸锌法进行测量计算。为了更深入地解析氧和硫化氢的收支平衡，研究还利用了CMEMS波罗的海物理再分析产品和NEMO-ERGOM、MOM5-ERGOM两种先进的生物地球化学数值模型的数据集，这些模型专门用于模拟波罗的海的氧化还原过程。通过对这些多源数据的整合与趋势分析，并结合对特定生物地球化学过程（如有机物矿化、硝化作用、硫酸盐还原等）的量化评估，研究人员得以系统地刻画该海盆深层水体的长期变化及其内在驱动机制。
3.1. 2003–2023年间格但斯克海盆内的水文参数
研究结果显示，在过去的二十年里，格但斯克海盆深层水体经历了显著的变化。温度呈现出明确的上升趋势，根据监测数据和NEMO模型数据，底层水温增加了约1.6°C。盐度也略有上升，增加了约0.7 PSU，这种变化与2014年发生的、有记录以来第三大的主要波罗的海入侵事件密切相关。该事件导致2015年初深层盐度一度飙升至14.4 PSU。尽管存在由MBI引起的盐度波动，但深层水体的平均盐度在观测期内保持相对稳定。
3.2. 2003–2023年间格但斯克海盆深层溶解氧
最令人担忧的变化发生在溶解氧领域。在密度跃层（60-70米深度），溶解氧浓度从6-7 ml/L急剧下降至缺氧水平（<2 ml/L）。更严重的是，自2018年以后，浓度进一步降至<1 ml/L，并且从2019年到2023年底，深层水体持续出现硫化氢条件。数据分析揭示出溶解氧含量存在显著的长期下降趋势。根据ICES数据，氧含量以每年-0.075 ml/L的速率下降，而监测数据表明下降速率更快，为每年-0.104 ml/L。季节性振幅也在减小：与20年平均水平相比，2018年之后的夏季最低值下降了超过1.5 ml/L，冬季最大值也下降了0.6 ml/L。2018-2023年期间是状况最差的阶段，深层水体几乎持续处于硫化氢状态。
3.3. 模型数据与实地观测的验证
为了确保研究结论的可靠性，研究人员将NEMO和ERGOM模型的输出结果与实地观测数据进行了比较。结果表明，专门为模拟波罗的海氧和硫化氢动力学而开发的ERGOM模型，在再现格但斯克海盆深层溶解氧的现场数据方面表现更为可靠。因此，后续关于氧和硫化氢收支的计算均基于ERGOM模型的数据进行。
3.4. 溶解氧和硫化氢通量的评估
对生物地球化学收支的深入分析揭示了缺氧加剧的内在机制。在2003-2018年期间，格但斯克海盆深层缺氧加剧，这与沉积物中有机物矿化作用耗氧增加有关。耗氧的高峰通常出现在夏季月份（7-8月），此时较高的水温加速了矿化过程。沉积物是主要的耗氧场所，并且其作用在研究期间显著增强，成为缺氧形成的关键驱动因素。几乎所有的硫化氢都是在沉积物中通过硫酸盐还原产生的，其产量随着底层过程耗氧的增加而上升。比较2003-2013年和2014-2018年两个主要入侵间歇期发现，后一时期沉积过程对氧的消耗更高且更稳定，同时沉积物中硫化氢的产量也极高，这表明系统可能正向一个新的状态转变，即在夏季月份季节性出现溶解态硫化氢。
尽管2018-2023年大部分时间处于恶劣的缺氧状态，但2023年11-12月在格但斯克海盆南部斜坡（位置3）的深层观测到了溶解氧浓度异常升高至缺氧限度（2 ml/L）以上。研究人员推测，这可能是由南部陡坡上空的深层对流事件所致。强西风可能触发了下降流过程以及热对流，导致水体垂直混合，使富氧的表层水能够进入深层。这种局地的、风驱动的对流可能是除主要波罗的海入侵之外，向格但斯克海盆深层输送氧气的另一个潜在机制。
综上所述，这项研究清晰地描绘了格但斯克海盆深层水体在过去二十年间的恶化轨迹：水温显著升高，溶解氧持续下降，硫化氢条件从间歇性出现转变为近乎常态。研究指出，这种变化是自然气候变化和人为富营养化共同作用的结果。一方面，气候变暖导致水温上升，降低了氧的溶解度，并可能增强了分层，阻碍了垂直混合。另一方面，富营养化导致初级生产力提高，产生了大量的有机质，这些有机质沉降到深层并被分解，消耗了大量氧气，而底部沉积物中长期积累的有机质则构成了一个持续的“耗氧库”。尽管像主要波罗的海入侵这样的大规模事件能为深层带来氧气，但其效果是短暂的，氧气很快就会被消耗殆尽。研究发现，沉积物中的生物地球化学过程是驱动缺氧加剧的核心环节。此外，研究还提示了局地风驱动对流等小尺度过程可能对缓解局部缺氧起到一定作用，但这无法扭转整体恶化的趋势。这项研究的意义在于，它系统地量化了格但斯克海盆——这个对缺氧高度敏感的海盆——在过去二十年的环境演变，深刻揭示了其背后的物理和生物地球化学耦合机制，强调了在气候变化背景下控制营养盐输入以减轻波罗的海缺氧问题的紧迫性和长期性，为未来的环境管理和政策制定提供了关键的科学依据。
