波致Langmuir环流促进大型浅水缺氧湖泊底层水体间歇性复氧的机制研究

《Journal of Hydrology》：Langmuir circulation facilitates episodic reoxygenation in a hypoxic shallow lake

　　

湖泊被广泛视为生态系统哨兵（ecosystem sentinels），对气候变化和人为干扰响应迅速。作为环境退化的关键指标，缺氧（hypoxia）的空间普遍性与时间持续性可触发级联生态效应，导致生物量与生物多样性下降、鱼类行为改变、大规模死亡事件及营养级结构剧变。在缺氧条件下，微生物呼吸沿氧化还原阶梯（redox ladder）进行，利用硝酸盐、硫酸盐等替代电子受体，最终产生硫化氢（H₂S），引发人类呼吸系统问题、恶心、神经系统症状及心理社会福祉损害。缺氧在淡水与咸水系统中广泛分布，浅水湖泊或高表面积深度比系统尤为严重。气候变化预计通过调节氧气供给、传输与溶解度的物理过程加剧缺氧，而湖泊容积与表面积缩减可能进一步缩短风区（fetch）并改变混合动力学。风驱动剪切湍流（wind-driven shear turbulence）、Langmuir环流（Langmuir circulation）与对流不稳定（convective instabilities）对浅水湖泊复氧的相对贡献仍不清楚。咸水湖（saline lakes）虽占全球湖泊水体积近45%并提供重要生态服务，但研究严重不足。本研究以快速收缩的强营养盐咸水湖Salton Sea为对象，将溶解氧（dissolved oxygen, DO）观测映射到涵盖Langmuir湍流、风驱动剪切湍流与对流不稳定三种典型混合机制的参数空间。研究发现，Langmuir环流与大型浅水咸水湖中高于风驱动剪切湍流的底层溶解氧浓度相关；九个月观测显示Salton Sea存在持续性缺氧，近岸水域在35%的观测期处于缺氧状态，湖心区域达68–99%；湖泊收缩所致风区（fetch）缩短可能削弱Langmuir环流，减少底层水体通风，潜在扩大缺氧区域并威胁生态系统功能与公共健康。

湖泊作为生态系统哨兵（ecosystem sentinels），对气候变化及人为扰动响应敏感。其中，缺氧（hypoxia）的空间扩展与时间持续是环境退化的核心表征。当生物需氧超过光合作用与气水交换等复氧过程时，水体溶解氧被耗竭，引发生物量与生物多样性下降、鱼类行为异常、大规模死亡及营养级结构改变等生态级联效应。在缺氧还原环境下，微生物代谢沿氧化还原阶梯（redox ladder）依次利用替代电子受体，终产物硫化氢（H₂S）不仅直接损害人体呼吸与神经系统，其恶臭还造成显著的心理与社会福祉负担。当前，全球淡水与咸水湖泊均面临缺氧威胁，浅水湖泊及高表面积深度比系统尤为严峻。气候变化正通过改变氧气供给、传输与溶解度的物理过程加剧缺氧态势，而湖泊退缩所致风区（fetch）缩短进一步改变混合动力学。风驱动剪切湍流（wind-driven shear turbulence）、Langmuir环流（Langmuir circulation）与对流不稳定（convective instabilities）均为调控水体混合的关键机制，但三者在浅水湖泊中对底层复氧的相对贡献仍缺乏系统认知。咸水湖（saline lakes）承载全球近45%的湖泊水量，提供渔业、候鸟栖息地等关键生态服务，然而其长期原位监测严重匮乏，制约了快速环境变化下生物物理响应的识别与预测。

针对上述问题，研究人员以美国加利福尼亚州Salton Sea这一大型浅水咸水湖为对象，于2025年3月至12月开展为期九个月的水文气象连续观测，将溶解氧（dissolved oxygen, DO）分布映射至涵盖Langmuir湍流、风驱动剪切湍流与对流不稳定三种混合机制的无量纲参数空间，系统解析物理过程对底层氧变异性的调控作用。研究证实，Langmuir环流是驱动该湖近岸底层水体间歇性复氧的核心机制，其发现为消失湖泊（disappearing lakes）的氧气动态预测与生态健康评估提供了关键物理框架，对理解退缩湖泊的公共健康风险具有重要科学意义。

研究人员依托部署于Salton Sea北部的两个原位观测浮标（M1与M2）构成样本队列，获取连续水文气象数据。M1位于约2.5 m水深，M2位于约11 m水深，分别装备PME miniDOT溶解氧温度记录仪、SBE 56温度记录仪、RBRsolo4 D压力传感器、HOBO盐水电导率仪及SBE 37 MicroCAT等仪器，同步采集水温、溶解氧、压力与电导率数据；另设Met One气象站监测风速与辐射等要素。研究人员采用Garcia and Gordon氧溶解度公式校正高盐水体溶解氧浓度，并运用Winkler滴定法验证。研究引入湍流Langmuir数（La_t）与稳定度参数构建混合机制判别框架，区分Langmuir主导、风剪切主导与对流不稳定三种状态。

3.1 Overview of observations
观测数据表明，Salton Sea在九个月观测期内水体频繁在分层与混合状态间转换。尽管存在间歇性混合，缺氧现象在整个盆地内普遍持续。在M2点，距底0.5 m处溶解氧低于3.5 mg L^?1的时间占记录期的99%，距表1.5 m处占68%；近表层缺氧在9月至11月超过85%的观测时段。M1点夏季（5–9月）底层溶解氧低于3.5 mg L^?1占47%，低于2 mg L^?1占29%。显著波高夏季维持在0.2–0.6 m，秋季降至0.2 m以下。

3.2 Mixing mechanisms
通过参数空间映射，研究人员发现晚春至初夏（4–7月）观测多分布于混合机制边界，表明多种湍流机制共同贡献。在稳定化表层浮力强迫（即表层增温）期间，观测偏向Langmuir环流regime，显示Langmuir湍流成为维持混合的主导机制。风驱动剪切湍流全年均有出现，但在春秋净浮力增加期间相对盛行。

3.3 Contributions to oxygenation
不同湍流机制对应的底层水体表观耗氧量（AOU，Apparent Oxygen Utilization）差异显著。在稳定化表层浮力强迫下，Langmuir主导条件的平均AOU较风驱动条件低0.7 mg L^?1，表明Langmuir混合期间底层氧可用性更高；置换检验（permutation test）与Kolmogorov–Smirnov检验均显示差异显著。在不稳定强迫期间，差异缩小至0.5 mg L^?1。

3.4 Dissolved oxygen across time of day
加权昼夜小时平均显示，白天时段Langmuir环流主导期间水体溶解氧浓度（或AOU）高于风驱动剪切主导期间。风驱动剪切regime的AOU均值通常在95%置信水平下与零无显著差异，表明平均接近氧饱和度。不稳定条件多出现在傍晚与夜间。所有湍流机制下，夜间AOU或与零无显著差异或略呈正值，符合呼吸耗氧导致的氧亏特征。

讨论与结论部分，研究人员指出，Salton Sea水位正以约0.2 m yr^?1的速率下降，现有工程与管理决策多基于上世纪90年代至本世纪初的数据，已严重滞后于湖泊现实状态。研究强调，持续监测收缩湖泊对更新氧动态机制认知至关重要。随着湖面退缩，风区缩短将限制风浪增长，进而削弱Langmuir环流发育，导致复氧事件频次降低、缺氧持久化。关于Langmuir环流增氧机制，研究认为其并非仅通过增强垂直翻转实现，因为两种湍流机制间垂直温度梯度无显著差异；数值模拟与现场观测提示，Langmuir环流可能通过增加卷入气泡的次表层滞留时间促进气泡溶解与氧气传输。此外，风驱动剪切可能通过横向交换将贫氧的离岸水体带入近岸区，部分抵消局地混合增氧效益；对流不稳定因主要发生于夜间呼吸主导时段，对近岸浅水区底层通风贡献有限。研究同时指出，受密度估算不确定性限制，尚无法利用理查森数（Richardson number）直接量化水体分层强度；侧边界平流、内波及假潮（seiches）等过程亦可能参与底层水体通风，但相对贡献尚待量化。研究结论强调，波驱动Langmuir环流在大型浅水缺氧湖泊近岸底层水体的间歇性复氧中发挥关键作用，此类观测特征为溶解氧常超过温度相关饱和度，提示应将Langmuir环流纳入湖泊混合模型以准确捕捉生物地球物理过程。风剪切主导观测则普遍呈现持续性氧亏。对流不稳定仅于夜间有限贡献底层通风，并在秋冬表层冷却期重要性上升。随着Salton Sea水位下降，风区缩短将削弱波驱动机制，抑制夏季复氧，导致局地缺氧区加速扩展与持续，为全球消失湖泊的氧气动态变化提供了警示性范例。