快速温度翻转加速并加剧了北回归线地区一座水库的冬季缺氧与内源负荷

《Journal of Hydrology》：Rapid temperature flips accelerate and amplify winter hypoxia and internal loading in a reservoir at the tropic of cancer

　　

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  RTF将冬季翻转转变为间歇性混合-再分层脉冲
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  连续的RTF缩短了Mn(II)氧化和NH₃-N硝化的时间窗口。
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  再分层在每次混合事件之前重建了温跃层以下Mn和NH₃-N储库。
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  RTF将渐进的季节性负荷转变为突发的冬季水质冲击。
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  四次混合事件贡献了全年Mn负荷的57.9%和NH₃-N负荷的34.0%。

引言

尽管冬季动态过程对于湖泊和水库生态系统的季节性转换及后续演替至关重要（Bertone等，2015b；Yang等，2020；Ghane和Boegman，2021），但水文学研究长期以来更侧重于更为显著的夏季过程，如热分层（Shi等，2025；Wang等，2012；Woolway等，2021）、藻华（Qin等，2021；Yang等，2022）和初级生产力（Grossart等，2026；Winder和Sommer，2012）。在未封冻的亚热带湖泊和水库中，这种季节失衡部分反映了人们对冬季是相对静默时期、直接水质风险较夏季更少的普遍认知（Liu等，2019；Shi等，2022；Wang等，2012；Xu等，2025）。因此，短期冬季水动力和生物地球化学变异性受到的关注相对有限，限制了对冬季过程的理解（Jansen等，2021；Wells等，2025）。冬季因此常被视作生物地球化学活动低微的阶段。然而，在极端天气日益频发的背景下，低纬度湖泊和水库的冬季混合过程呈现出显著变化，这主要由气象扰动驱动，使其热结构不稳定（Kraemer等，2015）。这些破坏热结构的扰动不仅改变了垂直输运效率，还改变了底水还原氧化条件以及沉积物-水界面（SWI）附近的理化梯度（MacIntyre等，1999；Bouffard和Wüest，2019）。这些物理扰动与还原氧化梯度变化及关键元素形态转化紧密耦合，从而促进了耗氧还原产物（Fe²⁺、Mn²⁺、NH₄⁺、S^2?）从沉积物向水柱的释放（Jacob，2002）。尽管其重要性已被认识，但在极端气象强迫下，瞬时冬季混合如何调控SWI地球化学过程仍缺乏充分约束，事件尺度的内源通量和负荷定量估计仍十分稀缺（Yang等，2020；Jansen等，2021）。这一知识空白限制了基于过程的气候驱动水质风险预测和主动防控，从而制约了饮用水安全。

随着气候变化加剧，冬季动态过程正变得越来越重要（Woolway等，2020）。全球观测表明，自20世纪中叶以来，快速温度翻转（RTF）的频率和强度显著增加，在热带和亚热带地区（包括中国南方、南美洲和非洲）尤为突出（Wu等，2025a）。与此同时，低纬度地区冬季热浪变得更加频繁和持久（Wu等，2025b），进一步加剧了冬季短期温度变异性。气候变化已知会改变湖泊混合模式（Sullivan等，2025；Woolway和Merchant，2019）。然而，短期冬季RTF如何重新组织事件尺度混合仍缺乏充分约束。这一差距对亚热带和热带水库尤为重要，因为那里地表热通量的微小变化即可迅速改变脆弱的冬季分层结构，而连续高频观测仍然有限（Kraemer等，2015；Li等，2025a；Liu等，2019；Marcé等，2016；Pilla等，2021）。

尽管RTF的重要性日益凸显，但在观测能力、物理解释和建模方面仍存在重大局限。常规监测往往缺乏解析混合期间热结构和水质快速变化所需的时间和垂直分辨率（Noori等，2021；Shi等，2022）。因此，在许多观测研究中，短暂的事件动态可能被遗漏或简化为粗略的事件前后对比（Jennings等，2012；Marcé等，2016）。在物理解释方面，事件尺度研究为温室气体排放提供了重要见解（Encinas Fernández等，2014；Pu等，2020），但关于Fe、Mn和NH₃-N等耗氧溶解性物质的可比事件尺度证据仍然稀缺。由于高频现场观测的匮乏，事件驱动内源负荷及其对水质恶化的贡献定量评估仍然有限（Marcé等，2016；Krueger等，2020）。这些空白在预测冬季水质风险时引入了很大不确定性，阻碍了从被动管理向基于过程的主动调控的转型。

为应对这些科学和管理需求，本研究将快速冷-暖温度翻转作为外部强迫，考察了位于中国南方北回归线附近的一座饮用水水库。研究整合了多源观测数据，包括长期水库-水厂联合监测记录、高频水温和溶解氧剖面数据，以及代表年内采集的垂向原位水质剖面数据。通过将这些数据集对齐至统一时间轴，协同考察了气象强迫、热响应、沉积物-水界面生物地球化学动态和取水水质响应。研究探讨了三个相互关联的问题：（1）RTF如何改变热稳定性并决定冬季混合模式？（2）RTF驱动的混合事件如何调控水柱中的氧气动态和还原物质迁移？（3）冬季混合事件对内源负荷和水质恶化的贡献有多大？研究结果预期可提供基于物理的过程表征和定量工具，以支持亚热带和热带地区饮用水水库从被动应对向基于过程的预警和风险缓解转变。

章节摘要

研究地点

大湾滩水库（DWT；22.30°–22.60°N，108.15°–108.37°E）位于中国南方，是南宁市最大的饮用水供应水库。水库集水面积为907.5 km²，平均水深13.7 m，最大水深23.0 m（图1）。入流主要来自降雨驱动的径流，另有上游八尺江和凤亭河水库的补充贡献（Li等，2025b）。水力停留时间约为

气象强迫：变暖冬季中加强的RTF

南宁市50年气象记录显示冬季变暖趋势显著，自20世纪90年代以来暖冬年份显著增多（图S4）。然而，这些较暖的季节却频繁出现短暂而剧烈的降温过程（图2）。与冷冬年长时间渐进降温不同，单个冷空气过程表现为由骤冷驱动的、特征明显的脉冲式事件（图2

RTF在暖温单层水库中重塑冬季混合模式

2024年冬与2025年冬的对比表明，反复出现的RTF改变了冬季翻转的时间组织方式，而未改变DWT水库的暖温单层分类。在2025年冬季接近正常条件下，表层逐渐降温逐步削弱分层并产生持续的近等温状态，符合暖温单层湖泊的传统混合路径（Lewis Jr.，1983；Bertone等，2015b）。在冬季

结论

尽管冬季变暖通常被认为会增强水库热稳定性，但DWT水库的长期气象记录表明，暖冬可伴随更频繁和更剧烈的RTF。2024年冬，连续的冷-暖/暖-冷温度翻转将冬季混合模式从相对连续的降温驱动翻转转变为短期混合后快速再分层的事件序列。每次冷翻转驱动的降温过程加深了混合层并卷入

CRediT作者贡献声明

朱雅：写作–审阅与编辑，写作–初稿，可视化，方法，调查，形式化分析。李一平：写作–审阅与编辑，指导，方法，调查，资金获取。陈宇：写作–初稿，验证，调查。王艳宁：写作–初稿，调查。吉道彬：方法，调查。赵星星：方法，调查。Carlo Gualtieri：写作–审阅与编辑，指导。Martin Schmid：

未引用参考文献

Lewis（1983）。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作由国家自然科学基金委员会资助（52039003）。作者感谢王璨、鲍航通和王楚尔在野外工作方面的协助。

朱雅|李一平|陈宇|王艳宁|吉道彬|赵星星|Carlo Gualtieri|Martin Schmid