西南波罗的海浅水区底层水euxinia的时空格局

《Limnology and Oceanography》：Spatial and temporal patterns of bottom water euxinia in shallow areas of the southwestern Baltic Sea

　　

在生产性沿海区域，沉积物是微生物硫酸盐还原产生硫化氢（H₂S）的热点区域。在缺氧的海底条件下，H₂S可以逸出沉积物并在底层水中积累，高浓度时使底栖环境具有毒性，造成生态和经济风险。位于西南波罗的海的基尔湾中部表现出强烈的季节性水体分层，夏末底层水呈缺氧至无氧状态。已在局部观测到硫缺氧环境（euxinia）条件（H₂S > 1?μM），但其范围和控制机制尚未完全明确。本研究利用多年沉积物和水体测量数据，结合机器学习模型，调查了基尔湾中部底层水H₂S的时空格局。研究人员发现，在夏末，euxinia影响到622?km²海床中约27%的区域，过去十年的反复H₂S检出凸显了其频繁发生。沉积物H₂S产生在有机物输入高的区域增强，但仅靠H₂S产生并不能控制其在底层水中的积累；相反，在深水驻留时间较长、氧化剂耗尽的河道和盆地中观察到最高的H₂S水平，从而促进了H₂S积累。此外，研究结果表明，有效的H₂S监测需要直接在海底上方采样，例如采集沉积物柱状样中的上覆水，因为H₂S通常局限于最底部水层，常规水体剖面测量无法探测到。适应性监测对于预测浅海波罗的海及其他沿海环境未来euxinia的发展至关重要。

**论文解读：西南波罗的海浅水区底层水硫化氢富集的时空格局与控制机制**

**一、研究背景与问题**

波罗的海是一个半封闭海，复杂的地形包括浅阈和深盆地，与北海的盐水交换有限，大量淡水输入及表底层温差导致水体密度分层明显。密度跃层限制了垂直混合，加之深层水更新缓慢和持续的氧气（O₂）消耗，波罗的海天然具有在跃层以下发展低氧（O₂ < 63?μM）或无氧（O₂ = 0?μM）条件的趋势。近一个世纪以来，海面温度上升和富营养化进一步加剧了O₂亏损，季节性低氧已扩展至浅海沿岸区。当O₂耗尽后，有机碳（OC）通过反硝化、锰（Mn）和铁（Fe）氧化物还原、硫酸盐（SO₄^2?）还原及产甲烷等厌氧途径被矿化，其中沿海沉积物中SO₄^2?还原常占主导，其产物硫化氢（H₂S）通常被沉积物截留或被氧化剂消耗，但在O₂和硝酸盐（NO₃^?）耗尽时，H₂S可逃逸至底层水形成euxinia（硫缺氧环境，H₂S > 1?μM）。尽管euxinia对底栖生态系统有重大影响，但此前对西部波罗的海，特别是基尔湾底层水H₂S的时空分布知之甚少。已有观测仅限少数站点，缺乏区域性空间分布图。因此，本研究旨在通过长期、多站点的观测结合机器学习模型，填补这一空白。

**二、研究内容与总体结论**

研究人员于2016—2025年间在基尔湾中部开展了多航次调查，收集了131个站点的沉积物、水体、底层水和孔隙水数据，其中73个站点获得了底层水H₂S数据。基于这些数据，采用分位数回归森林（Quantile Regression Forest, QRF）机器学习方法进行空间升尺度，绘制了夏末底层水H₂S分布图。研究发现，euxinia在夏末影响约27%的622?km²研究区海床；H₂S积累并非主要受沉积物产率控制，而是受深水驻留时间和水文滞留条件控制；常规CTD采样常漏检最底层水的H₂S，需采用沉积物柱上覆水或底栖剖面仪等直接海底采样手段。研究结果对理解季节性低氧沿岸区的euxinia演变及预测未来变化具有重要意义，为波罗的海环境管理和生态评估提供了基础。

**三、主要技术方法**

研究使用了多种观测手段：采用CTD（温盐深仪）与O₂传感器获取水体剖面，并用Niskin瓶在选定深度采集水样；在部分站点布放底栖痕量剖面仪（Benthic Trace Profiler, BTP）采集海底上方高分辨率水样；利用多管采样器（MUC）获取沉积短柱，并虹吸上覆水作为底层水样品，同时采集沉积物固相和孔隙水进行地球化学分析。孔隙水分析项目包括总碱度（TA）、NH₄⁺、SO₄^2?、H₂S、Fe和Mn。空间建模采用QRF，输入预测因子包括水深、到岸距离、沉积物类型、平均及最大驻留时间等。样本覆盖2016—2025年，关键站点包括博克尼斯角（Boknis Eck, BE）、埃肯弗德湾（Eckernf?rde Bay, EB）、瓦滕贝格水道（Wattenberg Channel, WC）和斯托勒格伦德水道（Stollergrund Channel, SGC）。

**四、研究结果**

**水体物理化学性质**
通过CTD剖面和离散水样分析发现，水体温度随深度降低（4–20°C），盐度随深度升高（11–25?psu），春夏季层化强度差异明显。夏末溶解O₂浓度从表层氧化状态降至底层无氧（0–309?μM），春季则保持近恒定。NO₃^?浓度在0–7?μM之间，当NO₃^?存在时通常检测不到H₂S。水柱H₂S浓度小于1–71?μM，随深度增加，最高值出现在斯托勒格伦德水道海底上方0.5?m处。

**测量的和模拟的底层水H₂S浓度**
底层水H₂S浓度为<1–77?μM（夏末），春季未检出。水深17?m是阈值，更深区域频繁出现H₂S。QRF模型预测夏末底层水H₂S中位数为0–50?μM，90%预测区间为1–66?μM。富集区集中在西南基尔湾，尤其是斯托勒格伦德水道和埃肯弗德南部沿岸。模型交叉验证RMSE=10.2?μM，R2=0.60。最终模型选用的预测因子为平均驻留时间、最大驻留时间、到岸距离和沉积物类型。

**关键站点的沉积物、底层水和孔隙水地球化学**
在BE、EB、WC和SGC四个关键站点，沉积物总有机碳（TOC）含量为1–8?wt%，孔隙水TA、NH₄⁺和H₂S随深度增加，SO₄^2?随深度降低，指示活跃的SO₄^2?还原。然而，SGC站沉积物中H₂S、TA、NH₄⁺和TOC含量低于其他三站，其底层水H₂S却最高，说明底栖产生速率并非底层水H₂S积累的主控因素。在BE站，H₂S>1?μM仅出现在O₂和NO₃^?接近零的年份，表明两者完全消耗是H₂S释放的前提。

**五、讨论与结论**

**隐藏的海底euxinia**：对比Niskin瓶、BTP和MUC水样发现，Niskin瓶因距底0.5–2?m收官，常漏检最底层水中的H₂S，而MUC上覆水可捕获该信号，BTP验证了MUC数据的可靠性。这种“隐藏的海底euxinia”类似于已报道的“隐藏的海底低氧”，凸显直接海底采样的必要性。

**机器学习模型性能**：QRF能整合复杂环境变量，优于传统插值方法，但预测不确定性较大（与估计值同数量级）。当前不确定性源于H₂S和预测因子的时空异质性，以及响应数据稀疏。提高性能需要更多站点和更高分辨率的预测因子，例如初级生产等生物地球化学变量。由于大部分区域H₂S浓度低，未来采样可集中于已识别的热点子区域。

**底层水H₂S空间分布的控制因素**：模拟结果显示，水深浅于17?m的区域全年氧化，H₂S被氧化剂消耗不能积累；深于17?m的区域频繁缺氧，H₂S积累。富集区主要分布在西南基尔湾，该处河道和盆地结构导致深水驻留时间长，与MOMKI模型计算的驻留时间一致。连接研究区与外界的深层通道中H₂S浓度低，表明H₂S主要本地产生而非外源输入。

**底层水H₂S的时间演变**：季节尺度上，夏末H₂S在表层沉积物和底层水中积累，春季消失，与O₂和NO₃^?的年度循环同步。2025年两次间隔3–8天的采样显示H₂S积累迅速，但确切持续时间仍需更高频监测。年代际尺度上，2016—2025年无一致趋势，但BE时间序列表明，仅当O₂和NO₃^?完全耗尽时H₂S才出现，7年中4年满足该条件，说明H₂S在停滞盆地和河道中频繁出现。BE站的数据不能外推至整个区域，需多点长期监测。

**H₂S富集对底栖生物地球化学的潜在影响**：约27%的研究区在夏末经历euxinia，可能促进OC保存、影响微量金属循环，并导致底栖大型动物周期性死亡和再定殖。孔隙水中Fe²⁺在表层沉积物中显著降低，表明Fe硫化物形成部分固定了H₂S。虽然电缆细菌可能通过Fe氧化物屏障缓解H₂S释放，但不能完全阻止其产生。硫酸盐还原伴随的碱度生成可能使海床成为季节性碱度源，但冬季再氧化可能抵消。未来海洋脱氧可能扩大euxinia的范围和持续时间，而波罗的海富营养化减缓措施或部分抵消这一趋势。

**结论**：本研究首次揭示了基尔湾中部夏末底层水euxinia的空间范围（约27%海床）及其季节和年际变化特征。H₂S积累主要受水深、深水驻留时间等水文条件控制，而非沉积物产率。研究强调，传统CTD监测不足以捕捉近底euxinia，必须采用直接海底采样（如MUC上覆水或BTP），才能准确评估和预测浅海波罗的海及其他类似沿海环境下euxinia的未来演变。本研究为波罗的海环境管理和生态保护提供了关键数据与模型基础。