湖泊和水库中溶解氧波动的多时空尺度研究：从每小时到每年的整体比较，涵盖全国范围

本研究基于2021-2025年中国湖泊水库4小时监测数据，揭示溶解氧（DO）时空异质性及驱动机制。结果表明：DO年际变化呈现中东部升高、西部波动大；夏季日变化强于冬季；08:00DO-温线性关系最佳（R²最高达0.867）。GLM与SEM分析表明，洪水期营养主导DO，非洪水期温度主导，但西部因水体分层和营养积累持续受营养主导。成果为优化监测策略和区域风险管控提供科学依据。

作者：何毅、农喜志、陈丽华、魏家华

中国广西大学土木与建筑工程学院，南宁，530004

摘要

湖泊和水库中溶解氧（DO）的波动与水生生态功能及水质演变直接相关。然而，利用高频观测数据，对DO的多尺度时空模式及其背后的机制仍缺乏定量研究。本研究利用多年来的全国性监测数据（分辨率为每小时一次），通过多元统计技术、广义线性模型（GLM）和结构方程模型（SEM）分析了DO的时空差异，并阐明了温度、营养物质和环境因素之间的耦合机制。年际间，中部和东部地区的DO含量增加，而西部地区的变异性更大。季节性方面，夏季DO的波动更为明显，冬季则相对较弱。在昼夜和每小时尺度上，DO浓度呈现出稳定的变化规律，清晨最低，午后最高。上午8点是一个相对稳定的时间窗口，可用于分析水温（WT）与DO之间的线性关系。此外，中部和东部地区的WT-DO线性拟合效果较好，R²值可达0.867，而西部地区的R²值低至0.001，表明该地区的温度控制存在显著异质性。GLM和SEM共同表明，在洪水期间，大多数地区营养物质对DO的影响占主导地位；而在非洪水期间，温度成为主要影响因素。然而，西部地区由于水体分层严重和营养物质持续积累，营养物质仍起主导作用。本研究为优化监测策略和确定区域管理干预措施以控制DO风险提供了科学依据。

引言

自然水体中普遍存在水温（WT）与溶解氧（DO）之间的负相关关系。然而，这种经典关系在不同时间尺度和静水系统（如湖泊和水库）中的普遍性仍需系统评估，尤其是这些系统的流速较低且停留时间较长（Nong等人，2025；Piatka等人，2021；Wang等人，2024）。湖泊和水库为人类活动、野生动物栖息地及气候调节提供了多种用途的水资源（Kuster等人，2021；Yemshanov等人，2022）。过去几十年，城市化加速、人口增长、湿地丧失、土地利用变化以及水文形态的改变增加了湖泊系统的脆弱性，导致水质状况和压力因素暴露的显著空间异质性（Rodriguez等人，2011；Seegers等人，2021）。溶解氧是衡量水体代谢平衡和水生态健康的关键指标，但一直受到多种人为活动的干扰。DO的短期波动直接影响缺氧风险和水质安全。当水体的耗氧速率超过再氧化速率时，DO浓度开始下降。通常情况下，DO浓度大于5 mg/L有利于大多数水生生物的生存和代谢活动；而DO浓度低于2 mg/L会引发显著的生理和行为变化（Quesada等人，2023；Zhang等人，2022）。在缺氧条件下，水生生物的呼吸和代谢会受到抑制，可能导致氧化应激和免疫功能受损。鱼类会迁移到水面或进水区，从而改变群落分布和食物网过程（Jacobson等人，2010；Jane等人，2021），进而引发海洋和淡水渔业的灾难性事件（Luo等人，2024）。在社会经济快速变化和极端事件频发的背景下，全球内陆水域的脱氧现象和水质恶化现象日益普遍（Zhi等人，2023）。

湖泊和水库中的DO波动主要受耗氧过程（如扩散、氧化和呼吸作用）和再氧化过程（如大气再氧化和浮游植物的光合作用）的共同影响（Bouriqi等人，2024）。此外，自然因素（如水温和降水量）和人为活动（如污染物排放和水力调节）也会影响DO浓度（Huang等人，2020；Shen等人，2024）。DO浓度的驱动因素随季节周期而变化（Luo等人，2024）。水温对水中氧的溶解度有显著影响，温度升高通常会降低氧的溶解度，从而影响水生生态系统的功能（Auderset等人，2022；Jane等人，2021；Stortini等人，2017）。降雨事件加上人为活动的加剧，会加剧外部营养物质的负荷和内部循环，进一步降低DO浓度（Meerhoff等人，2022；Paerl等人，2023）。水生生物（如浮游植物）的光合作用和呼吸作用也是影响DO的关键因素。例如，太湖中高营养物质负荷和温度升高的共同作用促进了蓝绿藻的大量繁殖，导致DO的快速周期性波动（Deng等人，2014）。此外，水深和相关的分层作用调节了营养物质的垂直传输以及氧化还原过程的相对影响，对湖泊生物地球化学和氧预算产生重要影响（Qin等人，2020）。

除了外部因素外，DO波动还受到分层效应的内在控制。在分层期间，表层水体的光照强度和温度升高，导致表层DO浓度增加；而深层水体的垂直交换受限，会引发低氧或缺氧现象，加剧沉积物中的氧气消耗，并加速内部营养物质的释放（Cui等人，2022；Hanjaniamin等人，2023）。在混合期间，营养物质和溶解有机物被输送到表层水体，重塑生物地球化学过程和微生物群落（Zhou等人，2020）。浅水富营养化水体对气象变化特别敏感，常出现昼夜分层和混浊现象（Slavin等人，2022）。由于风的作用或对流作用，混合状态可能在同一天内发生变化（Yang等人，2018）。当浅水富营养化水库形成分层时，底部水体的DO浓度会降低，沉积物中的营养物质释放量会增加（Qin等人，2020）。

本研究分析了2021年至2025年中国湖泊和水库中DO的时空异质性，探讨了多个时空尺度上主要控制因素的切换和相互作用关系。研究目标包括：（1）从宏观到微观多个时间尺度分析DO波动和突变情况；（2）评估DO-WT关系的空间异质性和尺度依赖性；（3）识别并阐明DO、营养物质指标和环境因素之间的相互反馈机制。本研究为水质改善、富营养化预防和控制以及河流流域和区域层面的缺氧风险管理提供了定量依据和政策参考。

数据收集

本研究选择了《中国国家地表水质量监测计划》中分类为静水体的106个湖泊和水库。湖泊和水库的数量及空间分布分别总结在表S1和表S2中。图1A显示研究区域被划分为五个子区域（东部：n=16；南部：n=32；西部：n=7；北部：n=18；中部：n=33），主要依据已建立的温度带划分。

湖泊和水库中溶解氧的时空特征

根据Mann-Kendall（MK）检验（图1B），中部地区的增长趋势比例最高（70%），其次是东部（63%），西部最低（43%）。全国湖泊和水库站点的溶解氧（DO）浓度总体呈现增长趋势的比例高于下降趋势。与西部地区相比，西部地区的趋势没有明显的周期性，置信区间也更宽。

多时间尺度和空间尺度上的DO异质性过程

在年际-季节-昼夜-小时尺度上，溶解氧（DO）的波动受到温度、水文和营养物质共同作用的影响，表现为夏季波动强烈、冬季波动较弱，并伴有明显的区域异质性。中部和东部地区的DO浓度总体呈上升趋势。STL分解表明年度周期稳定，置信区间逐渐收窄。

结论

本研究系统地描述了中国湖泊和水库中溶解氧（DO）的时空分布特征，涵盖了多个时间尺度（年际、季节、昼夜和小时），并建立了多因素耦合过程框架。总体而言，中部和东部地区的DO浓度呈上升趋势，而西部地区的波动幅度增加。季节性方面，夏季DO的波动更为明显。

CRediT作者贡献声明

何毅：撰写初稿、软件开发、资金申请。农喜志：撰写、审稿与编辑、撰写初稿、资金申请、数据分析、概念构思。陈丽华：撰写初稿、资源提供。魏家华：审稿与编辑、监督、资源提供。

出版同意

作者同意本文在期刊上发表。

作者的伦理责任

所有作者均已阅读并理解《作者伦理责任声明》中的内容，并按照要求遵守相关规定。

资助信息

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52309016）和广西研究生教育创新项目（项目编号：YCSW2025075）的资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢编辑和审稿人的宝贵建议和贡献，这些帮助显著提升了本文的质量。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52309016）和广西研究生教育创新项目（项目编号：YCSW2025075）的资助。

作者信息

何毅：博士候选人，中国广西大学土木与建筑工程学院，南宁530004