海水低氧指海水中溶解氧浓度低于63 mmol/m3。自然环境下，季节性水体溶解氧含量显著下降的现象在开阔海洋和近岸海域均有发生。联合国发布的第二次全球海洋综合评估报告中《海洋脱氧：每个人的问题》（“Ocean deoxygenation: Everyone's problem”）一文称，2019年全球约有700个海域受到低氧的影响，而这一数字在上世纪60年代为45个。过去50年间，全球低氧海域的面积增加了两倍之多，近岸区域尤为严重，海洋低氧的状况正日益威胁着海洋生物的生存并破坏着生态系统。
在大型河口附近的海域，由人类活动导致的升温和富营养化等因素显著加速了水体溶解氧的降低速率。人类活动及自然环境的双重压力导致大型河口外邻近海域出现了季节性的水体溶解氧亏损，并诱发了海域的低氧现象（图1）。作为鱼类和贝类等重要海洋经济物种维持正常生存、生长和繁殖的关键生态要素，水体溶解氧的减少给生物多样性、生物量和海洋生态系统的可持续性及恢复力带来了巨大压力。国际上，水体低氧给海洋生态系统造成的严重压力在科学界和社会经济界都引起了广泛的关注与重视。
笔者在美国德州农工大学攻读博士期间参与了“Mechanisms Controlling Hypoxia: Integrated Causal Modeling, NOAA”和“Gulf Integrated Spill Research, Gulf of Mexico Research Initiative, BP”两个项目，在研究期间对大河口区域的低氧现象产生了浓厚的兴趣，并对“密西西比河-北墨西哥湾”区域的季节性低氧做了一些工作。密西西比河河口是动力过程复杂的大河口区域，其向北墨西哥湾注入大量淡水和过量的营养盐（Rabalais et al., 2007）。大量的高温淡水在夏季促使高密度层化结构的形成，过量的营养盐导致水体富营养化的加剧，两者协同诱发了以河口为源的季节性底层低氧的形成，使该区域的生物多样性和渔业受到季节性低氧的负面影响（Rabalais et al., 2010）。笔者在2012年开始参与了多次关于北墨西哥湾低氧及墨西哥湾漏油的航次，结合生态动力模型的高分辨率模拟发现：
【1】当局部地形存在坡度时，底边界层的动力过程对层化水体的动力过程有重要影响。北墨西哥湾底层低氧水形成之后，底边界层内部的艾克曼输运驱动了跨等密度面的辐聚流。辐聚流进一步激发了穿越等密度面的浮力通量以及可从底层携带低氧水的上升流。底层的低氧水沿着上升流进入水体内部，并继续离岸流动入侵至水体中层，导致中层水体出现溶解氧极低值（图2）。
【2】水体高层化结构的持续时间越长，底层低氧水在垂向上的扩展越严重。北墨西哥湾底层水低氧现象主要出现在夏季，且与水体层化强度呈明显正相关关系（图3）。由于夏季高水体层化结构的存留时间较长，底层低氧水的垂向扩展在夏季更明显，低氧水的厚度与水体层化的持续时间呈正相关关系，低氧水层在夏季的危害更大（Zhang et al., 2020a）。
笔者自2016年进入华东师范大学河口海岸国家重点实验室之后将研究兴趣转移至长江口区域的低氧问题。虽然长江口与密西西比河河口有相似的环境——大量的淡水及营养盐从河口注入海域，但是不能简单地将研究北墨西哥湾低氧的经验移植到长江口邻近海域。这是由于长江口外邻近海域受季风、强潮、复杂陆架环流及外海过程（黑潮次表层水入侵）的共同影响，其动力过程远比密西西比河河口复杂。因此，长江口外海域的水体溶解氧变化（特别是低氧生消）对人类活动和自然因素的响应更加复杂。笔者基于高分辨率生态动力数值模拟从低氧水存留时间、形成区域和控制因子三个方面研究了长江口外邻近海域的低氧生消过程：
【1】与北墨西哥湾类似，长江口外海域在夏季出现底层低氧现象，然而不同于北墨西哥湾低氧水体的长时间存留（Fennel and Testa, 2019），长江口外海域的低氧现象的持续时间并不长，其底层溶解氧常常在短时间尺度上（数小时至数天）发生变化。由于短时间尺度的风速、风向变化引起长江冲淡水在长江口外的扩展范围发生改变，从而导致水体层化结构发生改变。获得长江口外溶解氧数据的航次观测往往持续1周至3三周不等，获得观测数据的时间超过了底层水溶解氧浓度自身变化的时间，这就意味着基于航次观测数据估计的低氧面积会出现偏差。为最大限度的降低偏差的产生并进一步揭示低氧形成的物理和生化机制，长江口外低氧的研究需要结合更多的观测数据，深入了解真实的生物地球化学过程并帮助复杂生态模型的参数化、边界条件以及模型方程的建立（Zhang et al., 2018）。
【2】基于数值模型结果及长时间观测数据得出长江口外发生低氧现象的热点区域（图5），即低氧现象在这些区域有较高的发生频率。长江冲淡水在低氧热点区域内的扩展情况受风向影响显著,南/东南风通过艾克曼输运将长江冲淡水向扬子浅滩输送,形成局地高层化水体结构并抑制垂向溶解氧的交换,促进了低氧的形成。当风向及风速改变后，长江冲淡水向下游输送，因此低氧环境在扬子浅滩持续短时间后开始逐渐消退。示踪剂结果显示低氧区的两个热点区域内底层水存留时间有显著的月变化。低氧热点区域的形成与长江冲淡水在口外的扩展及黑潮次表层水入侵的强弱有直接关系。长江冲淡水的扩展通过控制陆架水体的垂向层化强弱调整低氧的空间分布，而黑潮次表层水入侵则通过改变近底层水的滞留时间调整低氧水的存留时间（Zhang et al., 2019）。
【3】通过数值模拟分析探讨了不同控制因子对长江口外夏季低氧生消的影响。扬子浅滩区域低氧水体的时空演变受长江的淡水通量及营养盐浓度影响较大。短时间尺度的强风强混合事件通过破坏水体垂向分层加强垂向扩散作用并为底层供氧。黑潮次表层水入侵所携带的营养盐浓度对水下河谷区域的低氧水体的时空演变影响较大，而黑潮次表层水入侵的强度通过调整陆架底层水体的存留时间对两个低氧热点区域内低氧水体的时空演变都有明显的调整作用。通过降低30%的长江淡水通量或长江水营养盐浓度可以显著降低低氧水体的空间影响范围，区域内低氧水体积平均降低了50%以上（图6）。低氧水体积的降低意味着陆架上低氧水面积及厚度的降低，鱼类和贝类等海洋生物将有更多的适宜生境。确定可缓解海域内低氧灾害的临界营养盐排放通量对长三角区域生态环境的保护及治理具有重要的科学意义（Zhang et al., 2020b）。
虽然近年来的工作主要是从物理海洋的角度阐述大河口区域低氧的生消机制，但是笔者清醒地认识到海洋低氧是地球流体过程、生物地球化学过程以及生态过程相互耦合导致的海洋生态系统问题的一个侧面。随着全球气候变暖和人类持续性的大量营养盐排放，诸如海水升温、海洋低氧、海洋酸化和海水富营养化等因素均使海洋生态系统面临着巨大的不确定性。当下，区域性水动力模型（比如ROMS或者FVCOM）的模拟结果是相对可靠的，但是与之耦合的生物地球化学模块还有较大的进步与优化空间，比如沉积物的耗氧过程、藻类的竞争过程以及陆源有机质的影响等很多因素均尚未得到合理的数学描述。这既是艰巨的挑战亦是巨大的机遇，笔者希望未来在多学科协同下进一步推进对海洋生态系统的认识与理解，并努力构建具有一定预测能力的海洋生态模型系统。
参考文献
·Fennel, K., and J. M. Testa, 2019, Biogeochemical controls on coastal hypoxia, Annual Review of Marine Science, 11, 105–130.
·Rabalais, N., Turner, R., Sen Gupta, B., Boesch, D., Chapman, P., and Murrell, M., 2007, Hypoxia in the northern Gulf of Mexico: Does the science support the plan to reduce, mitigate, and control hypoxia? Estuaries and Coasts, 30(5): 753–772.
·Rabalais, N. N., R. J. Diaz, L. A. Levin, R. E. Turner, D. Gilbert, and J. Zhang, 2010, Dynamics and distribution of natural and human-caused coastal hypoxia, Biogeosciences, 7, 585–619.
·Zhang, W., Hetland, R. D., DiMarco, S. F., and Fennel, K., 2015, Processes controlling mid-water column oxygen minima over the Texas-Louisiana shelf. Journal of Geophysical Research, 120(4): 2800–2812.
·Zhang, W., Wu, H., and Zhu, Z., 2018, Transient hypoxia extent off Changjiang River Estuary due to mobile Changjiang River plume. Journal of Geophysical Research: Oceans, 123(12): 9196–9211.
·Zhang, W., H. Wu, R. D. Hetland, Z. Zhu, 2019, On mechanisms controlling the seasonal hypoxia hotspots off the Changjiang River estuary. Journal of Geophysical Research: Oceans, 124(12): 8683–8700.
·Zhang, W., R. Hetland, V. Ruiz, S. DiMarco, H. Wu, 2020a, Stratification duration and the formation of bottom hypoxia over the Texas-Louisiana shelf, Estuarine, Coastal and Shelf Science.
·Zhang, W., J.M. Moriarty, H. Wu, Y. Feng, 2020b, Response of bottom hypoxia off the Changjiang River Estuary to multiple factors: a numerical study. Ocean Modelling, 159(2021): 101751.
作者简介：江山博士于2016年加入华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，主要从事海岸带和近海区域生源要素的生物地球化学循环研究。近五年来，在国家自然科学基金委和博士后科学基金委的支持下，江山博士在山东省桑沟湾、长江口、马来西亚拉让河等海岸带区域开展了年际采样，对氮元素的迁移转化特征进行了分析测算并撰写了多篇学术论文。