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为探究全球内陆水氧循环长期变化情况，研究人员利用 IMAGE-DGNM 模型，量化 1900 - 2010 年全球内陆水氧的生产、消耗及与大气交换。结果显示全球内陆水氧周转增加，且直接人为扰动对其影响大于气候变暖。该研究对理解全球氧循环意义重大。
在地球的生态系统中，内陆水宛如一颗颗璀璨的明珠，不仅是重要的资源、多样的栖息地，更是全球生物地球化学循环的关键一环。而氧气，作为维持水生生物生命的关键要素，在其中扮演着举足轻重的角色。它影响着水体的氧化还原过程、营养物质的生物地球化学循环、温室气体的产生与消耗，还关乎水质、生物活动以及生态系统的健康。然而，长期以来，全球内陆水氧循环的变化却如同神秘的面纱，一直未被完全揭开。
随着人口的不断增长、农业活动的日益扩张、化肥的大量使用以及废水的排放，大量营养物质从陆地涌入内陆水体，引发了水体富营养化和藻类爆发。这些藻类死亡后的分解过程会消耗大量氧气，进而导致鱼类死亡、生物多样性减少、群落结构改变等一系列生态问题。与此同时，气候变化和土地利用方式的改变，使得陆地土壤流失和有机物质输入增加，进一步加剧了内陆水中氧气的消耗。全球变暖也在推波助澜，它降低了氧气在水中的溶解度，刺激了藻类生产和有机物分解，限制了水体的垂直运输，使得内陆水氧循环面临着前所未有的挑战。
尽管此前有研究关注内陆水系统中氧气浓度的变化，但对于全球内陆水氧循环的机制，尤其是其长期变化动态以及与营养物质负荷、有机物积累、温度和水流模式的耦合关系，我们仍知之甚少。为了填补这一知识空白，来自未知研究机构的研究人员开展了一项深入研究。他们利用全球空间明确、质量平衡的综合机制内陆水生物地球化学模型 —— 综合评估全球环境动态全球营养模型（IMAGE-DGNM），对 1900 - 2010 年全球内陆水氧循环（包括生产、消耗、与大气的交换以及向海洋的运输）进行了量化分析，该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。
研究人员在此次研究中主要运用了以下关键技术方法：首先是模型模拟，利用 IMAGE-DGNM 模型，该模型耦合了陆地和土壤的自然及人为过程、水文平衡和河流网络过程以及内陆水的动态生物地球化学过程；其次，通过收集全球主要河流流域自 20 世纪 20 年代以来的长期现场观测数据，包括溶解氧浓度、叶绿素 a 浓度和水流量，对模型进行验证；最后，运用拉丁超立方抽样方法进行敏感性和不确定性分析，评估模型输入、约束和参数变化对模拟结果的影响 。
氧气生产在全球内陆水中的变化
研究发现，1900 - 2010 年，全球内陆水氧生产增加了近 6 倍，从 0.16 Pg O2 year?1增长到 0.94 Pg O2 year?1。20 世纪 50 年代前增速缓慢，50 - 90 年代快速增长，之后增速有所缓和。氧气生产的主导方式也发生了转变，从 20 世纪初以底栖生产为主（占 77%）转变为 2010 年以浮游生产为主（占 63%）。
进一步分析表明，营养物质对内陆水初级生产影响显著。模拟显示，若 1900 年后营养物质负荷不变，氧气生产的增速将比实际情况低 56%。此外，水周期的改变，如水库数量的增加，使静水生境对全球内陆水氧生产的贡献从 20 世纪初的 53% 提升到 2010 年的 85%。温度升高也促进了氧气生产，若 1900 年后温度不变，当前氧气生产将比实际情况低 11%。
从空间分布来看，1900 年，内陆水氧生产最高的区域主要集中在湿润温暖地区，这些地区自然植被茂盛，能为地表水提供大量营养物质。到 2010 年，高氧生产区域扩展到了接收大量人为营养物质输入的地区，如农业区和废水排放区，且更集中在主流河道和下游地区。
氧气消耗在全球内陆水中的变化
同一时期，全球内陆水氧消耗从 0.44 Pg year?1 增加到 1.47 Pg year?1，水柱和沉积物中的氧气消耗均有所增加，底栖过程在整个 110 年中主导着总氧消耗，但比例从 82% 下降到 60%。
内陆水氧消耗主要由（外源和内源）有机物的有氧矿化引起，其次是硝化作用和藻类呼吸。1900 - 2010 年，有机物的有氧矿化、硝化作用和藻类呼吸分别增加了 3 倍、4 倍和 9 倍。
研究还发现，营养物质负荷的增加对氧消耗影响重大。若 1900 年后营养物质负荷不变，氧消耗的增速将比实际情况低 67%。水停留时间的延长也增加了氧消耗，若水文条件（内陆水体积、面积和流量）不变，当前氧消耗将比实际情况低 60%。全球变暖同样促进了有机物的矿化，若 1900 年后温度不变，当前总氧消耗将比实际情况低 0.17 Pg year?1。
在空间上，氧消耗与营养物质负荷的模式相似，在农业区和人口中心附近较高。高氧生产的热点区域也是高氧消耗的区域，这是由于本地产生的有机物增加所致。1900 - 2010 年，全球大部分内陆水的氧消耗都有所增加，温带和亚热带地区的增加幅度大于热带和寒带地区，最高氧消耗区域从热带转移到了南半球的亚热带和温带地区。
内陆水氧循环
全球内陆水在人类世是大气氧气的汇。模拟显示，大气氧气的流入量从 20 世纪初的 0.66 Pg year?1 增加到 2010 年的 0.95 Pg year?1。由于外部营养物质和有机物供应的增加、气候变暖和水文变化，氧气生产和消耗速率均有所增加，但速率不同。1900 - 2010 年，内陆水氧生产与消耗的比率始终低于 1，净氧生产（即氧生产与消耗的差值）越来越负，从 20 世纪初的 - 0.3 Pg year?1 下降到 2010 年的 - 0.5 Pg year?1，这表明全球内陆水生态系统整体处于异养状态。
研究还发现，若没有历史变化的协同影响，当前内陆水氧循环将与 20 世纪初相似。此外，河流向海洋输送的溶解氧在 1900 - 2010 年相对稳定，约为 0.4 Pg year?1 。
对全球氧预算的影响
尽管内陆水表面积仅占海洋面积的 0.2%，但其当前的氧吸收量约为海洋向大气净释氧量的一半，是全球海岸带氧吸收量的 1.7 倍，这表明内陆水在全球氧预算中起着重要作用。然而，目前的全球氧预算并未考虑内陆水的氧吸收和河流向海洋的氧输出。
随着人类活动的加剧，内陆水氧循环发生了显著变化。氧气生产、消耗和从大气中的吸收量均大幅增加，但速率不同。这种变化与陆地和海洋的氧变化相关，反映了整个全球氧循环在人类世的改变。考虑到未来的气候变暖、水文扰动和营养物质负荷增加，全球内陆水氧消耗可能会继续上升，这将对碳和营养物质的循环、内陆水缺氧的扩展和加剧以及温室气体排放产生连锁反应，进而影响气候变化。因此，制定缓解气候变暖的政策以及减少营养物质负荷的环境和农业管理措施迫在眉睫，尤其是在氧消耗远高于生产的内陆水氧汇热点地区。
此外，该研究仅关注了 110 年的长期变化，未来的研究若能纳入短时间尺度（如季节、月或日）的内陆水氧动态，将有助于更好地理解极端事件下的全球氧循环，并预测深水缺氧对生态系统的季节性影响。
综上所述，该研究通过量化全球内陆水氧循环的变化，揭示了人类活动对其的显著影响，强调了内陆水在全球氧预算中的重要作用。研究结果为制定合理的环境保护政策和可持续发展战略提供了重要依据，对于维护地球生态系统的平衡和稳定具有重要意义。
