中科院团队优化近海缺氧区人工增氧策略

中科院团队优化近海缺氧区人工增氧策略

近日，中国科学院海洋研究所周锋研究员团队在近海缺氧区人工增氧策略研究方面取得重要进展。研究团队通过构建高分辨率的三维物理-生物地球化学耦合模型，揭示了山东半岛北部近海缺氧区的形成机制，并提出了优化人工增氧装备布放位置的科学方案。

海洋水产养殖是我国重要的蓝色粮仓支柱产业，但近年来近海水产养殖区域频繁发生的水体缺氧问题，严重威胁着海洋水产养殖产业的健康发展。随着近海富营养化加剧、养殖密度增加、底播海珍品养殖区域扩大，海水缺氧造成的经济损失日益严重。人工增氧是海洋水产养殖区应对缺氧灾害的一种应急手段，但大规模应用需要评估其成本与效率。

针对我国海洋水产养殖区水体缺氧预警的迫切需求，研究团队选取了中国山东半岛北部烟台和威海近海典型的水产养殖密集区域（图1），在团队长期发展的缺氧预警技术基础上，综合考虑了该海域的地形特征、水动力过程和生物地球化学作用，构建了该海域高分辨率的三维物理-生物地球化学耦合的缺氧预警评估模型。模型经过2020年三个夏季航次观测数据的验证，准确再现了影响缺氧的关键因素。

图1 研究区域地形与流场

海水缺氧区的分布一般与高生物量藻华的发生有关，而近海的高营养盐是支撑藻华的基础。所以，缺氧程度一般是近岸较为严重，离岸逐渐减轻。但数值模拟结果表明，该区域缺氧区的分布不是沿等深线展开，而是以狭窄的条带形状跨等深线分布（图2a）。这是由该海域的水动力特征塑造的（图2b-e）。湾外陡变的海底地形、海湾岸线、季风风场、锋面、潮汐等共同作用下，使夏天在特定位置持续存在离岸急流，构成了三维翻转环流的一个分支（图2b,c）。急流将近岸高营养盐水团输送至离岸（图2d），激发了表层离岸藻华（图2c），沉降的有机质又受底层幅聚流的输运（图2b），造成了区域范围内非常不均匀的缺氧区分布格局。

图2 （a）2018年8月18日底层溶解氧（DO）浓度，白色实线表示DO浓度的等值线，黑色实线表示等深线。（b）8月15日底层有机碎屑浓度，淡蓝色箭头表示底层海流矢量，白色实线表示等深线，叠加深蓝色粗箭头示意底层海流。（c）8月12日表层叶绿素（Chla）浓度，黄色箭头表示表层海流矢量，白色实线表示等深线，叠加红色粗箭头示意表层海流。（d）8月9日表层硝酸盐（NO₃）浓度，黄色箭头表示表层海流矢量，白色实线表示等深线。（e）8月18日正压流速（vbar），细箭头表示正压海流矢量，绿色实线表示等深线。

在了解缺氧区形成机制的基础上，研究团队提出了优化人工增氧策略的方法。在缺氧区上游近岸部署人工增氧装置，可以利用水动力特点，显著提高氧气输送效率，并降低建设和维护成本。数值模拟结果表明，近岸部署的增氧装置能够更有效地将富氧水体输送至缺氧区，改善底层溶解氧状况（图3）。相比于远岸部署，近岸部署不仅成本更低，而且增氧效果更为显著和稳定。

图3 三维翻转环流系统驱动藻华—缺氧形成机制及人工增氧布放策略示意图

研究还发现人工增氧可能引发复杂的生态响应，如增加营养盐释放和初级生产力，可能导致藻华等次生环境问题，从而延长缺氧持续时间。因此，在实施增氧措施前，需要进行全面的生态风险评估。

该研究强调了在部署人工增氧装置前进行全面评估的重要性，提出了利用水动力条件特点优化增氧策略的可行性，为近海缺氧问题的治理提供了新的思路和科学依据。研究指出，在高密度水产养殖区域，合理规划增氧装置的部署位置和方式，充分利用自然水动力条件，可以显著提高增氧效率，降低成本，减少对生态环境的负面影响。