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花匠小妙招
2024-11-09 00:29

题目

Climate-driven deoxygenation of northern lakes

作者

Joachim Jansen, Gavin L. Simpson, Gesa A. Weyhenmeyer, Laura H. Härkönen

期刊

Nature Climate Change

时间

2024年6月

一作

单位

Department of Ecology and Genetics/Limnology, Uppsala University, Uppsala, Sweden

链接

https:///10.1038/s41558-024-02058-3

研究背景

湖泊中的溶解氧（DO）对其生态系统的健康和功能至关重要，然而，越来越多的湖泊正经历着快速的脱氧现象。氧气是驱动营养循环、饮用水质量、生物多样性和水生食物网的生物地球化学过程的必要因素。在季节性分层期间，表层水与底层水之间的空气交换受限，底层水中的有氧呼吸会消耗氧气，从而导致缺氧（DO<2 mg/l）的状况。缺氧减少了冷水生物的栖息地，包括商业上重要的鱼类，并可能导致大规模死亡。缺氧还会促进矿物结合碳和磷的还原溶解，助长有害藻华的形成，限制甲烷（一种强效温室气体）的微生物氧化。

历史上，湖泊中的氧气耗竭主要与城市和农业源头的营养过剩输入（富营养化）有关，通过增强初级生产和下沉生物质的分解增加了氧气需求。同样，气候驱动的降水模式变化和土地利用变化导致的土壤恢复（褐化）也可能会导致脱氧。气候变暖可能通过延长夏季分层和增强有氧呼吸率进一步导致氧气损失。季节性缺氧更容易在营养浓度高、沉积物表面积相对于覆盖水体体积大的湖泊中迅速发展，因为底栖呼吸通常是主要的氧气消耗。这意味着特定类型的湖泊（如小型、富营养或腐植质湖泊）的氧气水平可能对气候强迫更敏感，但季节性缺氧的预测因素是否延伸到长期脱氧仍不明确。

全球大部分湖泊位于北极和亚北极地区，这些地区的气候变暖速度是全球的两到四倍。空气温度的上升、大气静止和冰层提早融化导致了夏季分层的延长，并结合广泛的褐化，使原始淡水生态系统面临越来越大的缺氧风险。同时，北部景观中磷和氮储量的下降，导致输入的新有机物减少，可能会限制氧气需求。此外，冰覆盖期的缩短可能会延长春季混合时间，从而在夏季分层之前增强充氧。快速积累的反向人类压力意味着北部湖泊底层水长期DO趋势的标志和幅度仍然未知。我们无法解决脱氧的全球范围和原因，阻碍了国际承诺应对这一气候影响维度并保护淡水质量。

本研究进行了大规模系统分析，从1960年至2022年，涵盖芬诺斯堪底亚和北美的8,288个湖泊，包含260万次水质观测。研究者编制、协调和质量检查了溶解氧（DO）、温度、总磷（TP）、总氮（TN）、颜色（CDOM的一种测量）和湖泊形态学的测量数据，目标是：（1）识别北部湖泊底层水氧含量的长期变化，（2）评估季节性缺氧的标准预测因子是否适用于长期DO趋势，以及（3）评估驱动长期（脱）氧的潜在机制，包括持续的分层现象、氧气需求和春季充氧的变化。

研究结论

底层水氧气浓度的长期变化

从1960年到2022年，监测到的北部湖泊底层水的无冰季平均氧气浓度显著下降。图1展示了不同湖泊特征（如表面积、最大深度、营养状态和腐殖质含量）分类下的底层水氧气浓度的十年时间序列（Fig. 1a-d）。在具有≥15年时间序列的“趋势湖泊”中，底层水缺氧的发生率从测量的前五年39%增加到后五年的61%。氧气趋势与湖泊表面积成反比，小于10公顷的湖泊每十年的氧气浓度变化为-0.40至+0.07 mg/l（Fig. 1a）。这种规模模式在各大洲和生物群落中具有一致性。

图1 底层水溶解氧浓度的长期变化

具体地，图1a展示了不同表面积湖泊的底层水氧气浓度变化。小型湖泊（<10公顷）由于其较高的体积氧气需求和表面变暖率，氧气水平下降最为显著。图1b显示了按最大深度分类的湖泊底层水氧气浓度变化。中等深度的湖泊（4-31米）氧气下降显著，而浅水湖泊（<4米）和深水湖泊（≥31米）则没有明显的长期趋势。图1c表明，按营养状态分类，富营养湖泊的氧气下降最为显著，而低营养湖泊则变化较小。图1d展示了不同腐殖质含量湖泊的氧气浓度变化，高腐殖质湖泊的氧气下降显著，而清澈水体的湖泊则变化较小。

底层水氧气浓度和分层强度的长期趋势

图2展示了湖泊表面积、分层强度和沉积物表面积与水体体积比（Ased/Vwater）对底层水氧气浓度长期趋势的影响。湖泊的表面积、分层强度和沉积物表面积与水体体积比（Ased/Vwater）是影响底层水氧气浓度长期趋势的关键因素。具体而言，表面积较小、分层强度增加和Ased/Vwater较高的湖泊，其底层水的氧气浓度下降最为显著。这一发现表明，气候变暖通过延长湖泊的夏季分层期和增加沉积物氧气需求，显著影响了北部湖泊的氧气水平。

图2 底层水氧气浓度和分层强度的长期趋势

图2a展示了不同表面积湖泊底层水氧气浓度的长期趋势（≥15年）。结果表明，小于10公顷的湖泊氧气浓度下降最为显著，而表面积大于10,000公顷的湖泊则出现了氧气浓度的微弱上升。研究人员通过对2.6百万个水质观测数据进行分析发现，湖泊的表面积与氧气浓度变化成反比关系，即表面积越小的湖泊氧气浓度下降越明显（图2a）。这种规模效应在不同大陆（芬诺斯堪底亚和北美）和生物群落（苔原、北方森林和温带森林）中都表现出一致性。

图2b显示了不同表面积湖泊的分层强度（Δρ）长期趋势。结果表明，表面积小于10公顷的湖泊分层强度增加最为显著。研究结果表明，分层强度的增加与湖泊氧气浓度下降密切相关。具体而言，分层强度越大的湖泊，其底层水的氧气浓度下降越显著。这一发现与气候变暖导致的湖泊夏季分层期延长密切相关。

图2c展示了不同表面积湖泊沉积物表面积与水体体积比（Ased/Vwater）的分布。结果表明，小型湖泊的Ased/Vwater值较高，这意味着其底层水的氧气需求较大。这一发现表明，湖泊的形态学特征（如表面积和沉积物表面积与水体体积比）在调节湖泊氧气浓度变化中起着重要作用。具体而言，表面积较小、Ased/Vwater较高的湖泊更容易受到气候变暖的影响，导致氧气浓度显著下降。

图2d展示了基于分层广义加性模型（GAM）的DO趋势残差与Ased/Vwater、分层强度（Δρ）趋势和采样日期趋势的关系。结果表明，DO趋势残差与Ased/Vwater和Δρ趋势显著相关，进一步证实了这些因素在调节湖泊氧气浓度变化中的重要作用。分层广义加性模型（GAM）的残差分析显示，DO趋势的残差与湖泊的沉积物表面积与水体体积比（Ased/Vwater）和分层强度（Δρ）趋势之间存在显著关系。这进一步表明，湖泊的形态学特征和分层现象在调节湖泊氧气浓度变化中起着重要作用。

随机森林分析结果

研究人员通过随机森林（RF）分析，识别出DO饱和度和其长期趋势的主要驱动因素。图3展示了冰期底层水DO饱和度（DOsat）及其长期趋势的部分依赖图。

图3 随机森林分析结果

图3a展示了六个最重要的预测变量对DOsat的影响，包括分层强度（Δρ）、沉积物表面积与水体体积比（Ased/Vwater）、采样日期和表层水颜色、总磷（TP）和总氮（TN）。结果表明，分层强度是季节性和长期DO耗竭的主要协变量，其次是Ased/Vwater。图3b显示了DOsat趋势的三个主要预测因子（Δρ趋势、Ased/Vwater、采样日期趋势），以及表层水颜色、TP和TN的趋势。结果表明，在分层强度和表层水褐化及富营养化趋势明显的湖泊中，DOsat趋势更为负面（脱氧）。

季节性溶解氧循环变化

研究人员评估了春季翻转和夏季分层初期底层水氧气浓度的长期趋势。图4展示了不同表面积湖泊在冰融后三周内的底层水氧气浓度变化。大型湖泊（>104公顷）的初始氧气浓度趋势为正，而较小湖泊则呈负趋势。初始氧气浓度的增加可能表明较早的冰融延长了春季混合期，从而在夏季分层前增加了充氧。

图4 春季翻转和夏季分层初期的氧气浓度变化

为了更好地理解这些相互关联的趋势，研究人员构建了分层广义加性模型（HGAM），用归一化时间变量（根据冰融和冰冻日期）来估计季节性DO循环的十年变化。图5展示了分层广义加性模型（HGAM）估计的1970年和2020年不同表面积湖泊的季节性溶解氧循环。结果表明，春季和秋季混合的时间显著提前和推迟，分别与北半球湖泊冰覆盖期缩短的报告一致。初春的氧气浓度提升了夏季DO在一些最大的湖泊中，然而这种抵消效应在热稳定性增加的中型湖泊中减弱。

图5 季节性溶解氧循环变化

长期缺氧对湖泊内部营养负荷的影响

研究人员还计算了不同氧气状态下的底层水颜色、TP、TN和NH4的季节性变化率及其长期趋势，以评估长期缺氧对湖泊内部营养负荷的影响，如图6所示。

图6 长期缺氧对湖泊内部营养负荷的影响

图6a显示了底层水颜色在不同氧气状态下的季节性变化率和长期趋势。在缺氧条件下，底层水颜色的增加显著大于高氧条件。图6b显示了底层水TN的季节性变化率和长期趋势。结果表明，底层水TN和NH4的趋势在缺氧条件下分散较大。图6c展示了底层水TP的季节性变化率和长期趋势。在长期缺氧（≥15年）的湖泊中，TP趋势显著下降，可能是由于表层沉积物中铁结合磷库的逐渐耗竭。图6d显示了底层水NH4在不同氧气状态下的季节性变化率和长期趋势。结果表明，长期缺氧条件下NH4的趋势并不显著。

综上所述，本研究通过对北部湖泊大规模系统分析，揭示了气候变暖对这些湖泊底层水氧气水平的显著影响。研究发现，小型湖泊受气候变暖影响最为显著，其氧气水平显著下降。随机森林分析表明，分层强度和沉积物表面积与水体体积比是驱动湖泊氧气趋势的关键因素。尽管总体上底层水氧气消耗率并未显著增加，但长期缺氧对湖泊内部营养负荷产生了显著影响，尤其是在高腐殖质和富营养化的湖泊中。研究结果对保护和管理这些脆弱的淡水生态系统具有重要意义，强调了气候变化对北部湖泊氧气水平的深远影响，并指出了湖泊形态学在调节气候响应中的重要作用。

研究方法

数据获取

本研究集中于北美（>44°N）和北欧（>55°N）的季节性冰封湖泊，编制了来自美国、加拿大、芬兰、瑞典和挪威政府和非营利组织的大量水质数据，相关数据通过在线数据门户直接访问或通过数据请求获得。湖泊形态信息同样通过公共资源、科学文献和数据请求收集，并与水质数据匹配。

站点选择

调查范围包括淡水湖泊和池塘，但排除了水库、非永久性湖泊和积极管理的水体。管理水体是那些进行物理措施（如充氧、疏浚或底层水排放）或化学处理（如铝硫酸盐添加）以改善水质的湖泊。这些措施通常成本高且破坏性大，因此有详细记录。本研究通过数据提供者、新闻媒体、报告和区域当局确定了197个管理湖泊和池塘。

变量选择和计算

物理和化学变量根据与底层水氧气浓度的已知关系和不同数据集中变量的可用性进行选择。编制数据时包括了以下变量：水温、真水色、TP、TN、氨和叶绿素。TP和TN计算为颗粒和溶解部分的总和。当某些剖面中没有TN测量时，研究者们便从总凯氏氮（氨+有机氮）、硝酸盐和亚硝酸盐计算TN，引入的变量还包括采样坐标、采样日期、采样深度和湖泊海拔、表面积、平均深度和最大深度。

统计分析

使用标准方程计算淡水密度和相对于大气浓度的溶解氧饱和度。热分层强度估计为底层水和表层水密度之差。使用随机森林分析识别冰期底层水DO饱和度及其长期趋势的主要驱动因素，变量包括分层强度、采样日期、温度、颜色、TP、TN及其长期趋势和沉积物表面积与水体体积比。

编辑&排版：蒲金路