淡水湖在全球碳循環(huán)和氣候變化中的作用

這張地圖顯示了2008年勞倫廷大湖區(qū)的平均生產(chǎn)力。湖泊生產(chǎn)力從低到高表現(xiàn)為藍(lán)色到紅色。（圖片來源：Karl Bosse/密歇根技術(shù)研究所）

十六年的遙感數(shù)據(jù)顯示，氣候變化會(huì)影響地球上最大的淡水湖的碳固定的趨勢(shì)。

一項(xiàng)NASA資助的研究考察了世界上面積最大的11個(gè)淡水湖，并結(jié)合野外觀測(cè)和衛(wèi)星探測(cè)，為大型水體固定碳的方式以及變化的氣候和湖泊相互作用的方式提供了新認(rèn)識(shí)。

密歇根技術(shù)研究所(MTRI)的科學(xué)家們研究了美國(guó)和加拿大邊境的勞倫提安五大湖；非洲坦噶尼喀湖、維多利亞湖和馬拉維湖三大湖；俄羅斯的貝加爾湖；以及加拿大的大熊湖和大奴隸湖。

這11個(gè)湖泊擁有地球上50%以上的地表淡水，是數(shù)百萬人和無數(shù)其他生物賴以生存的家園，因此，了解它們受氣候變化和其他因素影響的機(jī)理極為重要。

加拿大的兩個(gè)湖泊和非洲的坦噶尼喀湖見證了初級(jí)生產(chǎn)者最大的變化——水體中藻類的生長(zhǎng)。藻類生產(chǎn)力的波動(dòng)表明湖泊生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了巨大變化。

“這些湖泊食物鏈的基礎(chǔ)是藻類。湖泊中到處都是小型藻類等浮游植物，”MTRI大學(xué)的研究員、最近退休的美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局大湖環(huán)境研究實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)研究科學(xué)家Gary Fahnenstiel說，“我們測(cè)量了碳固定率，也就是藻類在這些湖泊中光合作用的速率。這一速率無論是增加還是減緩，都意味著整個(gè)湖泊在變化，這將影響到從浮游動(dòng)物到魚類的整個(gè)食物鏈。”

許多因素都影響著這些湖泊。氣候變化、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增加（富營(yíng)養(yǎng)化）和物種入侵都導(dǎo)致了整個(gè)系統(tǒng)的變化。從地面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀察十分有限，很難確定具體的影響因素。

用顏色來對(duì)浮游植物進(jìn)行計(jì)數(shù)

但是衛(wèi)星圖像使噪聲分類變得更容易，并且提供了時(shí)間上和空間上的觀察結(jié)果。MTRI的科學(xué)家、該研究的主要作者M(jìn)ichael Sayers用海洋顏色來追蹤淡水浮游植物的動(dòng)態(tài)——根據(jù)水的顏色推斷浮游植物的類型和數(shù)量。

坦噶尼喀湖、大熊湖和大奴隸湖在16年間（2003-2018年）的全湖生產(chǎn)力。每一個(gè)湖泊在這段時(shí)間內(nèi)都表現(xiàn)出了顯著的產(chǎn)量變化，據(jù)此繪制出了最佳擬合曲線。 （圖片來源：Karl Bosse/密歇根技術(shù)研究所）

Sayers說：“我們依靠NASA在2002年發(fā)射升空的AQUA衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)，它搭載有MODIS傳感器，應(yīng)用了MTRI開發(fā)了十年的算法和模型。統(tǒng)計(jì)全球11個(gè)湖泊16年來觀測(cè)到的像素?cái)?shù)量，這是非常了不起的。”他補(bǔ)充說，每個(gè)湖泊觀測(cè)到的像素有數(shù)百萬個(gè)。

最顯著的發(fā)現(xiàn)是，在不到20年的時(shí)間里，這些淡水湖發(fā)生了迅速的變化——這是個(gè)值得關(guān)注的數(shù)字。這項(xiàng)研究有利于NASA碳監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，即確定淡水湖對(duì)全球碳循環(huán)的貢獻(xiàn)。

“世界上最大的三個(gè)湖泊正顯示出與氣候變化相關(guān)的重大變化。在過去16年里，整體的生物生產(chǎn)力變化量為20%~25%?！盕ahnenstiel說。

不僅僅是藻類

在16年的數(shù)據(jù)中，加拿大北部的大熊湖和大奴隸湖的生產(chǎn)力增長(zhǎng)最快，而非洲東南部的坦噶尼喀湖的生產(chǎn)力卻有所下降。這種趨勢(shì)與水溫的升高、太陽輻射以及風(fēng)速的降低有關(guān)。

Sayers說，通過觀察淡水湖泊的生產(chǎn)力、藻類數(shù)量、水體透明度、水溫、太陽輻射和風(fēng)速，可以更全面地了解整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。

“溫度和太陽輻射是引起氣候變化的因素，”Sayers說，“葉綠素和水體透明度的變化不一定是由氣候變化引起的，可能是由于富營(yíng)養(yǎng)化，或者是入侵物種，如斑蛤貽貝引起?！?/span>

研究人員使用了五大湖研究中心的研究船隊(duì)進(jìn)行的湖泊測(cè)量結(jié)果，對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)進(jìn)行地面實(shí)況調(diào)查，并為模型估計(jì)提供數(shù)據(jù)。

這篇題為“Carbon Fixation Trends in Eleven of the World's Largest Lakes: 2003–2018”（《2003-2018年世界上11個(gè)最大湖泊的固碳趨勢(shì)》）的文章發(fā)表在Water雜志上。研究人員計(jì)劃繼續(xù)他們的研究，將他們目前掌握的知識(shí)應(yīng)用到有害藻華對(duì)大氣碳通量的影響上。

美國(guó)北部湖泊（圖片來源：約克大學(xué)（York University）博士后研究員Alessandro Filazzola）

俗話說，水是生命之源。湖泊是許多人賴以生存的水體。更好地了解湖泊生產(chǎn)力的變化對(duì)居住在湖岸的群體極為重要。持續(xù)深入研究淡水湖在全球碳循環(huán)和氣候變化中的作用，對(duì)地球共同體具有重要意義。

作者：Kelley Christensen