失去氧氣的惡性循環(huán)正威脅著湖泊的水質(zhì)

科學家們最近證實，世界上的湖泊正在迅速失去氧氣。通過為期7年的全生態(tài)系統(tǒng)研究，弗吉尼亞理工大學的一個淡水科學家團隊率先提出了下一步的問題：全球氧氣下降對水質(zhì)意味著什么？

湖泊的底層水粘滿了沉積物，不僅僅是它們最深、最黑暗的一層。它們掩埋了大量從陸地上流入的徑流中發(fā)現(xiàn)的大量碳、氮和磷。淡水科學家Cayelan Carey說，作為自然界重要的營養(yǎng)匯之一，湖泊贏得了它們作為周圍環(huán)境“哨兵”的聲譽。

“我們認為湖泊是哨兵，因為它們真正整合了陸地上發(fā)生的所有變化，”弗吉尼亞理工大學理學院生物科學副教授、弗拉林生命科學研究所的附屬科學家Carey說?！昂丛诮邮蘸吞幚硭羞@些碳、氮和磷方面做了非常好的工作，防止它們流向下游和到達海洋?！?/span>

Carey的團隊在5月25日發(fā)表在《全球變化生物學》雜志上的一項研究中發(fā)現(xiàn)，這項工作可能被缺氧，即氧氣供應(yīng)的喪失所瓦解?？茖W家們多年來一直在擔心缺氧問題，最近被數(shù)百個湖泊的數(shù)據(jù)證實為普遍現(xiàn)象，缺氧正廣泛存在，在從世界的淡水中吸走氧氣。

這是一個與氣候變化帶來的水域變暖以及土地使用帶來的過量污染物徑流有關(guān)的現(xiàn)象。水體變暖降低了淡水的持氧能力，而淡水微生物對徑流中的營養(yǎng)物質(zhì)的分解則吞噬了氧氣。

在一項為期七年的實地實驗中，操縱附近水庫底層水域的氧氣水平，Carey的團隊發(fā)現(xiàn)，隨著缺氧條件的出現(xiàn)，他們已經(jīng)預(yù)料到了效果：沉積物釋放出大量的營養(yǎng)物質(zhì)和碳。但是他們對這些變化的程度并沒有做好準備。他們觀察到湖泊從一個水槽--保留的營養(yǎng)物質(zhì)和碳比它輸出的多--變成了下游的營養(yǎng)物質(zhì)來源，開始了一個循環(huán)，其中一個湖泊的缺氧可能會引起另一個湖泊的缺氧。

“我沒有想到水化學會有這么大的變化，”Carey說?！霸谄吣甑难芯恐谐掷m(xù)看到它--缺氧的影響比我最初預(yù)測的要大好幾個數(shù)量級?！?/span>

融合淡水和數(shù)據(jù)科學

做出這些發(fā)現(xiàn)有賴于該團隊設(shè)計的一個實驗，該實驗在幾個方面是新穎的。它必須在整個生態(tài)系統(tǒng)的范圍內(nèi)進行，不僅僅是在實驗室或在湖底水域的小范圍內(nèi)測試樣本，而是要能接觸到整個水體。Carey的團隊在弗吉尼亞州文頓的Falling Creek水庫做了現(xiàn)場實驗，團隊成員使用一個工程增氧系統(tǒng)操縱湖底水域的氧氣水平，該系統(tǒng)可以從湖底抽水，將溶解氧以超飽和濃度注入岸上，并在不改變水溫的情況下將含氧的水返回湖底。

理學院Roger Moore和Mojdeh Khatam-Moore學院研究員Carey說，只操縱底層水域的氧氣水平，從而將其與溫度變化的影響分開，對于理解缺氧的影響至關(guān)重要?！巴ㄟ^在不改變溫度的情況下操縱氧氣，我們可以理解并分離出它的影響將是什么。我們可以真正地說，我們所看到的是氧氣變化的結(jié)果，而不是由于湖中發(fā)生的其他外在因素?！?/span>

但是，分析缺氧的影響并不局限于提高或降低氧氣水平和監(jiān)測水化學。Carey說，在現(xiàn)場實驗中，總是有一些你需要但無法收集的數(shù)據(jù)。很難在不干擾現(xiàn)場的情況下對“那些細微的沉積物與水的相互作用”進行采樣和測量。還有一個物流的問題。凱里不可能在七個夏天每天都派人去收集數(shù)據(jù)。

因此，該團隊將其收集到的數(shù)據(jù)輸入到一個被Carey描述為"湖泊視頻游戲"的模型中，該模型模擬了那些重要但棘手的相互作用。她說：“視頻游戲的基礎(chǔ)是一堆我們可以操作的方程式，以了解當水庫的氧氣水平低與高時，哪些過程是最重要的?！?/span>

該模型還使該團隊能夠每小時獲得數(shù)據(jù)。“這使我們能夠真正了解湖泊對氧氣變化的反應(yīng)有多快，”Carey說。

角色反轉(zhuǎn)

研究人員觀察到缺氧時底層水域釋放的營養(yǎng)物質(zhì)濃度發(fā)生了巨大的變化，包括氮的輸出增加了六倍。隨著時間的推移，湖泊從一個磷和碳的凈匯變成了下游水體的這兩種營養(yǎng)物質(zhì)的凈來源。

Carey說：“我們看到的是，湖泊無法完成其作為碳、氮和磷的匯的重要工作，如果那里有氧氣，它就會這樣做。所有這三種元素的變化都非常顯著，但我們看到，總的來說，湖泊作為水槽的能力確實在變化。”

所有這些碳、氮和磷，一旦被埋在底部，不僅被釋放到水體中--這可能會滋生有毒的藻類水華，傷害淡水野生動物，并損害水庫的飲用水源--而且這些營養(yǎng)物質(zhì)會向下游移動，Carey解釋說。這就是缺氧產(chǎn)生缺氧的惡性循環(huán)：隨著更多的營養(yǎng)物質(zhì)到達其他湖泊、河流和溪流，每個水體的微生物將消耗越來越多的氧氣來分解它們。

Carey認為，了解這種影響的嚴重性應(yīng)該促使我們對土地利用采取行動。她說：“我們的研究揭示了這種上游湖泊損害下游湖泊的機制，如果這種情況廣泛存在，那么我們基本上必須盡一切努力保護湖泊不接受更多的磷、化肥和沉積物。我希望我們能向人們發(fā)出警告。這些過程正在發(fā)生，我們甚至都不知道。”