淡水湖在全球碳循环和气候变化中的作用

这张地图显示了2008年劳伦廷大湖区的平均生产力。湖泊生产力从低到高表现为蓝色到红色。（图片来源：Karl Bosse/密歇根技术研究所）

十六年的遥感数据显示，气候变化会影响地球上最大的淡水湖的碳固定的趋势。

一项NASA资助的研究考察了世界上面积最大的11个淡水湖，并结合野外观测和卫星探测，为大型水体固定碳的方式以及变化的气候和湖泊相互作用的方式提供了新认识。

密歇根技术研究所(MTRI)的科学家们研究了美国和加拿大边境的劳伦提安五大湖；非洲坦噶尼喀湖、维多利亚湖和马拉维湖三大湖；俄罗斯的贝加尔湖；以及加拿大的大熊湖和大奴隶湖。

这11个湖泊拥有地球上50%以上的地表淡水，是数百万人和无数其他生物赖以生存的家园，因此，了解它们受气候变化和其他因素影响的机理极为重要。

加拿大的两个湖泊和非洲的坦噶尼喀湖见证了初级生产者最大的变化——水体中藻类的生长。藻类生产力的波动表明湖泊生态系统发生了巨大变化。

“这些湖泊食物链的基础是藻类。湖泊中到处都是小型藻类等浮游植物，”MTRI大学的研究员、最近退休的美国国家海洋和大气管理局大湖环境研究实验室的高级研究科学家Gary Fahnenstiel说，“我们测量了碳固定率，也就是藻类在这些湖泊中光合作用的速率。这一速率无论是增加还是减缓，都意味着整个湖泊在变化，这将影响到从浮游动物到鱼类的整个食物链。”

许多因素都影响着这些湖泊。气候变化、营养物质增加（富营养化）和物种入侵都导致了整个系统的变化。从地面进行现场观察十分有限，很难确定具体的影响因素。

用颜色来对浮游植物进行计数

但是卫星图像使噪声分类变得更容易，并且提供了时间上和空间上的观察结果。MTRI的科学家、该研究的主要作者Michael Sayers用海洋颜色来追踪淡水浮游植物的动态——根据水的颜色推断浮游植物的类型和数量。

坦噶尼喀湖、大熊湖和大奴隶湖在16年间（2003-2018年）的全湖生产力。每一个湖泊在这段时间内都表现出了显著的产量变化，据此绘制出了最佳拟合曲线。 （图片来源：Karl Bosse/密歇根技术研究所）

Sayers说：“我们依靠NASA在2002年发射升空的AQUA卫星获取数据，它搭载有MODIS传感器，应用了MTRI开发了十年的算法和模型。统计全球11个湖泊16年来观测到的像素数量，这是非常了不起的。”他补充说，每个湖泊观测到的像素有数百万个。

最显著的发现是，在不到20年的时间里，这些淡水湖发生了迅速的变化——这是个值得关注的数字。这项研究有利于NASA碳监测系统实现目标，即确定淡水湖对全球碳循环的贡献。

“世界上最大的三个湖泊正显示出与气候变化相关的重大变化。在过去16年里，整体的生物生产力变化量为20%~25%。”Fahnenstiel说。

不仅仅是藻类

在16年的数据中，加拿大北部的大熊湖和大奴隶湖的生产力增长最快，而非洲东南部的坦噶尼喀湖的生产力却有所下降。这种趋势与水温的升高、太阳辐射以及风速的降低有关。

Sayers说，通过观察淡水湖泊的生产力、藻类数量、水体透明度、水温、太阳辐射和风速，可以更全面地了解整个生态系统。

“温度和太阳辐射是引起气候变化的因素，”Sayers说，“叶绿素和水体透明度的变化不一定是由气候变化引起的，可能是由于富营养化，或者是入侵物种，如斑蛤贻贝引起。”

研究人员使用了五大湖研究中心的研究船队进行的湖泊测量结果，对卫星观测进行地面实况调查，并为模型估计提供数据。

这篇题为“Carbon Fixation Trends in Eleven of the World's Largest Lakes: 2003–2018”（《2003-2018年世界上11个最大湖泊的固碳趋势》）的文章发表在Water杂志上。研究人员计划继续他们的研究，将他们目前掌握的知识应用到有害藻华对大气碳通量的影响上。

美国北部湖泊（图片来源：约克大学（York University）博士后研究员Alessandro Filazzola）

俗话说，水是生命之源。湖泊是许多人赖以生存的水体。更好地了解湖泊生产力的变化对居住在湖岸的群体极为重要。持续深入研究淡水湖在全球碳循环和气候变化中的作用，对地球共同体具有重要意义。

作者：Kelley Christensen