失去氧气的恶性循环正威胁着湖泊的水质

科学家们最近证实，世界上的湖泊正在迅速失去氧气。通过为期7年的全生态系统研究，弗吉尼亚理工大学的一个淡水科学家团队率先提出了下一步的问题：全球氧气下降对水质意味着什么？

湖泊的底层水粘满了沉积物，不仅仅是它们最深、最黑暗的一层。它们掩埋了大量从陆地上流入的径流中发现的大量碳、氮和磷。淡水科学家Cayelan Carey说，作为自然界重要的营养汇之一，湖泊赢得了它们作为周围环境“哨兵”的声誉。

“我们认为湖泊是哨兵，因为它们真正整合了陆地上发生的所有变化，”弗吉尼亚理工大学理学院生物科学副教授、弗拉林生命科学研究所的附属科学家Carey说。“湖泊在接收和处理所有这些碳、氮和磷方面做了非常好的工作，防止它们流向下游和到达海洋。”

Carey的团队在5月25日发表在《全球变化生物学》杂志上的一项研究中发现，这项工作可能被缺氧，即氧气供应的丧失所瓦解。科学家们多年来一直在担心缺氧问题，最近被数百个湖泊的数据证实为普遍现象，缺氧正广泛存在，在从世界的淡水中吸走氧气。

这是一个与气候变化带来的水域变暖以及土地使用带来的过量污染物径流有关的现象。水体变暖降低了淡水的持氧能力，而淡水微生物对径流中的营养物质的分解则吞噬了氧气。

在一项为期七年的实地实验中，操纵附近水库底层水域的氧气水平，Carey的团队发现，随着缺氧条件的出现，他们已经预料到了效果：沉积物释放出大量的营养物质和碳。但是他们对这些变化的程度并没有做好准备。他们观察到湖泊从一个水槽--保留的营养物质和碳比它输出的多--变成了下游的营养物质来源，开始了一个循环，其中一个湖泊的缺氧可能会引起另一个湖泊的缺氧。

“我没有想到水化学会有这么大的变化，”Carey说。“在七年的研究中持续看到它--缺氧的影响比我最初预测的要大好几个数量级。”

融合淡水和数据科学

做出这些发现有赖于该团队设计的一个实验，该实验在几个方面是新颖的。它必须在整个生态系统的范围内进行，不仅仅是在实验室或在湖底水域的小范围内测试样本，而是要能接触到整个水体。Carey的团队在弗吉尼亚州文顿的Falling Creek水库做了现场实验，团队成员使用一个工程增氧系统操纵湖底水域的氧气水平，该系统可以从湖底抽水，将溶解氧以超饱和浓度注入岸上，并在不改变水温的情况下将含氧的水返回湖底。

理学院Roger Moore和Mojdeh Khatam-Moore学院研究员Carey说，只操纵底层水域的氧气水平，从而将其与温度变化的影响分开，对于理解缺氧的影响至关重要。“通过在不改变温度的情况下操纵氧气，我们可以理解并分离出它的影响将是什么。我们可以真正地说，我们所看到的是氧气变化的结果，而不是由于湖中发生的其他外在因素。”

但是，分析缺氧的影响并不局限于提高或降低氧气水平和监测水化学。Carey说，在现场实验中，总是有一些你需要但无法收集的数据。很难在不干扰现场的情况下对“那些细微的沉积物与水的相互作用”进行采样和测量。还有一个物流的问题。凯里不可能在七个夏天每天都派人去收集数据。

因此，该团队将其收集到的数据输入到一个被Carey描述为"湖泊视频游戏"的模型中，该模型模拟了那些重要但棘手的相互作用。她说：“视频游戏的基础是一堆我们可以操作的方程式，以了解当水库的氧气水平低与高时，哪些过程是最重要的。”

该模型还使该团队能够每小时获得数据。“这使我们能够真正了解湖泊对氧气变化的反应有多快，”Carey说。

角色反转

研究人员观察到缺氧时底层水域释放的营养物质浓度发生了巨大的变化，包括氮的输出增加了六倍。随着时间的推移，湖泊从一个磷和碳的净汇变成了下游水体的这两种营养物质的净来源。

Carey说：“我们看到的是，湖泊无法完成其作为碳、氮和磷的汇的重要工作，如果那里有氧气，它就会这样做。所有这三种元素的变化都非常显著，但我们看到，总的来说，湖泊作为水槽的能力确实在变化。”

所有这些碳、氮和磷，一旦被埋在底部，不仅被释放到水体中--这可能会滋生有毒的藻类水华，伤害淡水野生动物，并损害水库的饮用水源--而且这些营养物质会向下游移动，Carey解释说。这就是缺氧产生缺氧的恶性循环：随着更多的营养物质到达其他湖泊、河流和溪流，每个水体的微生物将消耗越来越多的氧气来分解它们。

Carey认为，了解这种影响的严重性应该促使我们对土地利用采取行动。她说：“我们的研究揭示了这种上游湖泊损害下游湖泊的机制，如果这种情况广泛存在，那么我们基本上必须尽一切努力保护湖泊不接受更多的磷、化肥和沉积物。我希望我们能向人们发出警告。这些过程正在发生，我们甚至都不知道。”