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透明度下降和地表太阳辐射降低共同造成近50年来湖泊水下变暗

  在国家自然科学基金委创新研究群体项目资助下,中国科学院南京地理与湖泊研究所张运林研究组近日在Science Bulletin上发表了题为“Radiation dimming and decreasing water clarity fuel underwater darkening in lakes”的研究论文。论文使用全国太阳辐射和日照时数长期观测数据,两次全国湖泊调查、典型湖泊长期观测以及文献提取透明度数据,并结合Landsat遥感反演64110 km2以上湖泊两个典型时段遥感反演透明度结果,首次构建了我国湖泊透明度长期变化数据,揭示了透明度下降和太阳辐射降低共同作用导致了过去数十年湖泊水下变暗。 

  在水生生态系统中,浮游植物和大型水生植物都依赖于水下辐射进行光合作用,因此其生物量和初级生产力对光的可利用性和水下变暗十分敏感。水下变暗会对水生生态系统产生了许多负面影响,例如可能会大大减少物种丰富度,破坏食物链,改变生态系统能量流动和物质循环路径(图1)。然而,在对湖泊浮游植物和大型水生植物生长以及初级生产力的研究中,人们大多关注到营养盐的影响作用,光的重要作用往往被忽视。上世纪7080年代以来,由于人类活动造成的大气污染和气溶胶增加,全球范围内到达地表的太阳辐射均观测到衰减的现象。加之高速社会经济发展造成水环境污染加剧,抚仙湖、洱海、千岛湖、太湖、滆湖等典型湖泊长期观测显示水体透明度也呈现逐渐下降趋势。因此,通过建立全国尺度大样本量的湖泊光环境长期变化的数据集,综合考量太阳辐射减弱和水体透明度下降对水下变暗的影响,可以为理解水下光环境变化提供了一个全新的视角,并为研究湖泊初级生产力和碳循环提供重要启示。

1 水下变暗的原因及对水生生态系统的潜在影响示意图 

  研究发现: 

  1)我国116个辐射站的长期观测数据显示,与上世纪60年代相比,91个监测站(78.4%2000年以来的年平均总辐射展现了明显下降趋势,平均下降率为5.8%。同时观测到839个气象站点中,60.2%站点日照时数呈现明显下降趋势,其年平均日照时数下降率为4.59h/年,以胡焕庸线为界,受人类活动影响强烈的东南地区其下降率明显高于西北地区(图2)。

2 1961-2013年中国839个观测站年平均日照时数变化率(a)、显著性水平(b)空间分布以及胡焕庸线两侧东南地区和西北地区变化率和显著性水平的比较(c

  2)全国实测和Landsat卫星反演的透明度显示出过去数十年我国湖泊透明度总体为下降趋势,其中东部湖区的透明度下降更明显。全国170个湖泊实测透明度长期变化数据显示,130个湖泊经历了透明度显著下降的过程,从1960s-1995年间的平均透明度1.89m下降到2005-2016年间的1.11 m,平均下降率为41.3%(图3)。64110 km2以上湖泊的遥感观测结果显示平均透明度从1985-19901.26m下降为2005-2010年的1.14m,整体下降了10.1%。其中,透明度在东部平原湖区和东北湖区的下降最明显,下降率分别是57.9%52.8%,而在青藏高原、蒙新高原和云贵高原湖区则显示了上升趋势,上升率分别为19.0%7.1%1.8%

3 170个湖泊实测透明度典型时段变化及对比

  3)地面平均总辐射降低和水体透明度下降直接导致了我国湖泊水下变暗,真光层水柱中可利用光降低。全国湖泊漫射衰减系数从1995年之前的0.81m增加到2005年以后的1.13m,引起了湖泊真光层水柱内光合有效辐射减少了7.5%。其中湖泊透明度下降和太阳辐射降低对水下变暗贡献率分别为85.4%14.6%,透明度下降是我国湖泊水下光变暗的主要因子。4)基于文献荟萃分析发现全球61个不同类型水体长期观测结果显示,透明度也呈现明显下降的趋势(图4),意味着水体变暗的状况可能广泛分布于全球。鉴于湖泊水下变暗对初级生产力、碳通量、渔业生产、生物多样性和生态系统服务功能的潜在影响,本研究为全球变化和人类活动影响下的湖泊环境管理提供了重要理论指导和应用价值。

4 全球61个不同类型水体基于长期观测计算的透明度变化率分布

  论文全文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209592732030414X?via%3Dihub#f0005