Контроль термической реакции озер умеренного пояса на потепление атмосферы

Nature Communications, том 14, номер статьи: 6503 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Потепление атмосферы нагревает озера, но причины различий между бассейнами плохо изучены. Здесь многодесятилетние профили температуры воды, трофического состояния и местного климата из 345 озер умеренного пояса сочетаются с данными о геоморфологии озер и характеристиках водораздела для определения контроля относительных скоростей изменения температуры в воде (WT) и воздухе (AT). на протяжении лета. Мы показываем, что различия в местном климате (AT, скорость ветра, влажность, освещенность), земном покрове (лес, город, сельское хозяйство), геоморфологии (высота над уровнем моря, соотношение площади и глубины) и прозрачности воды объясняют> 30% разницы в скорости нагрева озера по сравнению с нагревом атмосферы. Важно отметить, что скорость нагрева озера замедляется по мере нагревания воздуха (P < 0,001). Прозрачные, холодные и глубокие озера, особенно на больших высотах и ​​в ненарушенных водосборах, особенно чувствительны к изменениям температуры воздуха. Мы предполагаем, что в более теплом будущем темпы нагрева поверхностных вод могут снизиться по сравнению с атмосферой, особенно в районах, где уже наблюдается наземное развитие или эвтрофикация.

Изменение климата существенно изменило озера по всему миру и, как ожидается, усугубит текущие угрозы экосистемам и человечеству1,2. Озера играют центральную роль в гидрологических, биогеохимических и экологических процессах, поэтому знание их реакции на изменение климата имеет важное значение для управления ими и поддержания экосистемных услуг3. В частности, недавние исследования были сосредоточены на закономерностях и очевидной чувствительности озер к потеплению атмосферы в связи с решающей ролью температуры воды в озере (ТВ) в регулировании экосистемных процессов, таких как рост организмов, биогеохимические циклы и взаимодействия пищевой сети2. Из-за высокой удельной теплоемкости воды температура озера часто защищена от высокочастотных метеорологических изменений и вместо этого интегрирует долгосрочные (месячные и ежегодные) изменения потоков энергии, связанные с климатической изменчивостью4. В результате характеристики ледяного покрова, стратификации, температуры поверхности, испарения и уровня воды заметно изменились за последние десятилетия в ответ на потепление климата2. Также растет обеспокоенность тем, что повышенная температура воздуха (АТ) усиливает симптомы эвтрофикации, такие как частота, масштабы и географическая протяженность цветения цианобактерий5,6,7. Поэтому понимание реакции температуры воды в озере на потепление климата имеет решающее значение для прогнозирования биотических изменений и прогнозирования последствий изменчивости климата для озер и связанных с ними экосистем8.

Недавние исследования зафиксировали тенденции изменения температуры воды в озере на протяжении нескольких десятилетий, что позволяет предположить повсеместное увеличение температуры поверхности озера в ответ на потепление атмосферы8,9,10,11,12. Например, Джейн и др.9 указали, что температура поверхности озера в умеренной зоне увеличивалась на 0,39 °C за десятилетие с 1980 по 2017 год, тогда как температура повышалась на 0,30 °C за десятилетие за тот же период. Помимо различий в скорости изменения температуры воздуха и воды, отдельные озера демонстрировали широкий диапазон скорости и величины изменения поверхностной температуры, включая даже охлаждение всего озера, несмотря на потепление атмосферы в некоторых случаях13. Эти результаты подчеркивают важность учета факторов, которые контролируют тепловой баланс бассейнов, а не предположения, что WT равномерно реагирует на увеличение AT.

Неоднородность в скорости потепления озер может помешать простым формулировкам о тенденциях влажности озера13 и подчеркивает важность рассмотрения возможных мер контроля потепления, включая климат, характеристики водораздела, геоморфометрию озера и трофические условия in situ. В целом ожидается, что климатические особенности (например, освещенность, влажность, скорость ветра) будут преобладающими факторами, регулирующими различия в скорости потепления озера и атмосферы3,14, в то время как параметры, контролирующие перераспределение тепла внутри озера, оказывают вторичное воздействие на потепление озера10. . Действительно, различия в геоморфологии озера (например, глубине, времени пребывания воды, высоте)15,16,17, характеристиках водораздела (например, землепользовании)18,19 и трофическом статусе (например, прозрачности воды)17,20,21 могут модулировать климатические воздействия на отдельные озера, влияя на распределение энергии с глубиной. Например, Вулвей и др.16 предполагают, что холодные и глубокие озера быстрее реагируют на изменение AT, в то время как другие обнаружили, что мелкие озера более чувствительны к потеплению воздуха15,22. Роуз и др.21 указывают, что реакция озера WT на изменения AT различается в зависимости от участка, отчасти из-за различий в прозрачности воды и глубине озера. Такое изменение реакции WT на атмосферные условия подчеркивает неоднородную и сложную реакцию озер на климат и другие стрессоры и затрудняет прогнозирование риска повреждения экосистемы из-за изменения климата. Кроме того, на сегодняшний день большинство механистических выводов было сделано на основе экспериментов по численному моделированию и все еще требует проверки с использованием обширных наблюдений за озером. Поскольку экосистемы озер уже находятся под серьезной угрозой со стороны многочисленных стрессоров, вызванных деятельностью человека (например, эвтрофикация7, деоксигенация9), крайне важно понять, где и как глобальное изменение климата усилит воздействие существующих стрессоров на эти важные экосистемы22,23, и реализовать эти знания для будущих стратегий управления и сохранения24.