《Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences》：Decreased water transparency of nearshore Laurentian Great Lakes habitats is driven by increased dissolved organic carbon
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本研究针对劳伦森五大湖近岸水域变暗（湖体褐变）问题展开。研究人员通过分析2002至2022年四大湖近岸站点的数据，系统评估了溶解有机碳（DOC）与水下光环境（UV-B和PAR透明度）的长期变化关系。结果表明，DOC以年均约0.5%的速度显著增加，并强烈解释了UV-B和PAR透明度的降低。这一发现揭示了大型湖泊近岸生态系统的褐变趋势及其对紫外线辐射衰减的驱动作用，与已知的离岸水体透明度增加（由入侵贻贝导致）形成鲜明对比，强调了近岸生境变化的独特性与重要性。
在世界最大的淡水湖群——北美劳伦森五大湖中，人们早已注意到一个看似矛盾的现象：在湖泊的离岸区域，由于入侵性斑马贻贝等滤食性生物的“清洁”作用，水体变得异常清澈；然而，在人类活动更为密集、生物多样性更丰富的近岸地带，水的颜色却似乎正在变得越来越“浑浊”或“暗沉”。这种现象，在科学上被称为“湖体褐变”，主要由陆源输入的增加导致水中溶解性有机碳浓度上升引起。湖体褐变不仅影响水体的观感，更会深刻改变水下的“光气候”：它对有害的紫外线辐射（特别是UV-B波段）的削弱能力，远强于对植物光合作用所需的可见光（PAR）的削弱。这种选择性的光衰减，就像给水下世界换上了一副特殊的“太阳镜”，会扰乱整个水生生态系统的运行，从改变藻类的生长、影响鱼类的捕食与躲藏，到甚至助长水生病原体和入侵物种的传播。尽管小型湖泊的褐变已被广泛研究，但对于像五大湖这样庞大、复杂的水体，其近岸区域的褐变状况、驱动因素及生态后果，我们却知之甚少。
为了解开五大湖近岸水体变暗之谜，一个由美国地质调查局等机构科学家组成的研究团队，系统地分析了2002年至2022年（无冰期）从五大湖中四个湖（苏必利尔湖、休伦湖、伊利湖、安大略湖）的62个近岸站点收集的长期监测数据。他们的研究成果发表在《Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences》上，揭示了溶解有机碳（DOC）的显著上升趋势及其对近岸光环境的决定性影响，为理解大型湖泊近岸生态系统的变化提供了关键证据。
研究人员主要运用了以下几种关键技术方法来开展这项研究：
- 1.
长期定点监测与数据收集：研究数据主要来源于加拿大安大略省环境、保护与公园部（OMECP）的水质监测项目。该项目在约20年间，每3-4年对四大湖北部近岸约20个站点进行采样，覆盖春、夏、秋三个季节。数据包括水体DOC浓度，以及使用水下剖面辐照度计测量的UV-B（320 nm）和光合有效辐射（PAR, 400-800 nm）剖面数据。
- 2.
生境分类与空间分析：研究将采样站点依据其水动力学特征和流域影响进行了精细分类，包括水体类型（非海湾型与海湾型）和河流影响（受河流影响与否）。这种分类有助于解析不同近岸环境对DOC和光透明度变化的响应差异。
- 3.
光学参数计算与统计分析：利用专业的“Kd-calc”模板处理光学剖面数据，计算出UV-B和PAR的衰减系数，进而估算出1%光穿透深度，作为衡量水体透明度的关键指标。研究采用基于贝叶斯信息准则进行反向选择的线性混合效应回归模型，来分析DOC、季节、湖泊、水体类型、河流影响等多个因素对UV-B和PAR透明度的复杂影响，并识别出最具解释力的驱动因子。
研究结果
溶解有机碳（DOC）的时空模式
分析显示，从2002年到2022年，研究区域内的DOC浓度以平均每年约0.5%的速度显著增加。DOC的空间变异性很高，但模型分析表明，其变化主要与季节和水体类型相关。总体而言，海湾型水体的DOC浓度高于非海湾型水体，且在春季和夏季，这种差异更为明显。
UV-B透明度的驱动因素
UV-B（320 nm波段的紫外线）的1%穿透深度变化，主要受到溶解有机碳浓度、季节、水体类型以及河流影响的共同驱动。DOC对UV-B透明度的影响是非线性的，并且强烈依赖于水体类型。在海湾型水体中，DOC的增加对UV-B透明度的降低效应尤为显著。季节上，春季的UV-B穿透深度通常最浅。研究还发现，UV-B透明度的变化模式在四大湖之间没有显著差异，表明近岸生境的特征（如是否受海湾庇护或河流输入影响）是比具体位于哪个湖更重要的影响因素。
PAR透明度的驱动因素
与UV-B类似，溶解有机碳也是PAR（光合有效辐射）透明度的主要驱动因子，但其影响同样因水体类型而异。此外，具体湖泊和季节也对PAR透明度有显著影响。例如，休伦湖的PAR透明度通常最高，而伊利湖的最浅。季节上，秋季的PAR穿透深度普遍浅于春季和夏季。与UV-B不同的是，PAR透明度表现出明显的湖泊间差异，暗示除了DOC之外，其他全湖尺度的因素（如营养盐、初级生产力等）也在起作用。
结论与意义
本研究为劳伦森五大湖近岸生境正在发生“湖体褐变”提供了明确的区域证据。核心结论是：近二十年来，近岸水域的溶解有机碳浓度呈现上升趋势，而这种上升直接且显著地导致了水体对UV-B和PAR的透明度下降。这意味着，与因入侵贻贝导致的离岸水体“变清”趋势相反，近岸生态系统正朝着“变暗”的方向发展。
这一变化具有多重生态意义：
- 1.
改变水下光环境与初级生产：UV-B透明度的降低可能减轻其对底栖藻类的损伤压力，而PAR透明度的下降则可能压缩真光层深度，影响整个水生食物网的基础——初级生产力。
- 2.
影响鱼类等水生生物：对于依赖视觉捕食的鱼类，水体透明度下降可能妨碍其觅食。同时，UV-B的减少可能为一些原本不耐紫外的入侵物种（如血红色虾）创造更适宜的生存环境，改变物种竞争格局。
- 3.
暗示流域与气候变化影响：DOC的长期增加与区域性的气候变化及从酸沉降中恢复的过程一致，表明近岸水质的这种变化是更大尺度环境变化的缩影。
- 4.
提供管理与监测新视角：研究表明，仅凭PAR或赛克盘深度可能无法敏感地捕捉到由少量DOC增加引起的早期褐变信号，而UV-B监测是一个更有效的早期指标。对近岸生境进行更细致的分类（如区分海湾型与非海湾型、是否受河流影响），有助于更准确地预测和管理其光环境与生态响应。
总之，这项研究填补了关于大型湖泊近岸褐变认知的空白，揭示了近岸与离岸生态系统变化轨迹的分异，并强调了将紫外线辐射监测纳入大型湖泊长期生态观测体系的重要性，以全面评估全球变化下淡水生态系统的健康与未来。
