近日，发表在Nature Communications 上的一篇题为“Stable isotopes in global lakes integrate catchment and climatic controls on evaporation” 的文章，该研究通过对1257个湖泊的稳定性同位素组成进行分析，发现大多数湖泊依赖于降水和地下水补给，随后由流域和湖泊蒸发而发生改变。此文章对于促进对地球湖泊进行系统的全球同位素监测，为检测气候和流域规模变化对水平衡和蒸发趋势的影响提供了一种直接和比较的方法。

 研究背景

湖泊约占全球可用地表淡水储量的87%，是气候驱动流域和地表水蒸发影响的哨兵。湖泊蒸发由一系列水气候和环境因素驱动，包括太阳辐射、湖泊和流域表面积、气候类型、反照率、风速、相对湿度、气温和蓄热。目前经常使用多参数气象模型预测湖泊的蒸发损失潜力、能量收支、湖泊模拟器或湖泊蒸发皿。稳定同位素用于通过测量湖水的¹⁸O/¹⁶O和²H/H小时比率，与流入和流出进行比较，并使用同位素质量平衡模型量化蒸发与流入（E/I）比率，来估计蒸发损失。

对于基于气象的蒸发预测模型，从稳定同位素获得的有助于约束驱动湖水蒸发的变量的关键信息很少使用，相反，同位素质量平衡模型没有纳入广泛的水气候或环境变量。在这两种方法中，湖泊流域系统框架内的一整套湖泊蒸发变量通常被忽略，或被定性确认。最近解释湖泊δ¹⁸O全球变化的努力主要集中在流域尺度的蒸散模式，然而，迄今为止，尚未使用影响全球湖泊稳定同位素组成（δ¹⁸O_L和δ²H_L）的多组分变量进行比较因果评估。使用稳定同位素的一个优点是，它们提供了一个全球比较指标，不仅可以从水面量化湖泊蒸发，还可以解开湖泊流域系统内水气候变量的相关性和共性。

 研究方法

研究员收集了 7415 个稳定同位素测量数据集，这些数据来自地球各大洲的 1257 个大大小小的湖泊，跨越不同的地理和气候带：热带、干旱、温带、大陆和极地。每个湖泊的同位素组成都被归一化为通过使用从全球地理空间数据集中获得的一系列湖泊汇水蒸发的潜在驱动因素，对 E/I 进行评估和建模的汇水加权降水输入。所有湖泊δ¹⁸O和δ²H数据均归一化为每个湖泊集水区降水量加权输入的同位素组成，其定义为湖泊同位素值与其集水区降水同位素值之差，其公式为：

这些归一化数据（Δ_L-_Pδ¹⁸O 和 Δ_L-_Pδ²H）被称为蒸发富集，并在具有多个数据点的湖泊的情况下转换为每个湖泊的中值。使用基于同位素平衡分离和蒸发通量同位素组成的湖泊集水同位素质量平衡模型，非归一化湖泊同位素数据用于估计蒸发流入比 (E/I)。只有当 O 和 H 同位素结果之间存在可接受的一致性时，每个湖泊的 E/I 结果才被接受。使用基于期望最大化 (EM) 和贝叶斯信息准则 (BIC) 的高斯混合模型，根据确定的E/I率对湖泊进行聚类。

研究结果

地球湖泊的几种广泛的地理空间同位素模式很明显。热带湖泊的δ¹⁸O_L中值通常更为正值(−1.3‰与高纬度极地湖泊相比(−9.8‰）（图1），所有湖泊大致反映了δ¹⁸O_L与绝对纬度之间的预期关系，但δ正值大于降水量（δ¹⁸O_L为−6.9‰±6.2，n=1238，湖泊和δ¹⁸OPis−降水量为12.3‰±4.8，n=1257，p值<0.001，t检验。

图1 全球湖泊氧同位素组成。基于 Köppen-Geiger 气候分类的全球 1257个湖泊和气候带中的δ¹⁸O_L成分分布（n = 7457 个数据点）。按气候带划分的所有湖泊的δ¹⁸O_L的中值和范围在箱须图中描绘。气候图是根据Kottek等人的方法生成的。

 在全球范围内，Δ_L-_Pδ¹⁸O 的湖水 LEL 交点略低于（-5.5‰）海洋衍生降水，范围为0至 -5‰。大陆、温带和热带气候湖泊的 LEL 交叉点较高的Δ_L-_Pδ¹⁸O 值（-3.4、-4.0和-4.2‰）表明来自湖泊流域同位素富集水储存的大量水输入。这些交叉同位素值接近当地地下水和热带和温带气候（从 0 到 -6‰）的海水。干旱区湖泊中 Δ_L-_Pδ¹⁸O 值（-6.6‰）的较低交点表明对地下水储存的依赖性更大，同位素组成范围为-6至-9‰，这表明来自较高海拔的补给或较冷气候条件下补给的较旧地下水，或来自寒冷季节补给偏差。大陆性气候湖泊的较高 LEL 交点表明水来自浅水储存（湿地、土壤水），这些水在大陆地区高度多样化，湿地与河流和湖泊系统有很好的联系。极地湖泊的低 LEL 交点（-14.6‰）表明来自冰川、冰、融雪的水输入，或者代表来自永久冻土融化的古气候条件。LEL 斜率从温带的 5.0 变化到极地湖泊的 6.0。总之，全球湖泊流域水Δ_L-_Pδ²H 与 Δ_L-_Pδ¹⁸O 线的斜率为 5.5。Δ_L-_Pδ²H 与 Δ_L-_Pδ¹⁸O 关系的差异源于相变期间的同位素分馏，主要来自不同来源的水的蒸发和混合。

图 2 全球湖泊的同位素蒸发线。局部蒸发线 (LEL) 及其决定系数 (R²) 基于湖泊同位素值归一化为其加权流域降水输入 (Δ_L-_Pδ¹⁸O 和 Δ_L-_Pδ²H) 以及这些线与全球大气水线的交点 (GMWL)。交点值是指 δ¹⁸O 值。

约10%的地球湖泊具有较高的蒸发损失（E /I>40%），但大多数（56%）湖泊的蒸发损失较低（E /I<20%）。干旱和温带气候区的湖泊蒸发损失最大（约占这些气候组湖泊的50%）。

图3 全球湖泊基于同位素的蒸发损失。地球湖泊蒸发损失 (E/I) 和气候带的相对比例。

相对湿度和鲍文比变量解释了这些低纬度湖泊的蒸发富集。太阳辐射是干旱区湖泊Δ_L-_Pδ¹⁸O的主要气候解释变量，而蒸发量最好地解释了温带气候带湖泊的蒸发富集。风速也是大陆湖泊蒸发同位素富集的一个强有力的解释变量。但其不能解释在极地湖泊中集水区和气候变量对 Δ_L-_Pδ¹⁸O（R² = 4 %）的变化的解释，因为这些湖泊的同位素组成主要表示水输入而不是蒸发。极地湖泊补给主要来源于冰冻圈的融化，极地湖泊冰雪覆盖的反照率较高，减少了太阳能的吸收和水体之间的水交换。除干旱气候区的湖泊外，气温不是控制湖泊蒸发的主要气候变量。此外还发现流域尺度参数作为解释变量对干旱（湖水度和表面积）和温带（降水量和地下水位）区域湖泊的同位素组成很重要。

图4 全球湖泊蒸发同位素富集的决定因素。控制湖泊蒸发富集的变量（Δ_L-_Pδ¹⁸O）在气候带（a）和湖泊大小（b）方面的随机森林模型结果。使用平均下降精度 (MSE,%) 和平均下降基尼 (IncNodPur, y 轴) 测试模型精度。随机森林模型中使用的环境变量：Bowen 比率（BR，无量纲）、蒸散量（ET，mm）、流域内的森林覆盖率（Forest，%）、地下水位（GWtab，cm）、流域水温（Limn，%）, 潜热通量 (LHF, W/m²), 降水量 (P, mm), 相对湿度 (RH, %), 湖面面积 (Sarea, km²), 敏感热通量 (SHF, W/m²), 积雪流域内（雪，%）、太阳辐射（S，kJ/m²）、气温（T，°C）、水汽饱和度（V，kPa）和风速（W，m/s）。按区域和湖泊大小 (R²) 的模型性能在图例中以 % 表示。可变重要性由箭头方向指示。

 研究结果

这项研究表明，全球湖泊的稳定水同位素是高度相关的指标，在流域尺度上整合了多个过程，并且对湖泊及其集水系统的水文气候响应敏感。稳定同位素测定提供了一种低成本有效的工具来研究湖泊流域在样品收集和同位素分析方面的变化。此外，来自湖泊的稳定同位素数据在全球范围内具有充分的可比性，从而在当前国际方法和方法不同且时间和规模上不易比较，导致目前缺乏湖泊可比数据的情况下具有竞争优势和集水区。本研究的结果表明，与湖面温度、水位、冰盖和湖泊颜色等关键参数一起，稳定同位素可能被视为重要的气候响应变量，这将有助于表征水文循环和更好地预测湖泊响应气候变化和生态系统变化。

投稿人： 南京林业大学  马韵然

原文链接 ↓
https://doi.org/10.1038/s41467-021-27569-x