淡水水体变褐与沿海区域变暗：影响与形成过程

《Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences》：Freshwater browning and coastal darkening: effects and processes

水体颜色变褐与变暗是北半球淡水及近海生态系统显著特征，主要由溶解有机碳（DOC）浓度上升及铁元素增加驱动，影响光照分布、生物地球化学过程及食物网结构。相关研究揭示了水体变褐与气候变化、土地利用及底质输入的相互作用机制，但仍有空间异质性和跨系统整合的未知领域。

　　

在整个北半球，河流、湖泊和沿海水域的颜色从蓝色变为绿色和棕色（Yang et al. 2022）。这种所谓的水体“褐变”在北美东北部和北欧的淡水系统中尤为明显（Solomon et al. 2015；Leech et al. 2018；de Wit et al. 2021；R?ike et al. 2024），但在相邻的北欧海域也有所体现，这种现象通常被称为“海岸变暗”（Harvey et al. 2019；Opdal et al. 2023）。事实上，在过去的一个世纪里，随着淡水体的褐变和沿海水域的变暗，水的透明度一直在下降，因此越来越多的棕色水域已成为北欧水生生态系统的一个显著特征，尽管在不同地区和局部存在差异（Ekl?f et al. 2021；Rodriguez-Cardona et al. 2023；Imtiazy et al. 2025）。水体褐变的主要原因是溶解有机碳（DOC）浓度的升高，但在一定程度上也与铁的浓度升高有关（Weyhenmeyer et al. 2014；Kritzberg et al. 2020）。DOC的组成——尤其是其腐殖质含量——也影响着DOC浓度升高导致褐变的程度（Xenopoulos et al. 2021）。水体中DOC浓度的上升与酸沉降的缓解（de Wit et al. 2021；Monteith et al. 2023）、土地利用的变化（例如针叶林的扩张，Kritzberg 2017；?kerlep et al. 2020）以及更湿润和温暖的气候条件（de Wit et al. 2016；de Wit et al. 2021）有关。

水体褐变和变暗对水生生态系统的结构和功能有着深远的影响：它们决定了光和热的垂直分布，改变了生物地球化学过程，并控制着食物网的生产力、结构和过程。我们对这些影响的理解已在多篇综述中进行了总结（例如，Jones 1992；Solomon et al. 2015；Creed et al. 2018；Kritzberg et al. 2020；Xenopoulos et al. 2021；Blanchet et al. 2022；Albrecht et al. 2023；Roth et al. 2025）。然而，尽管科学界做出了大量且不断增长的努力，仍存在许多知识空白。本特刊中的论文探讨了其中的一些空白，大致可以分为三个主题：未充分研究系统中的褐变趋势、褐变对食物网和营养级的后果，以及褐变与其他同时发生的环境变化的相互作用。下面我们将简要介绍本特刊中各项研究在这些主题下的关键发现。

特刊中的两项研究重点关注那些之前未被探索过的生态系统中的褐变趋势的量化。Coleman et al. (2025)发现在加拿大泰加平原地区的永久冻土池塘中，自19世纪中叶以来几乎没有褐变的迹象。他们发现，着色DOC的浓度是预测这些湖泊中亚化石硅藻群落的重要指标，但在调查的23个湖泊中，只有2个湖泊的硅藻群落自1850年以来发生了与褐变一致的变化。他们的结果还强调了DOC功能作用的空间异质性，因为在他们研究的其中一个生态区中，DOC与水色呈正相关，而在另外两个生态区则没有这种关系。相反，Berry et al. (2026)展示了2002年至2022年间劳伦蒂安五大湖海湾地区的褐变现象，尽管由于德雷森贝类（dreissenid mussels）的过滤作用，湖泊本身的水质变得更加清澈。因此，这两项研究不仅丰富了我们对特定系统中褐变趋势的理解，也强调了在其他未充分研究的环境中进行类似研究的必要性。

特刊中的许多论文集中在了解褐变对食物网和营养级的后果上。Higgins et al. (2025)提供了安大略省西部实验湖泊区三个湖泊中DOC浓度变化的原因和后果的全面而长期的视角。他们发现，降水量增加导致这些湖泊中的DOC负荷增加，进而减少了温跃层深度、光合作用层深度和浮游植物生物量，但并未影响浮游动物生物量。同一地区的另一项研究Tonin et al. (2025)提供了DOC对底栖食物链影响的证据。Tonin及其同事发现，摇蚊（chironomids，主要的底栖无脊椎动物）和白吸鱼（Catostomidae，主要的底栖食鱼）的生物量及其异质性都与湖底的平均光照可用性呈正相关，而光照可用性又取决于DOC和湖泊的水深。与Tonin及其同事类似，Charette et al. (2025)利用稳定同位素研究了DOC对湖泊食物网结构的影响。通过对欧洲和北美70个湖泊中6种鱼类的数据综合分析，他们发现较高的DOC浓度与食物网底层对异质性物质的依赖性增加、欧亚鲈鱼（Eurasian Perch）对浮游生物的依赖性增加，以及梭鲈（Walleye）和北方梭鱼（Northern Pike）对浮游生物的依赖性降低有关。最后，Horppila et al. (2025)记录了芬兰南部湖泊中随着水色加深，水下光从以蓝色为主变为以绿色和红色为主的变化。这种光气候的变化与浮游植物群落的变化以及叶绿素b的生物量浓度增加有关，叶绿素b在吸收绿光方面起着重要作用。

在现实世界中，褐变和变暗与其他形式的环境变化（如气候变化、富营养化以及物种的增减）同时发生。然而，尽管近年来对此类现象的兴趣日益增加（例如，Mormul et al. 2012；Taipale et al. 2018；Feuchtmayr et al. 2019；Vasconcelos et al. 2019；Jane et al. 2024），但关于褐变与其他同时发生的环境变化的相互作用的研究仍然有限。特刊中的两篇论文在这一领域做出了重要贡献。在山区，气候变化可能导致树线向前延伸，同时由于冰川侵蚀作用，“冰川粉”（细小的岩石颗粒）的输入量也会增加。Dawson et al. (2025)通过一个中型生态系统实验表明，这两种变化可以相互作用；冰川粉减弱了DOC对紫外线衰减的影响，可能是由于DOC与冰川粉颗粒发生了絮凝作用。在另一个中型生态系统实验中，Garnier et al. (2026)测试了海岸变暗对自上而下和自下而上富营养化缓解措施效果的影响，发现自上而下的控制仅在较暗的水域中有效。这两项研究为将我们对褐变和变暗的理解与其他普遍存在的水生生态系统变化结合起来提供了重要的途径。

在过去几十年中，DOC和水色在构建淡水和沿海海洋生态系统中的作用逐渐成为我们理解这些系统的核心支柱，相关科学文献也非常丰富。然而，在阅读本特刊中的论文时，我们被其中揭示的新见解的丰富性以及它们所表明的我们仍有很多需要学习的内容所震撼。我们希望阅读这份特刊也能给其他人带来同样的学习灵感和启发。

致谢

我们感谢CJFAS编辑团队的出色工作，帮助完成了这份特刊的编纂。我们的工作部分得到了美国国家科学基金会（grant #1754363）和瑞典研究委员会Formas（grant #2021-00964）的支持。