气候变化导致青藏高原上由冰川补给的湖泊中悬浮沉积物的含量普遍增加

《CATENA》：Climate change promotes universal increases in suspended sediment load of glacier-fed lakes on the Tibetan plateau

本研究利用卫星影像和光谱模型分析2001-2020年青藏高原冰川湖泊每日悬浮物负荷，发现高浊度事件频率和悬浮物量显著增加，53.5%的湖泊悬浮物浓度升高，65.3%的湖泊事件频率上升，平均悬浮物量呈上升趋势，揭示了气候变化对湖泊生态系统的加剧影响。

　　

王琼|方努芳|宗仁杰|曾毅|戴伟|倪玲山

中国陕西省杨凌市西北农林科技大学土壤与水保持及荒漠化控制国家重点实验室，邮编712100

摘要

全球变暖导致的冰冻圈侵蚀加剧和沉积物排放增加，影响了下游的水质和人类生活。然而，这对依赖冰川补给的湖泊所产生的影响（这些湖泊对生态环境极为敏感）仍缺乏充分记录。本研究利用卫星图像和光谱建模技术，分析了2001年至2020年间这些湖泊的日悬浮沉积物负荷（SSL），共识别出78,534次高浊度事件（HTEs）。尽管湖泊快速扩张会稀释悬浮沉积物的浓度，但在所研究的湖泊中，高浊度事件的频率和SSL分别在53.5%和65.3%的情况下持续增加。尤为重要的是，我们发现高浊度事件的平均SSL随时间显著上升。温度以及冰川退缩和融雪带来的热侵蚀作用，在52.6%的湖泊中主导了沉积物变化，占识别出的趋势的30.6%。这些发现证实了由于大气变暖导致的沉积物排放呈上升趋势，凸显了在快速变暖的寒冷地区，这种加剧的侵蚀对水生生态系统和人们生计的潜在威胁。

引言

气候变化引起的大气变暖在高山和极地地区尤为严重，其增幅是全球平均水平的三倍，导致这些地区的沉积物通量增加了两到八倍（Li等人，2022；Li等人，2021a；Shugar等人，2020；Zhang等人，2022b）。沉积物通量的增加会改变水生系统的物理、化学和生物特性，可能降低水质并危及人类生计（Bilotta和Brazier，2008；Zhang等人，2022b）。其影响不仅限于直接的生物死亡和生态破坏，还会加剧其他灾害，如洪水、富营养化，并导致农业和经济损失（Carrivick和Tweed，2021；Zhang等人，2021b）。依赖冰川补给的湖泊作为高山和极地地区的径流和沉积物储存库（Shugar等人，2020），是地球生态系统的重要组成部分，对气候变化非常敏感（Veh等人，2022；Zhang等人，2020b）。由于变暖趋势引发的沉积物通量增加可能威胁这些生态系统，破坏养分平衡和生物多样性，导致不可逆的生态变化和水质恶化（Carrivick和Tweed，2021）。因此，揭示冰川补给湖泊中沉积物变化与气候变化之间的复杂相互作用对于制定有效的管理决策、保障水资源安全以及减轻未来变暖带来的灾害至关重要。

现有研究表明，高山和极地地区沉积物通量的增加带来了严重后果（Carrivick和Tweed，2021；Zhang等人，2022b）。例如，沉积物通量的增加对水力发电系统构成了严重威胁，这些系统为高山亚洲地区超过35亿人的生活提供重要支持，导致高昂的维护成本（Li等人，2022）。在亚热带安第斯山脉，多次高浊度事件导致大量沉积物排放，降低了水质，影响了近600万居民的淡水供应（Vergara等人，2022）。然而，对这些沉积物动态及其影响的全面调查和记录主要局限于配备水文观测站的特定河流系统（Li等人，2024b；Lu等人，2022；Zhang等人，2023a）。由于地理位置偏远、天气条件不可预测以及地形复杂，依赖冰川补给的湖泊通常位于难以到达的地区，进行大规模的现场观测很不现实（Ahmed等人，2021）。缺乏测量数据，再加上沉积物变化受高度随机过程控制（Vercruysse等人，2017），限制了我们对冰川补给湖泊中由变暖驱动的沉积物动态的进一步理解。关于湖泊沉积物变化的知识缺口亟需填补。

青藏高原（TP），也被称为“第三极”或“亚洲水塔”（Li等人，2020），拥有众多依赖冰川补给的湖泊，这些湖泊在当地生物地球化学循环、生态系统管理以及为下游近20亿人提供饮用水方面发挥着不可替代的作用（Li等人，2020；Zhang等人，2020b）。尽管这些湖泊具有重要的社会生态意义，但气候变化对它们的影响，尤其是沉积物的影响（沉积物在决定水质方面起着关键作用，Bilotta和Brazier，2008；Geng等人，2024；Grove等人，2015），却大多被忽视。水生系统中的沉积物信号表现出复杂性和显著的时间变异性，这一点得到了观测研究的证实，同样适用于依赖冰川补给的湖泊（Carrivick和Tweed，2021；Vercruysse等人，2017）。特别是，偶尔发生的极端事件（如高浊度事件）可以贡献年度悬浮沉积物负荷（SSL）的大部分（Vercruysse等人，2017；Zhang等人，2021b），在短时间内显著改变湖泊的沉积物动态和水质（Joyce等人，2018；Perga等人，2018；Tsyplenkov等人，2021；Zhang等人，2023a）。持续的冰川退缩以及水文和极端天气事件的增加进一步加剧了高浊度事件对寒冷地区沉积物输送的影响（Vergara等人，2022；Zhang等人，2023a）。因此，深入了解TP上依赖冰川补给的湖泊在气候变化背景下沉积物变化的关键过程和机制至关重要。为了填补这一知识空白，我们利用了一个多模型数据集的长期日SSL模拟数据，涵盖了2001年至2020年间近八万次高浊度事件记录，揭示了TP上较大湖泊（面积超过10平方公里）的SSL变化的时空模式，并量化了影响这些变化的各种因素的作用。

章节摘录

湖泊选择

我们根据卫星遥感图像的分辨率以及冰川补给情况来选择湖泊。Terra和Aqua卫星上的中分辨率成像光谱辐射计（MODIS）非常适合识别大范围的表面悬浮沉积物分布趋势，因为它们具有每日覆盖能力和丰富的档案数据（Yunus等人，2022）。我们的分析主要针对面积较大的湖泊（超过10平方公里）。

高浊度事件频率上升

我们在2001年至2020年间记录了TP上144个依赖冰川补给的湖泊共78,534次高浊度事件，发现这些事件在空间上存在显著异质性，并且变化模式各不相同（图1）。高浊度事件的频率从北部地区逐渐增加到南部地区，尽管某些东北部湖泊存在例外。与这一趋势一致的是，这些地区的年平均气温也有所上升。

集合模型在趋势分析中的应用

通常，在未经训练的地区应用SSC反演模型需要现场数据校准（Dorji和Fearns，2016；Sun等人，2025）。即使来自研究现场的校准数据很少（例如10-20对现场测量数据），也能显著提高校准模型的准确性，并将站点SSC估计值扩展到现场记录之外（Dethier等人，2020）。因此，我们使用研究现场的已发布SSC数据对集合模型进行了校准，达到了较高的准确度R2。

结论

总之，本研究阐明了TP上依赖冰川补给的湖泊中SSL的动态变化和转型，这些变化是由气候变化及其在各自流域内的影响所驱动的。我们发现，随着时间的推移，依赖冰川补给的湖泊中高浊度事件的频率和SSL总体上都有所增加，尤其是所有研究湖泊的平均SSL显著上升。温度及其变化趋势，以及相关因素（如冰川退缩）等，都对SSL的变化产生了影响。

CRediT作者贡献声明

王琼：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念构建。方努芳：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、调查、资金获取、概念构建。宗仁杰：撰写——审稿与编辑、可视化、软件应用、方法论、数据管理。曾毅：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、方法论。戴伟：撰写——

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了青海省科学技术厅[2024-SF-A6]、国家自然科学基金[42177335]和陕西省自然科学基础研究计划[2024ZY-JCYJ-02-18]的支持。