不断上升的林线如何影响高山湖泊

洛桑联邦理工学院的一位科学家与来自欧洲各地大学的同事完成了有史以来第一项定量研究，研究了森林土壤有机物溶解在水中后可能对高海拔和高纬度湖泊造成的变化。

由于全球变暖，世界各地的林木线正在上升。根据地区的不同，它们每年攀爬10至100米，使森林越来越接近高海拔和高纬度湖泊。这无疑会对两个生态系统产生影响。

一组科学家首次在分子水平上仔细研究了可能产生的后果。他们最近发表在《自然通讯》上的研究结果表明，林线上升可能会影响高海拔和高纬度湖泊中的溶解有机物(DOM)，并改变湖水的生物地球化学成分。

具体来说，科学家们观察到，接触这种新碳的天然细菌在生产生物质方面可能会变得不那么有效，从而产生温室气体排放的潜在来源。考虑到我们星球上有数以千计的此类湖泊，这一发现尤为重要。

土壤有机碳的组成不同，具体取决于其位于高山草原还是森林。到目前为止，科学家们还不确定土壤中的有机碳渗入高山和亚北极湖泊后会发生什么反应。

这些湖泊已经含有少量的DOM，它作为天然细菌的资源发挥着至关重要的作用。但随着林线的推进，湖泊周围的土壤成分会发生变化，当下雨或雪融化时，土壤中含有的有机碳就会被带入湖泊。

这就是包括洛桑联邦理工学院(EPFL)的汉内斯·彼得(HannesPeter)在内的研究团队研究的过程。Peter是洛桑联邦理工学院河流生态系统实验室(RIVER)的生态学家和生物地球化学家，该实验室隶属于位于锡永的ALPOLE高山和极地环境研究中心。

芬兰北部和奥地利阿尔卑斯山的湖泊

湖泊细菌通常以两种方式之一对DOM做出反应：要么以DOM为食并生长以产生构成食物链基础的生物量;要么以DOM为食并生长以产生形成食物链基础的生物量;或者它们处理效率低下并将其以CO2的形式呼吸。为了更仔细地研究这些机制，研究人员在芬兰北部的一个高纬度湖泊和奥地利的一个高海拔湖泊进行了实地实验，并将其与实验室实验和分析相结合。

“我们的计划是将湖泊细菌暴露于来自不同类型土壤的有机碳，”彼得说。“我们收集了湖水样本，并添加了树线上方和下方土壤中的DOM，然后观察细菌的反应。

“我们想知道它们是否会产生更多的生物量或释放CO2。答案是，当暴露于树线以下土壤中的DOM时，细菌会排放更多的CO2。”

解析单个碳分子

该团队使用德国合作大学安装的精密高精度仪器进行分析。借助该仪器，他们能够单独检查每个DOM分子。

“现在可用于分析碳的先进技术和高性能系统让我们看到‘黑匣子’的内部，”彼得说。“我们鉴定了DOM中包含的超过2,500个分子，并能够了解细菌代谢最快的分子。

“我们还研究了整个分解过程。这就是我们如何得出结论，当林线上升时，高山湖泊中的细菌可能会排放更多的CO2。”

他接着解释说，后果可能会很严重。“我们的研究只是第一步。我们只研究了细菌处理DOM的效率。需要更多的研究来确定额外的碳将如何影响环境。但细菌的迷人之处在于它们能够以多快的速度适应不断变化的条件。”

绘制瑞士高山森林扩张图

洛桑联邦理工学院ALPOLE研究中心的另一组科学家也在研究林线移动的影响。Thien-AnhNguyen，博士环境计算科学与地球观测实验室(ECEO)的学生和她的同事开发了一个人工智能驱动的程序，绘制了80年来瑞士阿尔卑斯山森林扩张的地图。

该程序是开源的，清楚地显示了沃州和瓦莱州阿尔卑斯山的林线如何向更高的海拔移动。

Nguyen和她的同事使用瑞士联邦地形局提供的1946年至2020年间拍摄的数千张照片来训练他们的算法。尽管数据集中包含广泛的图像质量和分辨率，但仍面临着有效训练算法的挑战。

该计划说明了这种变化发生的速度有多快，这主要是由于气温升高和农业用地废弃所致，并将用于量化这两个因素的影响。

Nguyen的研究发表在《环境遥感》杂志上，是第一个以如此大的比例和如此细粒度的水平绘制高山林线进展图的研究。