Șaizeci de ani de schimbări de mediu în cel mai mare lac de apă dulce din lume - Lacul Baikal, Siberia
STEPHANIE E HAMPTON
* Centrul Național de Analiză și Sinteză Ecologică, Universitatea din California - Santa Barbara, Santa Barbara, CA 93101, SUA
LYUBOV R IZMEST'EVA
† Institutul de Cercetare Științifică de Biologie, Universitatea de Stat din Irkutsk, Irkutsk 664003, Rusia
MARIANNE IN MOORE
‡ Departamentul de Științe Biologice, Colegiul Wellesley, Wellesley, MA 02481, SUA
STEPHEN L KATZ
§ Northwest Fisheries Science Center, NOAA Fisheries, Seattle, WA 98112, SUA
BRIAN DENNIS
¶ Departamente de statistică și resurse de pește și animale sălbatice, Universitatea din Idaho, Moscova, ID 83844, SUA
EUGENE A SILOW
† Institutul de Cercetare Științifică de Biologie, Universitatea de Stat din Irkutsk, Irkutsk 664003, Rusia
Abstract
Datele de înaltă rezoluție colectate în ultimii 60 de ani de o singură familie de oameni de știință siberieni de pe lacul Baikal relevă încălzirea semnificativă a apelor de suprafață și schimbările pe termen lung în rețeaua alimentară bazală a celui mai mare și mai vechi lac din lume. Atingând adâncimi de peste 1,6 km, Lacul Baikal este cel mai adânc și mai voluminos dintre marile lacuri ale lumii. Creșterile temperaturii medii a apei (1,21 ° C din 1946), clorofila a (300% din 1979) și un grup influent de păstori de zooplancton (creșterea cu 335% a cladoceranilor din 1946) pot avea implicații importante pentru ciclul nutrienților și dinamica rețelei alimentare. Rezultatele modelării multivariate autoregresive (MAR) sugerează că cladoceranii au crescut puternic ca răspuns la temperatură, dar nu la biomasa algelor, iar cladoceranii au deprimat unele resurse algale fără efecte de fertilizare observabile. Schimbările din Lacul Baikal sunt deosebit de semnificative ca semnal integrat al încălzirii regionale pe termen lung, deoarece acest lac este de așteptat să fie printre cele mai rezistente la schimbările climatice datorită volumului său extraordinar. Aceste descoperiri evidențiază importanța accesibilă a datelor de monitorizare pe termen lung pentru înțelegerea răspunsului ecosistemului la factorii de stres pe scară largă, cum ar fi schimbările climatice.
Introducere
Schimbările climatice antropice au ridicat temperatura aerului și a apei la nivel mondial (Houghton și colab., 2001), iar încălzirea mediului în Siberia a depășit estimările încălzirii în alte părți (Serreze și colab., 2000; Shimaraev și colab., 2002;). Pentru locațiile cu latitudine ridicată care evidențiază acum creșteri pronunțate ale temperaturii, schimbarea biologică corespunzătoare pe uscat a fost semnificativ mai mare decât cea pentru latitudini mai mici (Root și colab., 2003). Cu toate acestea, răspunsurile biologice observate la schimbările climatice în cadrul sistemelor de apă dulce la latitudini contrastante sunt mai puține ca număr și aparent destul de eterogene [de ex. (Quayle și colab., 2002; O'Reilly și colab., 2003;)]. Aici, valorificăm un set de date pe termen lung practic necunoscut și descriem schimbări fizice și biologice semnificative care au avut loc în Lacul Baikal în ultimii 60 de ani. Aceste rezultate arată cum cel mai mare lac din lume - un sistem dintre cele mai rezistente la schimbările climatice și alți factori de stres datorită volumului său enorm și a inerției termice - se schimbă acum și demonstrează rolul critic pe care îl joacă cercetarea și monitorizarea pe termen lung în alertare comunitatea științifică și de management pentru schimbarea ecosistemului.
Acoperind mai mult de 4 ° latitudine și obținând o adâncime maximă mai mare de 1,6 km, Lacul Baikal din Siberia este cel mai adânc, mai mare (în volum) și cel mai vechi lac din lume. Datorită dimensiunii sale extraordinare, influențează clima într-o regiune care se confruntă cu o încălzire dramatică a mediului (Serreze și colab., 2000; Shimaraev și colab., 2002; Smith și colab., 2005; Walter și colab., 2006;). Endemismul și diversitatea biotică a acestui lac vechi sunt deosebit de ridicate, contribuind la decizia UNESCO din 1996 de a desemna Lacul Baikal drept sit al patrimoniului mondial. Fauna endemică neobișnuită include singurul piniped de apă dulce din lume (foca Baikal Phoca sibirica), 344 de specii de amfipode - dintre care mai multe prezintă gigantism (de exemplu Acanthogammarus maximus) - și 33 de specii de pești sculpin, inclusiv golomyanka translucidă profundă (Comephorus) ) baicalensis și Comephorus dybowskii) care seamănă cu peștii marini abisali.
Pe lacul Baikal, din 1945, trei generații de biologi dintr-o singură familie siberiană au menținut în liniște unul dintre cele mai detaliate și consistente programe de monitorizare limnologică din lume. Colectate la intervale de 7-10 zile în toate anotimpurile anului, datele fizice și biologice au o importanță științifică inestimabilă, acoperind 60 de ani de schimbări ecologice la o rezoluție temporală și taxonomică ridicată. Aceste date relevă creșteri semnificative ale temperaturii apei, în concordanță cu rapoartele recente de încălzire rapidă siberiană (Serreze și colab., 2000; Shimaraev și colab., 2002;) și modificări pe termen lung în acoperirea de gheață a lacului Baikal (Magnuson și colab., 2000 ).; Todd și MacKay, 2003;). În plus, raportăm modificări semnificative în biomasa algelor și în compoziția zooplanctonului, care au implicații pentru ciclul nutrienților în acest sistem ultra-oligotrof.
Metode
Lacul Baikal și bazinul său hidrografic (Heim și colab., 2008), care arată granița ruso-mongolă, căile ferate, fluxurile majore (râul Selenga, râul Angara superior și râul Barguzin) și ieșirea principală, râul Angara. Stația de eșantionare de la care au fost analizate datele se află la 2,7 km în larg de Bol'shie Koty (51.9018, 105.0665) peste apă la aproximativ 800 m adâncime.
Analiza tendințelor pe termen lung
Analiza relațiilor plancton - mediu
Pentru a identifica potențialii factori de dinamică a planctonului, am supus datele lunare din 1974 până în 1997 la analize autoregresive multivariate (MAR) (Ives și colab., 2003; Hampton și Schindler, 2006;). Acești ani au fost aleși pentru a minimiza valorile lipsă (datele lipsite de zooplancton = 4, datele lipsite de fitoplancton = 23, datele totale = 264). Pentru grupurile de alge, schimbarea tehnicilor de conservare a probelor de fitoplancton din 1973 ne complică capacitatea de a examina seriile de timp complet într-o singură analiză. Am grupat planctonul în nouă mari categorii taxonomice: copepode, rotifere, cladocerani, crizofite, criptofite, cianobacterii, diatomee, dinoflagelate și alge verzi. În cazul în care datele lipseau, am folosit valori interpolate liniar. În cazul fitoplanctonului, nu au fost disponibile date din 1991 - pentru aceste probe, am substituit valorile medii pentru fiecare lună. Seriile de date au fost transformate ln, astfel încât modelele să poată caracteriza mai eficient relațiile neliniare (Ives, 1995). Datele au fost standardizate la unități adimensionale (scoruri Z), scăzând media pentru fiecare taxon și împărțind la abaterea standard, astfel încât efectele din modelele rezultate au fost direct comparabile.