Controles de respuesta térmica de lagos templados al calentamiento atmosférico.

Nature Communications volumen 14, número de artículo: 6503 (2023) Citar este artículo

Detalles de métricas

El calentamiento atmosférico calienta los lagos, pero las causas de la variación entre cuencas no se conocen bien. Aquí, se combinan perfiles multidecenales de temperaturas del agua, estado trófico y clima local de 345 lagos templados con datos sobre geomorfología de los lagos y características de las cuencas hidrográficas para identificar controles de las tasas relativas de cambio de temperatura en el agua (WT) y el aire (AT). durante el verano. Mostramos que las diferencias en el clima local (AT, velocidad del viento, humedad, irradiancia), cobertura del suelo (bosque, urbano, agricultura), geomorfología (elevación, relación área/profundidad) y transparencia del agua explican >30% de la diferencia en la tasa. del calentamiento de los lagos en comparación con el de la atmósfera. Es importante destacar que la tasa de calentamiento de los lagos disminuye a medida que el aire se calienta (P <0,001). Los lagos claros, fríos y profundos, especialmente a gran altura y en cuencas no perturbadas, son particularmente sensibles a los cambios en la temperatura atmosférica. Sugerimos que las tasas de calentamiento del agua superficial pueden disminuir en relación con la atmósfera en un futuro más cálido, particularmente en sitios que ya experimentan desarrollo terrestre o eutrofización.

El cambio climático ha alterado significativamente los lagos en todo el mundo y se espera que exacerbe las amenazas actuales a los ecosistemas y a la humanidad1,2. Los lagos son fundamentales para los procesos hidrológicos, biogeoquímicos y ecológicos, por lo que el conocimiento sobre su capacidad de respuesta al cambio climático es esencial para su gestión y mantenimiento de los servicios ecosistémicos3. En particular, investigaciones recientes se han centrado en los patrones y la aparente sensibilidad de los lagos al calentamiento atmosférico, debido al papel crítico de la temperatura del agua del lago (WT) en la regulación de los procesos ecosistémicos, como el crecimiento de organismos, los ciclos biogeoquímicos y las interacciones de la red alimentaria2. Debido al alto calor específico del agua, las temperaturas de los lagos suelen amortiguar las variaciones meteorológicas de alta frecuencia y, en cambio, integran cambios a largo plazo (mensuales a anuales) en los flujos de energía asociados con la variabilidad climática4. Como resultado, las características de la capa de hielo, la estratificación, la temperatura de la superficie, la evaporación y el nivel del agua han cambiado notablemente en las últimas décadas en respuesta al calentamiento climático2. También existe una creciente preocupación de que las temperaturas atmosféricas elevadas (TA) estén intensificando los síntomas de eutrofización, como la frecuencia, magnitud y extensión geográfica de las floraciones de cianobacterias5,6,7. Por lo tanto, comprender la respuesta de la temperatura del agua de los lagos al calentamiento climático es fundamental para predecir el cambio biótico y anticipar las repercusiones de la variabilidad climática en los lagos y los ecosistemas asociados8.

Estudios recientes han documentado tendencias de varias décadas en la temperatura del agua del lago, lo que sugiere aumentos generalizados en la WT de la superficie del lago en respuesta al calentamiento atmosférico8,9,10,11,12. Por ejemplo, Jane et al.9 indicaron que la WT de la superficie del lago en la zona templada aumentó 0,39 °C por década de 1980 a 2017, mientras que la AT aumentó a 0,30 °C por década durante el mismo período. Además de las diferencias en las tasas de cambio de las temperaturas del aire y del agua, los lagos individuales exhibieron una amplia gama en la tasa y magnitud del cambio de WT en la superficie, incluyendo incluso el enfriamiento de todo el lago a pesar del calentamiento atmosférico en algunos casos13. Estos hallazgos enfatizan la importancia de tener en cuenta los factores que controlan los balances de calor de las cuencas, en lugar de asumir que la WT responde uniformemente a los aumentos de AT.

La heterogeneidad en la tasa de calentamiento de los lagos puede impedir declaraciones simples sobre las tendencias de la WT de los lagos13 y subraya la importancia de considerar posibles controles del calentamiento, incluido el clima, las características de las cuencas, la geomorfometría de los lagos y las condiciones tróficas in situ. En general, se espera que las características climáticas (p. ej., irradiancia, humedad, velocidad del viento) sean los factores predominantes que regulan las diferencias en las tasas de calentamiento del lago y atmosférico3,14, mientras que los parámetros que controlan la redistribución del calor dentro del lago tienen efectos secundarios sobre el calentamiento del lago10 . De hecho, las variaciones en la geomorfología del lago (p. ej., profundidad, tiempo de residencia del agua, elevación)15,16,17, las características de la cuenca (p.ej., uso de la tierra)18,19 y el estado trófico (p.ej., claridad del agua)17,20,21 pueden Modular los efectos climáticos en lagos individuales al afectar la forma en que se distribuye la energía con la profundidad. Por ejemplo, Woolway et al.16 sugieren que los lagos fríos y profundos responden más rápidamente a la variación de la AT, mientras que otros han encontrado que los lagos poco profundos son más sensibles al calentamiento del aire15,22. Rose et al.21 indican que la respuesta de la WT del lago a los cambios de AT varió entre los sitios en parte debido a las diferencias en la claridad del agua y la profundidad del lago. Esta variación en la capacidad de respuesta de WT a las condiciones atmosféricas resalta las respuestas heterogéneas y complejas de los lagos al clima y otros factores estresantes y dificulta predecir el riesgo de daño al ecosistema debido al cambio climático. Además, hasta la fecha, la mayoría de las inferencias mecanicistas se han extraído de experimentos de simulación numérica y aún requieren validación mediante extensas observaciones del lago. Dado que los ecosistemas lacustres ya se encuentran gravemente amenazados por numerosos factores estresantes inducidos por el hombre (por ejemplo, eutrofización7, desoxigenación9), es vital comprender dónde y cómo el cambio climático global aumentará los efectos de los factores estresantes existentes en estos importantes ecosistemas22,23, e implementar este conocimiento para futuras estrategias de gestión y conservación24.

Aquí se analizó la variación en la capacidad de respuesta de la superficie del lago y la WT profunda al calentamiento atmosférico durante el verano comparando estimaciones a largo plazo (1979-2017, 24,5 ± 6,7 años) de los perfiles de WT y el estado trófico de 345 lagos y embalses templados del norte (Fig. 1) con medidas de clima local, geomorfometría del lago y características de la cuenca. Nuestra hipótesis es que la capacidad de respuesta del lago WT al calentamiento atmosférico y el consiguiente riesgo de los ecosistemas lénticos a cambios fundamentales no es la misma para todos los lagos, y que las cuencas claras, frías y profundas son más sensibles al cambio de AT. Este estudio tiene como objetivo mejorar nuestra comprensión de los controles de la variación espacial y temporal en la respuesta de los lagos al calentamiento atmosférico, ayudar a los tomadores de decisiones a prepararse para riesgos futuros y desarrollar estrategias de gestión específicas.

El gradiente de color de los círculos indica las diferencias entre la tendencia de la temperatura epilimnética del lago (ETT) y la tendencia de la temperatura del aire (ATT), como ETT-ATT. Los datos de origen se proporcionan como un archivo de datos de origen.

Según los perfiles de temperatura de los lagos observados y los regímenes de estratificación de los lagos (estratificados, no estratificados), se estimó el calentamiento de los lagos para aguas epilimnéticas (superficiales) e hipolimnéticas (profundas). En este estudio, la AT, la temperatura del agua epilimnética (ET) y la temperatura del agua hipolimnética (HT) en verano (en adelante, del 15 de julio al 31 de agosto en el hemisferio norte) fueron 20,6 ± 2,7 °C, 22,0 ± 3,0 °C y 9,6 ± 3,0 °C, respectivamente (Fig. 2a). Muchos lagos del norte exhibieron tendencias de calentamiento (como la pendiente de Sen) tanto en AT (91,0%) como en ET (81,7%) durante el verano, aunque las aguas profundas cambiaron de manera menos consistente, y más de la mitad de los sitios (58,5%) se enfriaron durante el período analítico ( Figura 2b). La temperatura epilimnética generalmente se calentó más rápidamente (+0,44 ± 0,57 °C por década) que la AT de verano (+0,36 ± 0,33 °C por década), mientras que la HT a menudo disminuyó (−0,12 ± 0,47 °C por década, Fig. 2b).

a Frecuencia relativa de la temperatura del aire (AT), la temperatura epilimnética (ET) y la temperatura hipolimnética (HT). b Distribución sincrónica de la tendencia de la temperatura del aire (ATT), la tendencia de la temperatura epilimnética (ETT) y la tendencia de la temperatura hipolimnética (HTT). c Gráficos de densidad de las diferencias entre las tendencias de las temperaturas del aire, epilimnéticas e hipolimnéticas. ETT–ATT, la diferencia entre ETT y ATT en verano; HTT–ATT, la diferencia entre HTT y ATT en verano; ETT–HTT, la diferencia entre ETT y HTT en verano. d – f las relaciones entre ATT, ETT y HTT. Los datos de origen se proporcionan como un archivo de datos de origen.

Para los lagos individuales, las tendencias multidécadas entre AT y WT a menudo divergieron o incluso mostraron tendencias opuestas (Fig. 2c-f). Por ejemplo, las tendencias de temperatura epilimnética (ETT) en 62 lagos (18,0% de los sitios) y las tendencias de temperatura hipolimentética (HTT) en 132 lagos (57,6%) fueron opuestas a las tendencias de temperatura del aire (ATT, Fig. 2d, e), mientras que El 55,5% de los TET fueron opuestos a HTT (Fig. 2f). Las diferencias calculadas en las tendencias de AT y WT variaron según la zona del lago, incluidas las diferencias de tendencia entre ETT y ATT (ETT–ATT, +0,08 ± 0,52 °C por década), HTT y ATT (HTT–ATT, −0,47 ± 0,53 °C por década). década), y ETT y HTT (ETT-HTT, +0,59 ± 0,62 °C por década) (Fig. 2c). En general, la superficie del lago y la WT profunda respondieron de manera diferente al calentamiento atmosférico, y hubo un amplio rango en la tasa de cambio de WT en los lagos individuales (Fig. 2d-f).

En este estudio, se evaluó la capacidad de respuesta de WT a los cambios en AT durante el verano calculando la diferencia entre las tendencias en WT y AT para cada lago. El análisis con correlaciones por pares mostró que ETT-ATT se correlacionaba positivamente con el volumen del lago, la cubierta forestal, la extensión de los humedales, la precipitación total de verano (TSP), la radiación de onda larga de verano (LR), el flujo de calor latente regional de verano (LE) y la AT de invierno (WiAT). , y humedad (P < 0,05), y negativamente con el grado de desarrollo antropogénico, agricultura, área de pastizales, velocidad del viento en verano (WS), flujo de calor sensible regional en verano (H) y AT en verano (SuAT) (P < 0,05, Figura 3a). De manera similar, HTT-ATT se correlacionó positivamente con el área del lago, la profundidad máxima (profundidad máxima), la relación entre área y profundidad (relación área/profundidad), el volumen, el área de la cuenca hidrográfica (Wshd), la cubierta forestal y WiAT, y negativamente con el desarrollo del paisaje. , SuAT, AT de primavera (SpAT) y AT de otoño (FaAT) (P <0,05, Fig. 3a).

a Correlaciones por pares entre las diferencias en las tendencias de la temperatura del agua epilimnética (ETT) y la temperatura atmosférica (ATT) (es decir, ETT-ATT) o la temperatura del agua hipolimnética (HTT) y la temperatura atmosférica (es decir, HTT-ATT) y parámetros ambientales clave. Los predictores ambientales incluyen la geomorfometría del lago (área, profundidad máxima [profundidad máxima], relación área/profundidad [área/profundidad], volumen, tiempo de residencia del agua [tiempo de res], elevación y área de la cuenca [wshd]), uso de la tierra (agricultura, desarrollo, agua, bosques, humedales, pastos, matorrales), clima (tendencias en la velocidad del viento [WS], precipitación total de verano [TSP], humedad, radiación de onda corta [SR], radiación de onda larga [LR], flujo de calor sensible regional (H ), y el flujo de calor latente regional (LE) durante el verano, así como la temperatura del aire en verano [SuAT], la temperatura del aire en primavera [SpAT], la temperatura del aire en otoño [FaAT] y la temperatura del aire en invierno [WiAT]), y el estado trófico (tendencia en profundidad de Secchi [Secchi]) examinado por el coeficiente de correlación de Spearman. El gradiente de color indica los coeficientes de correlación (corr) y los cuadrados con una cruz indican correlaciones no significativas (P > 0,05). b, c Importancia de la geomorfología del lago, el uso de la tierra, el clima y las variables tróficas para explicar el ETT-ATT y el HTT-ATT explorados mediante análisis forestal aleatorio. El poder explicativo de las variables de respuesta se estimó como el error cuadrático medio (MSE). Significancia estadística indicada por el gráfico rojo. d Análisis de partición de variaciones de las contribuciones relativas de la geomorfología del lago (lago), el uso de la tierra, el clima y las variables tróficas a la respuesta de la temperatura del agua del lago a la temperatura del aire. Los valores < 0 no fueron mostrados. Significancia estadística indicada por *P < 0,05, **P < 0,001 y ***P < 0,001 (ANOVA). Los datos de origen se proporcionan como un archivo de datos de origen.

Se utilizó un análisis forestal aleatorio para determinar qué variables eran más importantes para explicar las diferencias en las tendencias de temperatura entre el aire y el agua. Más del 30% de la variación en las tasas relativas de cambio de temperatura del aire y del lago se correlacionó con diferencias locales en las características geomórficas, de cuenca, climáticas y tróficas (Fig. 3b, c). Según el análisis de bosque aleatorio, el conjunto de predictores utilizados en este estudio explicó el 30,3% de ETT-ATT y el 31,1% de HTT-ATT, respectivamente (P <0,001, Fig. 3b, c). Específicamente, WS, humedad, SuAT, WiAT, elevación, cubierta forestal, radiación de onda corta (SR) de verano, desarrollo urbano, humedales, área del lago y pasto fueron los factores importantes que explicaron las diferencias entre ETT y ATT (P <0.05, Fig. . 3b), mientras que las variaciones en HTT-ATT se explicaron significativamente por cambios en SuAT, cubierta forestal, LR, desarrollo urbano, matorrales y transparencia del agua (profundidad de Secchi) (P <0,05, Fig. 3c). Además, un análisis de partición de la varianza mostró que las variaciones en ETT-ATT se explicaban principalmente por el clima (21,6%), la geomorfología del lago (2,7%), el uso de la tierra (0,6%) y los efectos combinados del uso de la tierra y el clima (5,3%). en lugar de a la transparencia del agua (P <0.05, Fig. 3d). Por el contrario, las diferencias en HTT-ATT estaban relacionadas predominantemente con el clima (21,7%), el uso de la tierra (5,6%) y la transparencia del agua (1,5%) en lugar de con la geomorfología del lago (P <0,05, Fig. 3d).

El análisis con modelos aditivos generalizados (GAM) reveló que los valores de ETT-ATT disminuyeron significativamente con el calentamiento AT durante el verano (r de Spearman = −0,267, P <0,001, Fig. 4). En promedio, las diferencias de tendencia entre ETT y ATT tendieron a ser negativas en las regiones cálidas (Fig. 4), lo que indicó que la superficie WT respondió menos a los cambios en AT en regiones con climas más cálidos.

Los lagos se vuelven menos sensibles a los cambios de temperatura del aire a medida que la atmósfera se calienta. La línea negra es un modelo aditivo generalizado ajustado a los puntos de datos, mientras que la línea de puntos fina representa el intervalo de credibilidad puntual del 95% de los valores ajustados. Las correlaciones por pares entre la tendencia de la temperatura epilimnética (ETT) y la tendencia de la temperatura del aire (ATT) (es decir, ETT-ATT) y la temperatura del aire se examinaron mediante el coeficiente de correlación de Spearman. Los datos de origen se proporcionan como un archivo de datos de origen.

Siguiendo las directrices de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE)25, se utilizaron los valores de profundidad de Secchi para clasificar los lagos según su estado trófico. Los lagos oligotróficos transparentes mostraron una mayor capacidad de respuesta al cambio de AT que los sitios turbios productivos (Fig. 5). La diferencia entre las tendencias en WT y AT se correlacionó positivamente con la transparencia de Secchi (P <0,001, Fig. 5), que fue significativamente menor en los lagos eutróficos e hipereutróficos en comparación con los sitios oligotróficos y mesotróficos (P <0,05, Fig. 5). Por ejemplo, los valores medios de ETT-ATT disminuyeron progresivamente con el estado trófico del lago, desde oligotrófico (0,20 ± 0,36 °C por década) hasta mesotrófico (0,19 ± 0,59 °C por década), eutrófico (0,001 ± 0,53 °C por década) e hipereutrófico. (- 0,17 ± 0,49 ° C por década) cuencas (Fig. 5a), lo que indica que el agua superficial se calentó más lentamente en lagos turbios (hipereutróficos) que la atmósfera local (P <0,05, Fig. 5a). De manera similar, los valores HTT-ATT aumentaron significativamente con los valores de profundidad de Secchi (P <0,05, Fig. 5b), y el agua profunda se calentó lentamente en comparación con AT, especialmente en sitios más productivos (P <0,05, Fig. 5b). El análisis con un subconjunto de lagos utilizando el contenido de nutrientes (como TP) o la abundancia de fitoplancton (como Chl a) confirmó que los lagos más productivos exhibieron una menor sensibilidad al aumento de la temperatura del aire que los sistemas improductivos (Figura 1 complementaria).

a Las relaciones entre las tendencias epilimnéticas de la temperatura del agua (ETT) y las tendencias de la temperatura del aire (ATT) (es decir, ETT-ATT) y la profundidad de Secchi. b Variaciones en las tendencias hipolimnéticas de la temperatura del agua (HTT) y de la temperatura del aire (es decir, HTT-ATT) en función de la transparencia del agua. La línea negra es una regresión del modelo aditivo generalizado y la línea de puntos representa un intervalo de confianza puntual del 95% de los valores ajustados. Las correlaciones por pares entre ETT-ATT y HTT-ATT y la profundidad de Secchi se examinaron mediante el coeficiente de correlación de Spearman. Los datos de profundidad de Secchi se transformaron en log10. Según la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE), los lagos se clasificaron como oligotróficos (Secchi > 6 m), mesotróficos (3 m

De acuerdo con estudios previos sobre cambios ambientales generalizados9,13, la temperatura del aire en verano en este estudio aumentó 0,36 ± 0,33 °C por década, la radiación de onda corta aumentó 1,70 ± 3,4 W m-2 por década, mientras que la velocidad del viento y las precipitaciones disminuyeron 0,04 ± 0,05 m s-1 por década y 1,81 ± 24,1 mm por década, respectivamente (Tabla complementaria 1). Debido a que muchos lagos estratificados exhibieron un aumento de ET más rápido que el AT local, mientras que el HT frecuentemente mostró una tendencia de enfriamiento10,23, nuestros resultados indican que la fuerza de estratificación (frecuencia de flotabilidad) también aumentó (0.00019 ± 0.0012 s-2 por década), mientras que la profundidad de la estratificación disminuyó (−0,15 ± 0,65 m por década) debido al calentamiento atmosférico (Figura complementaria 2)9,26. El calentamiento climático, la disminución de la velocidad del viento y el aumento de la radiación solar (Tabla complementaria 1) interactúan para hacer que los lagos exhiban una estratificación térmica más temprana y más prolongada26,27, una disminución del espesor del epilimnion28,29, una mezcla de agua humedecida y una difusividad térmica reducida en la termoclina durante períodos de estratificación lacustre22. En consecuencia, la reducción de la difusión de calor y la mezcla de las columnas de agua provocaron que las aguas superficiales se calentaran desproporcionadamente, mientras que las aguas profundas mostraron un calentamiento limitado, observándose incluso enfriamiento en muchos lagos estratificados10,22,23,30. De acuerdo con este mecanismo, WT siguió más de cerca los cambios en AT en lagos poco profundos o no estratificados, mientras que las aguas superficiales y profundas en lagos estratificados exhibieron una mayor variedad de tendencias (Tabla complementaria 2).

El impacto del cambio climático en la superficie del lago WT ha sido ampliamente estudiado y discutido13,31,32. En cambio, este estudio se centró en las tasas relativas de calentamiento del agua y el aire para describir la heterogeneidad en el calentamiento de los lagos y evaluar la importancia de las interacciones entre el clima, las cuencas hidrográficas y los factores geomórficos en la regulación de la respuesta de la temperatura de los lagos al calentamiento atmosférico. Aquí, el análisis aleatorio de bosques y el análisis de partición de variaciones mostraron que el clima y las características de la cuenca fueron los dos factores medidos más importantes que explican las diferencias en las tendencias entre WT y AT (Fig. 3). Al igual que algunos modelos climáticos numéricos3,14, encontramos que la AT es un factor clave para los cambios en las temperaturas de la superficie de los lagos a escala global (Fig. 3). Sin embargo, también observamos que la AT fue solo uno de una serie de parámetros relacionados con el clima que predijeron diferencias en las tendencias entre las temperaturas del aire y del agua (Fig. 3b, c), lo que sugiere que en el futuro se necesitarán análisis más completos para predecir los lagos. calentamiento. Además, observamos que las propiedades geomórficas específicas de los lagos (p. ej., profundidad del lago, elevación, relación área/profundidad) también afectaron las diferencias en las tendencias de calentamiento del aire y el agua, tanto directamente como a través de interacciones con los impulsores climáticos (Fig. 3)10,15 ,19. Por ejemplo, la superficie y la profundidad del lago (y su proporción) afectan la fuerza de la estratificación y pueden resultar en una disminución neta de la temperatura promedio de todo el lago17. Finalmente, registramos que los factores que influyen en los cambios de temperatura a largo plazo en el hipolimnion parecen ser distintos de los que impulsan el calentamiento epilimnético, posiblemente porque las aguas más profundas están aisladas de la vía principal de intercambio de energía, la capa límite aire-agua10.

Durante las últimas décadas, el uso y la cobertura del suelo han sido ampliamente reconocidos como un factor crítico que media los comportamientos socioeconómicos, políticos y culturales y el cambio climático global1. La modificación humana de la superficie terrestre afecta los procesos climáticos regionales y globales al cambiar los flujos de masa y energía entre los ecosistemas lacustres y la atmósfera33,34. De hecho, las cuencas actúan como filtros específicos del clima y los efectos humanos al alterar los subsidios terrestres a los lagos19,33,35. Por ejemplo, cuando la cubierta terrestre se convierte en agricultura, el flujo de calor sensible disminuye, mientras que el flujo de calor latente muestra pocos cambios36,37, lo que resulta en temperaturas superficiales regionales más cálidas que pueden afectar los lagos locales (Figura complementaria 3). Por el contrario, el aumento del crecimiento forestal puede disminuir la velocidad del viento en la superficie y aumentar las concentraciones acuáticas de materia orgánica disuelta que absorbe la luz, al tiempo que intensifica la estratificación térmica, modificando así los efectos del calentamiento atmosférico en los regímenes térmicos de los lagos18. Aunque no se aborda explícitamente en este estudio, la transformación de los hábitats de bosques, pastizales y humedales a un entorno urbanizado probablemente también afecte la forma en que se calientan los lagos (Fig. 3), debido tanto a los efectos de las islas de calor como a las influencias en la velocidad y dirección del viento38. Sin embargo, a pesar de la congruencia general entre nuestro análisis de lagos templados ampliamente distribuidos y los hallazgos de modelos numéricos8,12,27 y estudios de sitios específicos18, observamos que se requiere más investigación para perfeccionar nuestra comprensión de los mecanismos por los cuales el clima y el uso de la tierra Los factores interactúan con los lagos cálidos.

La eutrofización cultural de las aguas superficiales ha sido una preocupación internacional durante más de 75 años debido a sus consecuencias ecológicas y económicas, incluida la proliferación de algas nocivas. Más recientemente, la atención se ha centrado en el papel que el cambio climático puede desempeñar en la regulación de la producción de lagos, la composición de la comunidad y la biogeoquímica7,39. En particular, el calentamiento atmosférico se ha relacionado con un aumento de la proliferación de cianobacterias productoras de toxinas en los ecosistemas de agua dulce de todo el mundo5,6,7. En consecuencia, una mejor comprensión de la capacidad de respuesta del lago WT al cambio climático ayudará a guiar las estrategias de adaptación30. Este estudio sugiere que los lagos claros e improductivos pueden ser más sensibles que los lagos turbios y productivos al calentamiento atmosférico (Fig. 5 y Fig. complementaria 1)40. Una mayor penetración de la luz se asocia con un mayor calentamiento de las aguas profundas y temperaturas medias elevadas de la columna de agua40, mientras que las aguas productivas a menudo presentan una menor penetración de la luz solar, profundidades de mezcla y temperaturas hipolimnéticas, aunque las tendencias pueden variar algo entre cuencas3,17,20,21. 30. En conjunto, estos patrones indican que los efectos interactivos de las actividades humanas (por ejemplo, el uso de la tierra y el estado trófico del lago) son importantes para dar forma a la respuesta de la temperatura del agua del lago al cambio climático.

Los pronósticos de la respuesta de los lagos al calentamiento atmosférico futuro a menudo se centran en cambios sustanciales asociados con cambios en las propiedades físicas (capa de hielo, régimen de estratificación) en lugar de cambios progresivos en la capacidad de respuesta de los lagos para aumentar la AT. Descubrimos que la capacidad de respuesta de la WT de la superficie al calentamiento atmosférico parecía mayor cuando los lagos estaban fríos o estaban ubicados en un clima más frío, como ocurre en latitudes o elevaciones altas15, y disminuye a medida que la atmósfera se calienta (Fig. 4). En general, esta relación refleja la observación de que la ETT, pero no la ATT, disminuye con el aumento de la AT (Figura complementaria 4), lo que es consistente con los efectos esperados del aumento de la evaporación y la transferencia de calor latente a la atmósfera a temperaturas más altas41. Sin embargo, la resolución de los mecanismos precisos que conducen a una disminución progresiva de la capacidad de respuesta de los lagos al calentamiento atmosférico probablemente requerirá presupuestos energéticos integrales para cuantificar mejor cómo los regímenes térmicos y la dinámica del intercambio de calor de los lagos varían sistemáticamente con la AT y otros factores.

Comprender cómo responden los lagos WT al cambio climático es importante para predecir cómo las funciones de los lagos pueden cambiar en el futuro2. Aquí, se determinó que las respuestas del lago WT al calentamiento atmosférico eran heterogéneas debido a las diferencias en las características físicas y químicas del lago, las características de la cuenca y las condiciones climáticas locales. Estos resultados sugieren que la capacidad de respuesta del lago WT a las variaciones climáticas y, en consecuencia, el riesgo de problemas de calidad del agua, es heterogénea y que un enfoque único no es apropiado para comprender y gestionar los riesgos del calentamiento climático23,42 . En cambio, concluimos que es importante tener en cuenta la capacidad de respuesta diferencial de los lagos al calentamiento climático al desarrollar estrategias de adaptación y mitigación. Los lagos claros, fríos y profundos, especialmente aquellos situados en elevaciones altas y en áreas de uso natural de la tierra, exhibieron la mayor capacidad de respuesta al calentamiento atmosférico; por lo tanto, pueden correr el mayor riesgo de experimentar cambios importantes en los ecosistemas asociados con el calentamiento31,40,43 . De manera similar, a medida que la eutrofización antropogénica de las aguas superficiales continúa aumentando a nivel mundial44, anticipamos que la magnitud de la capacidad de respuesta de los lagos al calentamiento atmosférico puede disminuir, lo que requerirá una evolución en la estrategia de gestión de los lagos en respuesta al cambio climático. Una mejor comprensión de la posible sensibilidad de los lagos al calentamiento climático puede ayudar a los responsables de la toma de decisiones a identificar ecosistemas sensibles, mejorar nuestra capacidad para pronosticar las respuestas de los ecosistemas lacustres a cambios climáticos futuros y prepararnos mejor para futuros riesgos climáticos (p. ej., muerte de peces, anoxia, algas nocivas). flores).

Este estudio utiliza un gran conjunto de datos que incorpora registros a largo plazo de perfiles de temperatura del agua (WT), variables climáticas locales y estado trófico del lago, así como una base de datos de características geomórficas y de cuencas del lago recopiladas por académicos, gobiernos y organizaciones sin fines de lucro. -fuentes de beneficios45,46. Las características geomórficas de cada lago se obtuvieron del proyecto HydroLAKES47 e incluyeron área de superficie, profundidad máxima, relación área/profundidad, volumen, tiempo de residencia del agua, elevación y área de la cuenca. Los perfiles de temperatura del agua se derivaron de mediciones in situ y se tomaron muestras de al menos un perfil anualmente durante el período sin hielo40. Las variables meteorológicas derivadas del reanálisis ERA-5 del Centro Europeo de Pronósticos Meteorológicos a Plazo Medio48 incluyeron varias temperaturas del aire (AT), incluida la temperatura del aire en primavera (SpAT), la temperatura del aire en verano (SuAT), la temperatura del aire en otoño (FaAT), el aire en invierno temperatura (WiAT), así como velocidad del viento en verano (WS), humedad, radiación de onda corta en verano (SR), radiación de onda larga en verano (LR), precipitación total en verano (TSP), flujo de calor latente regional en verano (LE) y flujo de calor sensible regional en verano (H). Los datos climáticos se obtuvieron de los lugares más cercanos a cada lago. La composición del uso de la tierra dentro de la cuenca de cada lago se derivó de la base de datos nacional de cobertura terrestre de EE. UU. para la mayoría de los sitios de América del Norte46, mientras que se utilizaron imágenes Landsat con una resolución espacial de 30 m para obtener datos de uso de la tierra para cuencas fuera de EE. UU.49. El porcentaje de cada categoría de uso de suelo para cada cuenca se caracterizó como; agricultura, desarrollo, agua, bosques, humedales, pastos y matorrales46. En este estudio, el estado trófico del lago se estimó a partir de mediciones de los valores de Secchi de múltiples fuentes de datos46.

Summer WT es especialmente importante desde la perspectiva del ecosistema lacustre y fue el foco de este estudio. Con base en el intervalo de estratificación estable de verano, el período de verano se definió como el período del 15 de julio al 31 de agosto para los lagos situados en el hemisferio norte, mientras que las pocas ubicaciones del hemisferio sur utilizaron el intervalo del 15 de enero al 28 de febrero. Los lagos seleccionados tenían al menos 15 años de datos entre 1979 y 2017. Para el control de calidad, los metadatos de cada lago se compararon para cada variable en todos los conjuntos de datos. En general, en este estudio estuvieron disponibles 345 lagos templados diversos (Tabla complementaria 3; archivo de datos complementarios), en su mayoría ubicados en el hemisferio norte (Fig. 1).

La estratificación del lago se calculó a partir de los perfiles de temperatura observados del lago. Si el rango vertical de temperatura era <1 °C, se consideraba que la columna de agua no estaba estratificada45. Si más del 10% de los perfiles se consideraban no estratificados, se consideraba que el lago no tenía hipolimnio45. El epilimnion se definió como todas las profundidades menores o iguales a la profundidad del metalimnion más superior, y el hipolimnion como todas las profundidades más profundas que la profundidad del metalimnion más profunda. En esta base de datos, 229 lagos exhibieron estratificación, mientras que 116 lagos no exhibieron estratificación durante el verano (datos complementarios). Para el lago WT, calculamos la media de todos los parámetros registrados para el epilimnion y el hipolimnion.

La disponibilidad de estimaciones del estado trófico varió según el parámetro y la profundidad. La transparencia del agua (como profundidad de Secchi, m) estaba más disponible (334 lagos después de eliminar los sitios donde la transparencia llegaba al fondo del lago) y se utilizó para clasificar el lago en cuatro estados tróficos principales, siguiendo la OCDE25; oligotrófico (Secchi > 6 m), mesotrófico (3 m

Para obtener tendencias para cada variable de lagos individuales, se calcularon los valores medios anuales de las variables climáticas y todos los valores epilimnéticos e hipolimnéticos para cada lago. En este caso, se calculó la pendiente de Sen, una métrica comúnmente utilizada para el análisis de tendencias de series a largo plazo, y se utilizó para estimar tendencias en WT (epilimnético e hipolimnético), factores climáticos (SpAT, SuAT, FaAT, WiAT, WS, humedad, SR , LR, TSP, H y LE) y estado trófico (Secchi) (Datos complementarios). Las pendientes de Sen y la significancia (alfa = 0,05) se calcularon en R 4.0.4 utilizando el paquete de tendencias50.

En este estudio, se evaluó la capacidad de respuesta de WT al cambio en AT durante el verano calculando la diferencia entre las tendencias en WT y AT para cada lago. Específicamente, la diferencia entre la tendencia de la temperatura epilimnética (ETT) y la tendencia de la temperatura del aire (ATT) en verano (ETT-ATT) se utilizó para indicar la capacidad de respuesta de la temperatura epilimnética (ET) a la AT. De manera similar, la capacidad de respuesta de la temperatura hipolimnética (HT) a la AT en verano se calculó como la diferencia entre la tendencia de la temperatura hipolimnética (HTT) y ATT, como HTT-ATT. Aquí, los valores negativos entre ETT y ATT indican que el agua del lago se calienta más lentamente o se enfría más rápido que la atmósfera.

Se utilizó un análisis de bosque aleatorio para determinar qué variables eran más importantes para explicar la capacidad de respuesta de WT a los cambios en AT51. Los predictores incluyeron características geomórficas (área del lago, profundidad máxima, relación área/profundidad, volumen, tiempo de residencia del agua, elevación, área de la cuenca) y de la cuenca (agricultura, desarrollo, agua, bosques, humedales, pastos, matorrales), así como la tendencias en la transparencia del agua (Secchi) y variables climáticas (WS, humedad, SR, LR, TSP, H, LE, SpAT, SuAT, FaAT, WiAT). El orden de importancia estuvo determinado por la frecuencia de las variables y su posición relativa en árboles individuales en todo el bosque. El poder explicativo de las variables de respuesta se estimó como el error cuadrático medio (MSE). Posteriormente, se utilizaron modelos preliminares de variación interanual en WT para evaluar si las variables significativas ofrecían predicciones razonables de la capacidad de respuesta de WT a los cambios en AT. El análisis de bosque aleatorio se realizó utilizando el paquete randomForest en R 4.0.452. Además, se utilizó el paquete A3 R para evaluar la importancia de los modelos y los valores de R2 con validación cruzada con 5000 permutaciones de las variables de respuesta53. Para cada análisis, solo se utilizaron lagos sin valores faltantes para ninguna variable predictiva.

Para evaluar los efectos relativos de las variables geomórficas, de cuencas, tróficas y climáticas del lago sobre la relación entre las tendencias de la temperatura del agua y el ATT, se realizó un análisis de partición de variación utilizando la función 'varpart' del paquete vegano en R 4.0.454. Las diferencias en las tendencias de WT y AT se utilizaron como variable de respuesta a cuatro conjuntos de variables explicativas: geomorfología del lago (área, profundidad máxima, relación área/profundidad, volumen, tiempo de residencia del agua, elevación, área de la cuenca); características de las cuencas (agricultura, desarrollo, agua, bosques, humedales, pastos, matorrales); características climáticas (WS, humedad, SR, LR, H, LE, TSP, SpAT, SuAT, FaAT, WiAT), y; estado trófico (Secchi). Se utilizó la regresión múltiple utilizando selección tanto hacia adelante como hacia atrás para reducir la colinealidad entre los predictores en cada uno de los conjuntos explicativos55. Para ETT-ATT, se seleccionaron ocho variables (WS, agricultura, SuAT, humedad, elevación, SpAT, SR, relación área/profundidad), mientras que se retuvieron cuatro variables (SuAT, bosque, Secchi, WiAT) para explicar HTT-ATT. Se realizó una partición de variaciones para evaluar las correlaciones directas e interactivas entre los predictores climáticos, de cuenca, geomórficos y tróficos de la capacidad de respuesta de WT a los cambios en AT. Todas las fracciones de variación de partición fueron significativas en una prueba de permutación de análisis de varianza (ANOVA) utilizando el paquete vegano en R 4.0.454.

Las distribuciones de ETT-ATT y HTT-ATT con la temperatura del aire y la transparencia del agua se estimaron utilizando el modelo aditivo generalizado (GAM) en el paquete gam55. Las relaciones estadísticas entre las condiciones geomórficas, de cuencas, climáticas y tróficas se examinaron con un análisis de varianza unidireccional (ANOVA) utilizando la prueba de diferencia honestamente significativa de Tukey. Las correlaciones entre las tendencias de WT y las variables geomórficas, de cuencas, climáticas y tróficas del lago se exploraron con el coeficiente de correlación de Spearman utilizando el paquete de estadísticas. Todos los análisis se realizaron en R 4.0.456. El nivel de significación utilizado para todas las pruebas fue P <0,05.

Los datos brutos subyacentes utilizados para el análisis de este estudio están accesibles abiertamente en línea desde https://doi.org/10.6073/pasta/ac8b05bb0da19032b3df3efc21f8387445 y https://doi.org/10.6073/pasta/312f45d8d2ceaecf0c02e791f5fd9a6346. Los datos de la pendiente de Sen están disponibles como datos complementarios. Los datos de origen de las cifras se proporcionan en el archivo de datos de origen. Los datos originales se proporcionan con este documento.

El código fuente R utilizado en este estudio está disponible públicamente en https://github.com/Laker-NIGLAS/Source_code57.

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Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (subvenciones 42220104010 a BQ, 42177058 a JZ, U22A20561 y 41922005 a KS, y 42007160 a YZ), la Subvención Nacional Clave de Investigación y Desarrollo de China (2022YFC3204101) a JZ y la Fundación NIGLAS (E1SL002) para KS, el Programa de Cátedra de Investigación de Canadá para PRL y la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (subvenciones 1754265 y 2048031) para KCR

Instituto de Geografía y Limnología de Nanjing, Academia China de Ciencias, 73 East Beijing Road, Nanjing, 210008, China

Jian Zhou, Xiwen Wang, Yibo Zhang, Kun Shi y Boqiang Qin

Escuela de Geografía, Universidad Normal de Nanjing, No.1 Wenyuan Road, Nanjing, 210023, China

Jianzhou

Laboratorio de Limnología, Universidad de Regina, Regina, SK, S4S 0A2, Canadá

Peter R. Leavitt

Instituto para el Cambio Ambiental y la Sociedad, Universidad de Regina, Regina, SK, S4S 0A2, Canadá

Peter R. Leavitt

Departamento de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Rensselaer, Troy, NY, 12180, EE. UU.

Kevin C. Rosa

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JZ propuso la idea, diseñó la investigación, realizó análisis de datos, creó figuras y escribió el borrador del artículo; PRL refinó conceptos y contribuyó al diseño de la investigación, la recopilación de datos, el análisis y la preparación de manuscritos; KCR contribuyó a la recopilación de datos y la preparación de manuscritos; XW contribuyó a la recopilación y análisis de datos; YZ ayudó a preparar el manuscrito; KS refinó conceptos y contribuyó a la recopilación, análisis y preparación de manuscritos de datos. BQ refinó conceptos y ayudó a preparar el manuscrito. BQ, PRL y KS supervisaron el proyecto.

Correspondencia a Peter R. Leavitt, Kun Shi o Boqiang Qin.

Los autores no declaran ningún interés en competencia.

Nature Communications agradece a Jonathan Butcher y al otro revisor anónimo por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Un archivo de revisión por pares está disponible.

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Zhou, J., Leavitt, PR, Rose, KC et al. Controles de respuesta térmica de lagos templados al calentamiento atmosférico. Nat Comuna 14, 6503 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-42262-x

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Recibido: 05 de febrero de 2023

Aceptado: 05 de octubre de 2023

Publicado: 16 de octubre de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-42262-x

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