发布时间： 2021-04-01
被称之为“地球第三极”的青藏高原，也被称为“亚洲水塔”，其提供的水源滋养着亚洲十多亿人口的生存和发展，青藏高原的冰川、湖泊在“亚洲水塔”中扮演着什么样的角色？在全球气候变暖的大背景下，带来了什么样的变化和挑战？
本期首都科学讲堂之“极简科学课”，中国科学院青藏高原研究所研究员朱立平将给我们详细讲述“亚洲水塔”的变迁，气候变换带来的挑战，以及他与”亚洲水塔”一些令人难忘的故事。
主讲嘉宾：朱立平（中国科学院青藏高原研究所副所长、研究员）
青藏高原是全球最重要的水塔
我们知道，人工的水塔是把地表的水通过一系列的装置抽到高处，然后把水通过一系列的管道送到千家万户。其实，自然界也有自己的天然水塔，那就是高山。地表水蒸发后形成水汽，进入高空遇冷凝结，凝结的水汽到了高山形成冰雪或者降水，冰雪融化以后顺着高山又流下来，通过河流、管道，也可以供给千家万户，所以我们说高山地区是自然界的天然水塔。
那么，为何说青藏高原是一个最大的水塔呢？因为青藏高原是全球最大、最高的高原山地，有十条大江大河源自青藏高原，这十条大江大河把青藏高原凝聚的水源流向四周，为亚洲的广大地区提供着一个充分的水资源，滋养着十多亿人口的生存和发展。
有科学家研究了全球所有地区的高山水塔，结果表明“亚洲水塔”是一个最重要的水塔集中地。无论是从供给方面还是从需求方面来讲，青藏高原地区都是全球最重要的一个水塔。
自然界的水以多种形式存在：冰川、湖泊、河流、湿地等，那么青藏高原作为“亚洲水塔”，它的水以什么形式存在呢？研究表明，青藏高原有5万多平方公里的冰川；有100多万平方公里的冻土，冻土里边还有大量的地下冰；有47000多平方公里的湖泊，湖泊里蕴藏着丰富的水量；还有十条大江大河从这里流出。这些水成为“亚洲水塔”丰富多彩的重要组成。
湖泊在“亚洲水塔”起着关键的水泵作用
物质在一定的温度和压强条件下，所处的相对稳定的状态叫做物态或者是聚集态，也被称之为相态，通常是指固态、液态和气态。“亚洲水塔”的水有多种多样相态的分布，那么湖泊在“亚洲水塔”究竟有什么样的作用呢？
我们认为，湖泊在“亚洲水塔”的水循环中发挥着一个关键的水泵作用。从高山上流出的冰川融水，以及降雨汇聚的流水，一部分奔流入海，在其流经的宽浅部位形成过水湖泊，另一部分进入内陆洼地，形成封闭湖泊。这些河流、湖泊会产生大量的水汽蒸发，它们又会回到高山，形成一个充足的降水水分来源。也就是说，湖泊使从高山流出汇聚在地表的水分，通过蒸发又会反复地来补充“亚洲水塔”的冰川和大气降水。所以，湖泊在“亚洲水塔”水循环中发挥着一个关键的水泵作用。
如果我们把全国的湖区分为六大湖区，那么青藏高原的湖区数量占到了全国湖泊数量的41%，面积占到全国湖泊面积的57%，可见，青藏高原是我国最大的湖泊分布区。我们经常说江南是水乡，实际上青藏高原的湖泊也是一个重要的水乡。
湖泊在中国是一类非常重要的地表水体存在。青藏高原的湖泊有多项指标都可以称为全国之最。比如有中国面积最大的湖泊青海湖，它的面积现在达到了4362平方公里，这里有全国水量最多的湖泊纳木错，这个湖泊的面积尽管只有2020平方公里，但是它的储水量达到了970亿立方米，这是全国储水量最大的一个湖泊。青藏高原也有一个全国最深的湖泊，这就是当惹雍错，最深达到了214米左右，尽管它的面积和水量并不是最大。
我们说青藏高原湖泊对“亚洲水塔”之所以重要，一方面，它加速了这里的地表水循环；另一方面，它储藏了丰富的水量。我们最近十多年把青藏高原的99个湖泊进行了调查。结果发现，这些湖泊的面积基本上占到了整个青藏高原湖泊面积的67%左右，水量有7279亿立方米。如果按照面积和水量的变化比例推测，现在整个青藏高原的水量应该在10684亿立方米左右。如果我们下一步把没有调查的一些较大的湖泊再进行调查，并经过模型计算，就能算出更为准确的青藏高原总体的湖泊水量。
现在青藏高原的湖泊水量达到10000多亿立方米，这是一个很大的水量，这也让青藏高原的湖泊成为“亚洲水塔”一个重要支撑。这些水量中10%是淡水，淡水资源是可以用在工农业生产中，因此这种资源能够保证“亚洲水塔”的水为人类社会发展所用。
青藏高原湖泊增加了3个三峡水库的容量
最近几十年气候发生了巨大变化，这对青藏高原的湖泊也产生了重大影响。20世纪80年代之前，青藏高原的升温速率并不高。到80年代、90年代以后，青藏高原的升温速率急剧地超过了全球的升温速率，目前已经是全球升温速率的2倍。这导致青藏高原的湖泊发生了巨大的变化。
20世纪70年代-90年代，除了一些小的湖泊在扩张以外，大的湖泊基本都在收缩。戏剧性变化的是，1990年以后，青藏高原的所有湖泊都在快速扩张，特别是2000年以后扩张的幅度在不断地加剧。一些大的湖泊扩张得非常之快。有一个变化最大的湖泊是色林错，目前已经成为青藏高原第二大湖泊，也是西藏自治区的第一大湖泊。色林错在1976年—2013年接近40年里，面积增加了710多平方公里，水量增加了250亿立方米。
250亿立方米是一个什么概念？密云水库水量有40亿立方米，它就相当于超过6个密云水库。三峡水库的满载蓄容量是330亿立方米，这也就大约相当于0.8个三峡水库的水量，因此，色林错的水量增加是非常惊人的。从整个青藏高原来看，湖泊在最近40年增加了接近6000多平方公里。
既然湖泊发生了快速的扩张，我们就要问一下，湖泊为什么出现扩张？我们发现1990年之前，很多湖泊的退缩与当时的气温比较低及带来的冰川融水比较少、降水比较少密切相关。到90年代后因为温度升高，大量的冰川融水进入湖泊，降水也在增加，意味着湖泊有了更多的水源补给。
对于湖泊来讲，我们不仅要看它的面积的变化，也需要关注它的水位和水量的变化。青藏高原的湖泊很多，大都分布在人烟稀少的地区，我们以前很难长期监测它的变化。非常幸运的是，2000年以后测高卫星的发射，可以监测湖泊水面高程的变化，它的精确度甚至能够达到厘米级。根据卫星资料可以看到，大量湖面水面的高程在2000年之后在不断升高。
观测还发现，湖泊的面积都增加1倍时，它的水量增加有1倍—4倍之差。面积增加2倍时，水量增加有1倍—8倍之差。所以可以看到，面积的增加与水量的增加并不总是一致的。因此我们就需要更加地关注湖泊水量的变化，因为只有知道水量的变化，才能真正测算“亚洲水塔”到底有多少水，这些水究竟如何循环，如何使用。
整体上来讲，青藏高原的湖泊水量在20世纪90年代之前减少了160多亿立方米，在1990年之后又急剧上升。过去30多年来，青藏高原湖泊的水量增加了1000多亿立方米，三峡水库只有330多亿立方米，这种增量就相当于3个三峡水库的容量。
湖泊扩张2000年—2005年非常剧烈
20世纪70年代—90年代，青藏高原的平均气温只有零下5.5摄氏度，在低的气温下，不仅冰川融水很少，降水也很少，在这个时间序列里降水最低的年份只有220毫米，这代表湖泊水源只有很少的补给，所以这个时候湖泊一定是退缩的。
2000年以后，湖泊水量与降水的相关性出现了一个非常明显的变化，降水从平均262毫米增加到386毫米，降水量增加了1.5倍左右。在这种情况下，降水就成为青藏高原湖泊增长的主要因素。2005年之后，尽管降水量仍然比较高，但出现了略微下降。这个时候温度却是继续上升的，尽管这会增加一些冰川融水，但是也带来了比较大的蒸发，这种蒸发减弱了冰川融水的效应，所以说这时候气温的增加反而对湖泊的扩张是一个负相关，它抑制了湖泊扩张的幅度。
因此，青藏高原的湖泊扩张2000年—2005年非常剧烈，2005年以后，虽然湖泊仍然在扩张，但是扩张的速度在减缓。
纳木错、色林错两个大湖扩张，原因并不相同
青藏高原一些具体的湖泊的降水、冰川融水等等是怎么补给这些湖泊的？需要做一些深入细致的观测。我们重点做了两个湖泊的定点的、长时间序列的深入观测，一个是纳木错，另一个是色林错。
纳木错流域面积10000多平方公里，水面面积2020平方公里，是青藏高原的第三大湖。我们在这里观测气温、降水、蒸发等一些情况的变化，我们也在入湖的河流监测进入湖中的水流量，来看有多少河水补给了湖泊。
监测发现，在上个世纪90年代以前和90年代以后，纳木错的补给有明显的变化。尽管降水一直是纳木错水量主要的一个来源，但是在90年代之后冰川融水在显著增加，而在补给的变化量里，冰川融水占到了30%左右，所以我们初步得出结论：冰川融水是纳木错扩张的一个重要原因。
色林错原来大约1680多平方公里，现在已经扩张到2389平方公里。这个湖水量变化的主要原因到底是什么？研究发现，冰川融水只占了很小的一部分，尽管在2000年以后，冰川融水略微增加，但是增加的幅度仍然有限，大量的增加还是降水。观察表明，这里的降水较以前增加了1倍左右，也就是变成了原来的2倍，当然湖泊的蒸发量也有一定减少。它们都造成了湖泊的迅速扩张。
气候变化对湖泊产生的影响
几十年来，青藏高原的湖泊温度一直在上升，特别是非冰川补给的湖泊，上升的幅度比较大。有冰川补给的湖泊，因为冰川融水比较冷，上升幅度相对来讲就比较小一点。
为了研究青藏高原湖泊温度的变化，我们对纳木错进行了监测，5月份时，无论从湖泊的表面还是到湖泊的底部，包括90多米的深处，它的温度都是在3℃左右。随着5月底湖泊完全解冻，湖泊表层的温度开始升高。到了夏季，一方面湖泊表层的温度还在不断升高，另一方面它的热量也在向水下传导，使底层的温度也处于逐渐升高的状态。到了秋季，湖水表层热量能够传输到达50多米的深度，使表层与50多米深度的水温都达到了8℃，但是底层的温度还是在4℃。从50多米深度向下出现一个温度的跳跃层，也就是从8℃到4℃这个层，我们叫温跃层。这个层以上能够接收地表的热量，以下则长期保持在它固有的一种状态。
我们知道气温变化都是一年周而复始的，夏季温度最高，冬季温度最低，而从湖泊的表层3米处一直到下面的80多米处，它的温度变化并不一致，表层的温度随着气温的变化出现了明显的季节波动，而底层温度的波动就比较小，这种变化也影响着温跃层发生的时间和深度。这表明青藏高原湖泊的水温受到了气温非常大的影响。
既然有这样大的影响，我们再来从更长时间来看，青藏高原的湖泊温度到底是怎么变化的？因为对青藏高原的调查过去比较少，所以我们不知道过去几十年的湖泊温度到底是怎么变的。
我们把最近十多年的监测建立了一个模型，通过模型把过去几十年的湖泊温度进行了一个反演。可以看到，随着气温的变化，湖泊温度一直是上升的，但不仅是表层的温度上升，表层跟底层分层的时间也都发生了变化。观察发现分层的时间在延长，也就是说有更多的热量传输。此外分层的时间也在不断地提前，也就是气候的变化使湖泊的分层变得更早，这样湖泊解冻时间就更早，从这个角度来讲，也能证明青藏高原湖泊的温度与气温变化紧密相关。
我们也对青藏高原58个湖泊冰封的持续时间进行了分析，可以看到：冻结开始的时间在不断地推迟。也就是说随着气候越来越暖，封冻的时间越来越晚。从整个的封冻时间来看，也是越来越短。比如说一些湖泊过去应该是在12月底封冻，现在很多都在1月份才开始封冻，此外解冻的时间也在提前，比如说过去可能在5月初、5月中旬才开始解冻，可现在4月底5月初就开始解冻，所以说湖泊的冰封时间越来越短。
我们也监测了湖泊冰厚度的变化，上个世纪70年代，湖冰冻得非常坚硬，非常厚，当时在纳木错等青藏高原的很多湖泊，解放牌卡车这样的载重卡车可以在湖上穿越，卡车可以从纳木错南部的一个乡穿越到北部的一个乡。现在尽管纳木错冰冻最厚的厚度，据监测仍然有40厘米厚，但强度已经不足以承受卡车的通行。
我们在青藏高原中部一些湖泊的考察中，由于一些湖泊冰冻的时间比较短，冰冻的厚度比较薄，也曾经发生过一些考察的意外情况，所幸没有人员伤亡。总而言之，随着气候变暖，青藏高原的冰冻强度已经大大减弱。
盐度是湖泊生态变化的重要指标
湖泊变化还有一个重要的指标是盐度，我们知道青藏高原有很多咸水湖、盐湖，过去这里湖泊的盐度普遍比较高，很多湖泊的水不能为工农业生产所使用。
湖泊的盐度高，就不容易结冰。青藏高原的湖泊除了有面积最大、水量最多、深度最深的湖泊，还有液态水温最低的湖泊。据我们的调查，龙木错这个湖泊的温度能够达到零下7.6℃也不冻结，主要是因为它的盐度太高。为什么盐度太高湖泊就不结冻？这都容易理解，比如说冬天下了雪要在马路上撒一些盐，盐就会促使冰雪融化，其实含盐量越高的液体，就越不容易冻结，就是这样一个道理。
随着气候变暖，大量的冰川融水、降水进入湖泊，这些水都是淡水，进入湖泊以后湖泊呈现扩张，就会稀释它已有的盐度，使湖泊盐度普遍下降，特别是青藏高原北部，因为是盐湖和咸水湖主要分布的地区，湖水的盐度下降更加明显。
湖水盐度的下降更有利于湖泊中浮游生物的发展，会推动湖泊生态系统变好。从40多个湖泊的调查来看，不同湖泊的生物多样性还是有很大的差异。
为什么湖泊生物多样性有如此大的差异？到底是哪些因素影响了它们的差异？我们发现，湖泊的物种丰富度和盐度密切相关，随着盐度增加它的丰富度明显下降。但是不是低盐度浮游生物多样性一定就增加呢？并不是这样。无论是盐度最高还是盐度最低，它的浮游生物多样性都不高，只有在盐度适中的阶段，浮游生物多样性才好，也就是说盐度是决定浮游生物多样性一个很重要的指标。
除了盐度以外，影响浮游生物多样性的还有pH值。有一句俚语叫“大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃紫泥”。所谓的“虾米吃泥”，并不是真正吃泥，它是吃水里或者水底的浮游生物尤其是浮游动物。当然吃浮游动物的除了虾还有鱼。
如果湖泊中鱼虾把大量的浮游动物吃掉，浮游动物就不能大量地消耗浮游植物，浮游植物的多样性就会增加，这是一个逻辑上的链条。也就是说，有鱼虾的存在反而会提高浮游植物的相对多样性。
青藏高原的湖泊变得越来越清澈
青藏高原湖泊水量的变化，也影响到湖泊透明度。湖泊透明度是肉眼从水面上能够看清水底多深的一个深度。湖泊透明度的增加，和湖泊扩张以及降水增加，有着非常密切的关系。青藏高原的湖泊透明度在最近几十年是不断增加的，并且存在南北的差异。
为什么我们要关注湖泊的透明度？因为湖泊里面也有一些浮游植物、浮游动物，需要靠光合作用来生活、生长。湖泊的透明度越好，就有更多的光透性，更有利于浮游生物生长。而这些浮游生物的生长，也同时会使湖泊的生态条件变得更好。
青藏高原的湖泊越来越清澈，实际上就反映了青藏高原湖泊的生态环境在不断变好。
