Contrôles de la réponse thermique des lacs tempérés au réchauffement atmosphérique

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 6503 (2023) Citer cet article

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Le réchauffement atmosphérique réchauffe les lacs, mais les causes des variations entre les bassins sont mal comprises. Ici, des profils multidécennaux de températures de l'eau, de l'état trophique et du climat local de 345 lacs tempérés sont combinés avec des données sur la géomorphologie des lacs et les caractéristiques des bassins versants pour identifier les contrôles des taux relatifs de changement de température de l'eau (WT) et de l'air (AT). pendant l'été. Nous montrons que les différences de climat local (AT, vitesse du vent, humidité, éclairement), de couverture terrestre (forêt, urbaine, agriculture), de géomorphologie (altitude, rapport surface/profondeur) et de transparence de l'eau expliquent > 30 % de la différence de taux. du réchauffement du lac par rapport à celui de l’atmosphère. Il est important de noter que le taux de réchauffement du lac ralentit à mesure que l’air se réchauffe (P < 0,001). Les lacs clairs, froids et profonds, en particulier à haute altitude et dans les bassins versants non perturbés, sont particulièrement sensibles aux changements de température atmosphérique. Nous suggérons que les taux de réchauffement des eaux de surface pourraient diminuer par rapport à l’atmosphère dans un avenir plus chaud, en particulier dans les sites déjà confrontés à un développement terrestre ou à une eutrophisation.

Le changement climatique a considérablement modifié les lacs du monde entier et devrait exacerber les menaces actuelles qui pèsent sur les écosystèmes et l’humanité1,2. Les lacs sont au cœur des processus hydrologiques, biogéochimiques et écologiques, c'est pourquoi la connaissance de leur réactivité au changement climatique est essentielle à leur gestion et au maintien des services écosystémiques3. En particulier, des recherches récentes se sont concentrées sur les tendances et la sensibilité apparente des lacs au réchauffement atmosphérique, en raison du rôle essentiel de la température de l'eau des lacs (WT) dans la régulation des processus écosystémiques, tels que la croissance des organismes, les cycles biogéochimiques et les interactions du réseau trophique2. En raison de la chaleur spécifique élevée de l’eau, les températures des lacs sont souvent protégées des variations météorologiques à haute fréquence et intègrent plutôt des changements à plus long terme (mensuels à annuels) dans les flux d’énergie associés à la variabilité climatique4. En conséquence, les caractéristiques de la couverture de glace, de la stratification, de la température de surface, de l’évaporation et du niveau de l’eau ont toutes changé considérablement au cours des dernières décennies en réponse au réchauffement climatique2. On craint également de plus en plus que les températures atmosphériques élevées (TA) aggravent les symptômes d’eutrophisation, tels que la fréquence, l’ampleur et l’étendue géographique des proliférations de cyanobactéries5,6,7. Par conséquent, comprendre la réponse de la température de l’eau des lacs au réchauffement climatique est essentiel pour prédire les changements biotiques et anticiper les répercussions de la variabilité climatique sur les lacs et les écosystèmes associés8.

Des études récentes ont documenté des tendances multidécennales de la température de l'eau des lacs, suggérant une augmentation généralisée du WT à la surface du lac en réponse au réchauffement atmosphérique8,9,10,11,12. Par exemple, Jane et al.9 ont indiqué que le WT à la surface des lacs dans les zones tempérées a augmenté de 0,39 °C par décennie entre 1980 et 2017, tandis que l'AT a augmenté de 0,30 °C par décennie au cours de la même période. En plus des différences dans les taux de changement des températures de l'air et de l'eau, les lacs individuels présentaient une large gamme de taux et d'ampleur des changements de WT en surface, incluant même le refroidissement de l'ensemble du lac malgré le réchauffement atmosphérique dans certains cas13. Ces résultats soulignent l'importance de prendre en compte les facteurs qui contrôlent les bilans thermiques des bassins, plutôt que de supposer que le WT réagit uniformément aux augmentations de l'AT.

L'hétérogénéité du taux de réchauffement des lacs peut empêcher de simples déclarations sur les tendances du WT des lacs13 et souligne l'importance de considérer d'éventuels contrôles du réchauffement, notamment le climat, les caractéristiques des bassins versants, la géomorphométrie des lacs et les conditions trophiques in situ. En général, les caractéristiques climatiques (par exemple, l'irradiation, l'humidité, la vitesse du vent) devraient être les facteurs prédominants régulant les différences dans les taux de réchauffement du lac et de l'atmosphère3,14, tandis que les paramètres contrôlant la redistribution de la chaleur au sein du lac ont des effets secondaires sur le réchauffement du lac10. . En effet, les variations de la géomorphologie des lacs (p. ex. profondeur, temps de séjour de l'eau, élévation)15,16,17, des caractéristiques du bassin versant (p. ex. utilisation des terres)18,19 et de l'état trophique (p. ex. clarté de l'eau)17,20,21 peuvent moduler les effets climatiques sur les lacs individuels en affectant la façon dont l'énergie est distribuée en fonction de la profondeur. Par exemple, Woolway et al.16 suggèrent que les lacs froids et profonds réagissent plus rapidement aux variations de l’AT, tandis que d’autres ont découvert que les lacs peu profonds sont plus sensibles au réchauffement de l’air15,22. Rose et al.21 indiquent que la réponse du WT du lac aux changements d'AT variait selon les sites, en partie à cause des différences de clarté de l'eau et de profondeur du lac. Cette variation dans la réactivité des WT aux conditions atmosphériques met en évidence les réponses hétérogènes et complexes des lacs au climat et à d’autres facteurs de stress et rend difficile la prévision du risque de dommages aux écosystèmes dus au changement climatique. De plus, à ce jour, la plupart des inférences mécanistes ont été tirées d’expériences de simulation numérique et nécessitent encore une validation à l’aide d’observations approfondies des lacs. Étant donné que les écosystèmes lacustres sont déjà gravement menacés par de nombreux facteurs de stress d'origine humaine (par exemple, eutrophisation7, désoxygénation9), il est essentiel de comprendre où et comment le changement climatique mondial augmentera les effets des facteurs de stress existants sur ces écosystèmes importants22,23, et de mettre en œuvre ces connaissances pour les futures stratégies de gestion et de conservation24.