第一章 引言
什么是湖泊？乍一看，这似乎是个简单的问题：湖泊即被陆地所包围的水体。但这个枯燥死板的物理定义仅仅是回答的开端，湖泊的本质和含义有着许多其他有趣的解读。对淡水生物学家来说，湖泊就是陆地上的绿洲，其中微生物、植物和动物相互影响，湖泊内的物种、食物网和生态过程也亟待探索。而环境学家则从化学角度出发，将湖泊视为和大气层交换气体的活反应堆。湖泊收集并转化从邻近集水区冲洗出来的物质，同时也是水生植物和藻类通过光合作用合成新的有机物的场所。我的一些同事从事湖泊沉积物中微观化石的研究，对他们而言，湖泊是丰富的信息库，可以告知过去和现在，并引导我们制订未来的计划。
对水文工程师和大众来说，湖泊是不可或缺的资源，通过管理、治理现有湖泊和人工造湖，可以满足日益增长的饮用水、水力发电、渔业和其他生态系统服务等需求。维持这些服务需求则需要对表面水和地下水的平衡保持密切关注，包括它们的流入量、蒸发量、抽取量和流出量，这些条件共同决定了湖盆中保有的水量。水资源在世界上的许多地方都极度匮乏。在当前全球气候变化的大环境下，湖泊的水量出入平衡越发岌岌可危，其管理也显得困难重重且富有挑战。
从物理层面来讲，湖泊系指由太阳与风所驱动的持续运动的水体。在不同的季节，湖水可依据许多不同性质的差异分层，如温度、含氧量、颜色和含盐量。这些分层有时会出乎意料地显著，但在每年的混合期则会被打破。湖泊是陆地景观中水体联通且缓慢流动的管道：水从其中流入流出，但这种有序运动会持续地被风力引起的漩涡、流涡和逆流所干扰，甚至在水下，这种波的生成和破碎也在进行。
每年夏天，当我前往科考场所，飞过加拿大北部地区上空的时候，目光所及之处，下方的淡水湖犹如闪闪发光的群岛；或在更北更寒冷的纬度，白雪覆盖的湖冰镶嵌在起伏的苔原上。在部分研究中，我们关心微观生物在这些如群星般繁多的极地湖泊和池塘中的分布，以及这些具体的湖泊或池塘是怎样决定了这种分布。而对于研究鱼类和其他水生生物进化的人来说，最古老的湖泊群即一个个实验室。其中发生的繁殖、基因变异和物种形成的过程，能够帮助我们理解这个星球上的生物多样性是怎样进化而成和持续变化的。查尔斯·达尔文甚至推测生命可能是在“一些温暖且富含氨和磷盐的池塘”中诞生的。
湖泊是陆地的最低点，并最终汇入海洋（除有些例外）。从这个角度看，湖泊作为其周围环境的集成者（图1），反映了其流域（又称集水区或水域）供水、植被、地质、环境内的自然活动和人文活动的综合影响。所以湖泊也可作为反映环境变化的指标，用来监测局部环境中人文活动的当前规模与长期影响，以及区域和全球范围内正在发生的气候变化、污染物扩散和生物多样性的变化。
图1 湖泊是环境的监测者、集成者和连通者
接下来就是面积的问题。达尔文提出的那个温暖的小池塘能被视为湖泊吗？有的人将池塘定义为深度允许人蹚过的水体，但在沼泽湿地，这种以身试深的测试方法并不明智。有的人将池塘定义为可被冻结至水底的水体，而湖泊则不能，但这种十分具有加拿大特色的对水生世界的认知却并不适于其他地方。此外，即使在加拿大，表面覆冰的底层水也特别抗冻。在英格兰湖区，游客会发现当地人把小型水体称为“山中小湖”（tarns），大一些的则被称为“湖”（lakes）、“池子”（meres）或者“水”（waters），对具体称谓的使用并没有明确的共识。文学中北美洲最有名的湖泊是瓦尔登湖（Walden Pond），纽芬兰的人们把大部分的湖都叫作“池”（ponds），包括长达16千米深165米的西布鲁克池，这进一步加深了称谓不明的迷惑性。所以，“湖”和“池”最好一并讨论，而在泛指各类水体时则使用“湖泊”一词。
无论我们想统计世界范围内，还是具体某个国家，抑或我们所处的周边地区的湖泊数量，湖泊的面积大小都非常重要。我们需要设定湖泊面积的最小成像阈值去界定湖泊。而随着卫星乃至无人机遥感技术的进步，这一阈值逐年下降，湖泊存量的下限也是如此。高分辨率卫星能够很容易地分辨出0.002平方千米以上的湖泊，这等同于直径约为50米的圆形水域。依此标准，研究人员从卫星图中统计得出全世界约有1.17亿个湖泊，总面积达500万平方千米。加拿大人认为本国是世界上湖泊最多的国家，包括和美国共有的五大湖群，并且保有地球20%的地表淡水量。但我办公室墙上的世界地图总提醒我：俄罗斯也是一个幅员辽阔且湖泊众多的国家，其中的贝加尔湖是世界上最深的湖泊，同时它也保有地球另外20%的地表淡水量。
此书旨在对湖泊相关科学知识作简短的概述，包括它们作为我们所属并依赖的生态系统的功能，和它们对环境变化的反应。当然湖泊对人类探索和文化的重要性，还有其他超越科学但同样多样的原因。深不见底且幽暗的外观赋予了湖水神秘莫测和令人不安的气质，一直深深吸引着小说家和诗人就此进行创作，如西尔维娅·普拉斯的《涉水》和威廉·华兹华斯的《序曲》，后者描写了他在孩童时于午夜涉过一片幽暗可怖的湖的旅程。湖泊深处栖息着神话生物的传说在世界各地的文化中流传，如毛利人神话中住在江河湖海里的塔尼华水怪。湖泊有着更深远的精神意义。在玻利维亚和秘鲁的神话中，的的喀喀湖湖底的太阳神因蒂，养育了印加文明的创建者—曼科·卡帕克和玛玛·奥克略。湖泊如同宁静的镜面和色彩缤纷的调色板，除了吸引许多旅客每年前往湖岸边度假，也一直是各个文化中艺术家、音乐家、作家的灵感源泉。有的作品，如松尾芭蕉的经典俳句，能够唤起读者听觉上对湖泊和池塘的想象（“水声响”）；在加斯通·巴舍拉关于梦境的著作中，他分析了为何池水、泉水、湖水和溪水是“物质想象”和遐想的基本元素。
本书将把重心放在科学层面。而我希望这本通识读本可以让读者在下一次游览湖泊的时候，能以一种更强烈的好奇心和求知欲去认识湖泊，去认识水面和水下的奇观。每个章节将简短地介绍有关湖泊物理、化学、生物特征的概念，同时着重阐述这些特征之间如何相互作用，湖泊和人类的需求之间的关系，以及全球环境变化对湖泊的影响。湖泊科学有着悠久的观察史和发现史，也有许多优秀的教材在更为学术的层面介绍湖泊生态。这些书本包含众多既有理论和新的信息，但所有这些知识都可以溯源到19世纪，一个年轻科学家在瑞士阿尔卑斯山脚美丽的日内瓦湖畔做出的决定。