《瓦爾登湖》的作者梭羅曾說，湖泊是地球的眼睛，凝視湖中，人能夠衡量出自己本性的深度。作為自然景觀中☆美也☆富有表現力的特征，湖泊的魅力和價值遠遠超出其審美的一面。在本書中，沃裡克?文森特從多學科角度出發，為我們全方位揭開潛藏在湖面之下的奧秘。湖泊如何形成與消失？湖水遵循著怎樣的規則運動？湖水中又存在著一個怎樣的看不見的微觀世界？了解這些無損於湖泊的整體美感，而是幫我們打開了一扇求知之門，帶我們重新認識和發現湖泊之美。

作為一種陸生水體繫統，湖泊被喻為“大地的明珠”，遍布陸地的各個角落。從南極洲神秘的冰下湖沃斯托克湖，到美國文學中著名的瓦爾登湖，湖泊既各自有著與眾不同的個性，又共有某些相同的基本特征。在本書中，沃裡克?F. 文森特追隨“湖沼學之父”弗朗索瓦?A. 福雷爾的腳步，從多學科的角度對當前的湖泊研究作了繫統的闡述，內容包括湖泊的誕生與消失、湖泊沉積物所記錄的環境信息、湖水的季節性混合運動以及湖泊與周遭環境的相互影響等，並重點介紹了湖泊作為生態繫統所具有的活力與價值。

沃裡克?F.文森特 加拿大魁北克市拉瓦爾大學生物學教授，教授湖沼學與海洋學。加拿大水生生態繫統研究委員會主席，加拿大皇家地理學會會員，新西蘭皇家學會榮譽會員。他因研究北極和南極地區的生態繫統而聞名，當前研究主要集中於湖泊、河流和加拿大北部近海水域。著有《南極洲的微生物生態繫統》（1988）、《極地湖泊與河流：北極與南極洲水生生態繫統湖沼學》（2008）等專著。

“作為一名湖泊科學工作者，我認為本書是非常好的科普和通識教育讀物。作者在短短的八萬字篇幅內，將百年來的湖泊研究娓娓道來，內容豐富有趣，令人目不暇接、心馳神往。……本書引導人們從多學科的視角認識湖泊，並連接湖泊基礎研究、湖泊環境治理與管理全過程，必將對大眾科普教育做出貢獻。”
——湖泊學家、湖泊與環境國家重點實驗室主任 瀋吉

本書出色地展示了生物、化學和物理是如何緊密地聯結在一起，成為理解湖泊必不可少的鑰匙。總體而言，這本小書對於湖泊之美及其復雜性作了出色而清晰的概覽。
——聯合國教科文組織全球環境變化主席 伊夫?普列裡

致謝
第一章引言
第二章深邃的水體
第三章陽光與運動
第四章生命支持繫統
第五章終端是魚的食物鏈
第六章極端湖泊
第七章湖泊與我們
索引
英文原文

第一章 引言

什麼是湖泊？乍一看，這似乎是個簡單的問題：湖泊即被陸地所包圍的水體。但這個枯燥死板的物理定義僅僅是回答的開端，湖泊的本質和含義有著許多其他有趣的解讀。對淡水生物學家來說，湖泊就是陸地上的綠洲，其中微生物、植物和動物相互影響，湖泊內的物種、食物網和生態過程也亟待探索。而環境學家則從化學角度出發，將湖泊視為和大氣層交換氣體的活反應堆。湖泊收集並轉化從鄰近集水區衝洗出來的物質，同時也是水生植物和藻類通過光合作用合成新的有機物的場所。我的一些同事從事湖泊沉積物中微觀化石的研究，對他們而言，湖泊是豐富的信息庫，可以告知過去和現在，並引導我們制訂未來的計劃。
對水文工程師和大眾來說，湖泊是不可或缺的資源，通過管理、治理現有湖泊和人工造湖，可以滿足日益增長的飲用水、水力發電、漁業和其他生態繫統服務等需求。維持這些服務需求則需要對表面水和地下水的平衡保持密切關注，包括它們的流入量、蒸發量、抽取量和流出量，這些條件共同決定了湖盆中保有的水量。水資源在世界上的許多地方都極度匱乏。在當前全球氣候變化的大環境下，湖泊的水量出入平衡越發岌岌可危，其管理也顯得困難重重且富有挑戰。
從物理層面來講，湖泊繫指由太陽與風所驅動的持續運動的水體。在不同的季節，湖水可依據許多不同性質的差異分層，如溫度、含氧量、顏色和含鹽量。這些分層有時會出乎意料地顯著，但在每年的混合期則會被打破。湖泊是陸地景觀中水體聯通且緩慢流動的管道：水從其中流入流出，但這種有序運動會持續地被風力引起的漩渦、流渦和逆流所干擾，甚至在水下，這種波的生成和破碎也在進行。
每年夏天，當我前往科考場所，飛過加拿大北部地區上空的時候，目光所及之處，下方的淡水湖猶如閃閃發光的群島；或在更北更寒冷的緯度，白雪覆蓋的湖冰鑲嵌在起伏的苔原上。在部分研究中，我們關心微觀生物在這些如群星般繁多的極地湖泊和池塘中的分布，以及這些具體的湖泊或池塘是怎樣決定了這種分布。而對於研究魚類和其他水生生物進化的人來說，最古老的湖泊群即一個個實驗室。其中發生的繁殖、基因變異和物種形成的過程，能夠幫助我們理解這個星球上的生物多樣性是怎樣進化而成和持續變化的。查爾斯? 達爾文甚至推測生命可能是在“一些溫暖且富含氨和磷鹽的池塘”中誕生的。
湖泊是陸地的最低點，並最終彙入海洋（除有些例外）。從這個角度看，湖泊作為其周圍環境的集成者（圖1），反映了其流域（又稱集水區或水域）供水、植被、地質、環境內的自然活動和人文活動的綜合影響。所以湖泊也可作為反映環境變化的指標，用來監測局部環境中人文活動的當前規模與長期影響，以及區域和全球範圍內正在發生的氣候變化、污染物擴散和生物多樣性的變化。
接下來就是面積的問題。達爾文提出的那個溫暖的小池塘能被視為湖泊嗎？有的人將池塘定義為深度允許人蹚過的水體，但在沼澤濕地，這種以身試深的測試方法並不明智。有的人將池塘定義為可被凍結至水底的水體，而湖泊則不能，但這種十分具有加拿大特色的對水生世界的認知卻並不適於其他地方。此外，即使在加拿大，表面覆冰的底層水也特別抗凍。在英格蘭湖區，遊客會發現當地人把小型水體稱為“山中小湖”（tarns），大一些的則被稱為“湖”（lakes）、“池子”（meres）或者“水”（waters），對具體稱謂的使用並沒有明確的共識。文學中北美洲最有名的湖泊是瓦爾登湖（Walden Pond），紐芬蘭的人們把大部分的湖都叫作“池”（ponds），包括長達 16千米深165米的西布魯克池，這進一步加深了稱謂不明的迷惑性。所以，“湖”和“池”最好一並討論，而在泛指各類水體時則使用“湖泊”一詞。
無論我們想統計世界範圍內，還是具體某個國家，抑或我們所處的周邊地區的湖泊數量，湖泊的面積大小都非常重要。我們需要設定湖泊面積的最小成像閾值去界定湖泊。而隨著衛星乃至無人機遙感技術的進步，這一閾值逐年下降，湖泊存量的下限也是如此。高分辨率衛星能夠很容易地分辨出 0.002平方千米以上的湖泊，這等同於直徑約為 50米的圓形水域。依此標準，研究人員從衛星圖中統計得出全世界約有 1.17億個湖泊，總面積達500萬平方千米。加拿大人認為本國是世界上湖泊最多的國家，包括和美國共有的五大湖群，並且保有地球 20%的地表淡水量。但我辦公室牆上的世界地圖總提醒我：俄羅斯也是一個幅員遼闊且湖泊眾多的國家，其中的貝加爾湖是世界上最深的湖泊，同時它也保有地球另外 20%的地表淡水量。
此書旨在對湖泊相關科學知識作簡短的概述，包括它們作為我們所屬並依賴的生態繫統的功能，和它們對環境變化的反應。當然湖泊對人類探索和文化的重要性，還有其他超越科學但同樣多樣的原因。深不見底且幽暗的外觀賦予了湖水神秘莫測和令人不安的氣質，一直深深吸引著小說家和詩人就此進行創作，如西爾維婭? 普拉斯的《涉水》和威廉? 華茲華斯的《序曲》，後者描寫了他在孩童時於午夜涉過一片幽暗可怖的湖的旅程。湖泊深處棲息著神話生物的傳說在世界各地的文化中流傳，如毛利人神話中住在江河湖海裡的塔尼華水怪。湖泊有著更深遠的精神意義。在玻利維亞和秘魯的神話中，的的喀喀湖湖底的太陽神因蒂，養育了印加文明的創建者—曼科? 卡帕克和瑪瑪? 奧克略。湖泊如同寧靜的鏡面和色彩繽紛的調色板，除了吸引許多旅客每年前往湖岸邊度假，也一直是各個文化中藝術家、音樂家、作家的靈感源泉。有的作品，如松尾芭蕉的經典俳句，能夠喚起讀者聽覺上對湖泊和池塘的想像（“水聲響”）；在加斯通? 巴舍拉關於夢境的著作中，他分析了為何池水、泉水、湖水和溪水是“物質想像”和遐想素。
本書將把重心放在科學層面。而我希望這本通識讀本可以讓讀者在下一次遊覽湖泊的時候，能以一種更強烈的好奇心和求知欲去認識湖泊，去認識水面和水下的奇觀。每個章節將簡短地介紹有關湖泊物理、化學、生物特征的概念，同時著重闡述這些特征之間如何相互作用，湖泊和人類的需求之間的關繫，以及全球環境變化對湖泊的影響。湖泊科學有著悠久的觀察史和發現史，也有許多優秀的教材在更為學術的層面介紹湖泊生態。這些書本包含眾多既有理論和新的信息，但所有這些知識都可以溯源到 19世紀，一個年輕科學家在瑞士阿爾卑斯山腳美麗的日內瓦湖畔做出的決定。

序 言
瀋吉

譯 林 出 版 社 出 版 了 一 套“牛 津 通 識 讀 本”（Very Short Introductions），邀請我為其中的《湖泊》一書作序。該書作者是加拿大魁北克市拉瓦爾大學生物學教授沃裡克?文森特（Warwick Vincent），他擔任加拿大水生生態繫統研究院首席研究員，也是加拿大皇家學會會員、加拿大皇家地理學會會員，在湖泊研究方面享有很高的國際聲譽。他曾於2018年來南京參加第34屆國際湖沼學大會，我對他的研究工作印像深刻也非常欣賞，因而欣然答應，也深感榮幸。
1922年，擁有401名建會會員的國際理論與應用湖沼學學會（SIL，又稱國際湖沼學學會）在德國基爾成立，這對於湖沼學的發展具有裡程碑式的意義，會員幾乎覆蓋五大洲。此後，每兩到三年舉行一次學術交流大會。 2018年， SIL第34屆國際湖沼學大會在中國南京召開，是學會創建 96年以來首次在中國舉辦，由中國科學院南京地理與湖泊研究所承辦。我當時作為研究所所長承擔了大會的組織工作，並與埃裡克?耶珀森（Erik Jeppesen）教授共同擔任大會主席，同時作有關湖泊生態繫統長期演化的大會特邀報告。大會期間結識了本書作者。
拿到本書書稿，如同舊友新逢，欣然花了兩天時間，奉讀完成。一個非常鮮明的印像是：作者敬畏先賢，非常推崇弗朗索瓦?A. 福雷爾先生的研究工作。全書通篇穿插福雷爾關於日內瓦湖研究的片段，由此提供湖泊研究的思路、對湖泊認識逐步提高的過程，以及所獲得的階段性成果。洛桑大學（瑞士）的生理學教授弗朗索瓦?A. 福雷爾於 1892—1902年間陸續發表了湖泊綜合研究專著《日內瓦湖：湖沼學專論》（Le Léman: Monographie limnologique）（共三卷），從而宣告了這門學科的誕生。因此，福雷爾也被譽為“湖沼學之父”。
本書以講故事的方式，生動敘述了關於湖泊的那些枯燥的基本概念。比如：通過觀察水之運動來闡述波浪和湖流的基本概念；從湖水的季節變化與混合過程的角度敘述溫躍層的概念。作者善於對大家日常慣見的現像提出問題，闡述蘊藏於現像背後的科學原理。比如，純淨的湖水為什麼是深藍色？因為水分子能夠吸收綠光和紅光，後者的吸收程度更高，剩餘的藍光光子則被散射至各個方向並回到我們的眼中，湖水從而顯示為藍色。
作者講述了湖泊中非常有趣的捕食現像，展示了自然界的盎然生機。比如：黃庫蚊主要生存於湖泊和池塘，日間潛入水底，以沉積物中的動物為食；夜間它們會遷徙到湖面捕食浮遊動物，由此躲避魚類的捕食。借此，作者介紹了湖泊中非常重要的食物鏈層次：最下層的被稱為生產者，是能夠通過光合作用將環境中的無機物制造成營養物質的自養生物，如水生植物和藻類；第二層被稱為消費者，指那些以其他生物或有機物為食的異養生物，食草動物為一級消費者，肉食性魚類為二級消費者；第三層被稱為分解者，主要是各種異養細菌和真菌，它們把復雜的動植物殘體分解為簡單的化合物，最後分解成無機物歸還到環境中去，被生產者再利用。
作者非常重視新技術在湖泊研究中的應用，比如同位素方法在食物鏈研究方面的應用。作者提到，貝加爾湖中浮遊植物硅藻在攝取無機氮後，它們的 δ15N比大氣增加了約4 ppt。硅藻隨後被端足類動物喫掉，並將氮在食物鏈中一路向上傳遞，經中
上層魚類（杜父魚），最終到海豹時δ15N增加了14 ppt。這種方法對研究食物網中“誰喫誰”的關繫提供了寶貴的參考。
作者對於湖泊外來物種的入侵有著十分警覺的意識，列舉了當前已經發生的一繫列生態災難。例如，我們較為熟知的原產南美洲的鳳眼蓮，俗名水葫蘆，在亞洲、非洲和美國南部肆虐，將水面覆蓋致使水生棲息地窒息，水生生物大量死亡。1968—1975年間，一種叫 Mysis diluviana的糠蝦被引入美國蒙大拿州弗拉特黑德湖上遊的三個小湖，以改善鮭魚漁業。到了 1981年，這種糠蝦順流而下進入了弗拉特黑德湖，並於1980年代末在數量上經歷了爆炸性的增長。幾年後，湖中浮遊動物中的枝角類和橈足類因眾多糠蝦的過量捕食而消失殆盡，淡水紅鮭變得沒有浮遊動物可喫，又因為糠蝦隻在夜間纔出沒於浮遊區的水面，紅鮭無法看見它們因而不能攝食。在弗拉特黑德湖流域，鮭魚的競技性捕撈量從 1985年的超過 10萬條直線下滑到 1988年的0條。禿頭鷹會在淡水紅鮭產卵的溪流聚集捕食紅鮭，其數量也經歷了從1980年代早期的 600餘隻到十年後的基本絕跡。
作者還介紹了湖泊一些引人入勝的奇異現像。比如南極洲麥克默多干谷地區的萬達湖，這裡的湖面終年結冰，但當第一批科學家在冰面上鑽洞，並將熱敏電阻探頭伸入下方水柱時，他們驚奇地發現溫度在隨著深度上升，並在底部達到驚人的 26℃。又如南極洲西福爾丘的迪普湖，鹽度非常高（270 ppt），以至於湖水在鼕季也不結冰，可以在周圍天寒地凍的湖心劃船，而這種液態鹽鹵湖水的溫度達到 —18℃。此外，一些長年深埋在冰川下的極地湖泊也令人著迷。
在最後一章“湖泊與我們”中，作者提醒人們，未來應關注全球變暖對湖泊生態繫統的影響。他著重提到，世界各地築壩攔水，建造了數以萬計的人工湖泊—水庫，這些水庫的負面生態效應已經開始顯現；其次是全球範圍內湖泊面臨的富營養化趨勢，這些都是湖泊研究領域亟待解決的世界性難題。
作為一名湖泊科學工作者，我認為本書是絕佳的科普和通識教育讀物。作者在短短的八萬字篇幅內，將百年來的湖泊研究娓娓道來，內容豐富有趣，令人目不暇接、心馳神往。湖泊擁有供水、防洪、旅遊、灌溉、水產養殖以及維繫區域生態平衡等多種功能，被譽為“大地的明珠”。本書引導人們從多學科的視角認識湖泊，並連接湖泊基礎研究、湖泊環境治理與管理全過程，必將對推動大眾科普教育做出貢獻。

中文版序
2018年8月，我有幸受邀前往南京參加第34屆國際湖沼學大會。國際湖沼學學會（SIL）致力於內陸水體的研究，自1922年成立以來，每兩到三年會在世界不同的地方舉辦大會。這是大會第二次在亞洲舉辦，也是第一次在中國舉辦。
南京的會場坐落於美麗的建邺區，這裡有寬闊的馬路、閃亮的酒店和有著玻璃外牆的辦公樓，有些還在建，在我看來似乎每天晚上都在增高。中國主辦方的接待非常出色，我也很高興能夠認識許多來自中國和世界各地的學生與研究者。
值此良機，我們也向我的博士導師，來自加州大學戴維斯分校的傑出的湖沼學教授，時年88歲的查爾斯? R. 戈德曼博士表示祝賀。為向戈德曼教授致意，我們舉行了一場特別的研討會，主題為“世界湖泊給全球的啟示”，由我的同事，日本湖沼學學會前會長熊谷道夫教授主持。會後我們舉辦了一場令人難忘的中式晚宴，戈德曼教授在他的友人、同事和曾經的學生的陪同下出席。晚宴由太湖湖泊生態繫統研究站前站長、傑出的中國湖沼學家濮培民教授主持。
那個周末，我在漢斯? 帕埃爾教授（也曾是戈德曼教授的學生）的帶領下對太湖進行了實地考察。我們了解到這一廣闊水體作為逾四千萬人口水源供給的重要性，以及正在進行的理解和管理水質問題的各項研究，後者面臨著全球氣候變化帶來的額外挑戰。
南京之旅使我萌發了將我的湖沼學通識讀本譯成中文的想法。這本書在2018年經牛津大學出版社出版，後被翻譯成法語在魁北克市和巴黎發行。當我聽說中譯本的出版社—譯林出版社就坐落在南京時，我特別高興，因為這座城市在我於中國介紹湖沼學的過程中有著舉足輕重的地位。許丹女士和她在譯林出版社的同事在翻譯項目上給予了許多鼓勵和無價的幫助，我為此向他們致謝。我要特別感謝鄧天旸先生，他在拉瓦爾大學攻讀化學博士期間勇敢地承擔起英譯中的工作。作為他博士論文的聯合指導老師，我總是擔心翻譯會占用他研究工作（即開發微流控和高級圖譜技術在環境分析繫統中的聯用）的時間，但幸運的是他能平衡這幾項工作，而且我對他在翻譯過程中對湖沼學有了深入認識感到非常高興。
我要向許多湖沼學家致謝，他們在英文原版書出版前後給予了專業反饋和修改意見。他們包括： B. 拜森拿、 S. 博尼利亞、R. 科裡、 A. 卡利、 G. 克林、熊谷道夫、 U. 萊明、 I. 洛裡昂、 C. 洛夫喬伊、S. 麥金泰爾、S. 馬卡格、F. 皮克、R. 皮耶尼蒂茲、M. 勞蒂奧、G. 施拉多、 P. 旺羅萊根和A. 維涅龍。我還要感謝阿曼達? 托佩羅夫繪制了超高質量的插圖，以及加拿大機構對我湖泊研究的資金支持，包括自然科學與工程研究理事會（NSERC）、魁北克自然與技術基金會（FRQNT）、加拿大研究講座（CRC）、加拿大創新基金會（CFI）、卓越中心網絡計劃—北極網絡計劃（NCEArcticNet）以及加拿大第一研究卓越基金—北部哨兵計劃（CFREFSentinel North）。
最後，我想再次感謝南京國際湖沼學大會的主辦方，感謝他們的溫馨接待以及他們對中國多樣的湖泊和河流生態繫統的精彩介紹。我希望此書能夠幫助環境科學的學生們捕捉他們對湖泊的想像，以及鼓勵所有讀者去進一步了解世界湖泊水面下潛藏的秘密。
沃裡克? F. 文森特
於加拿大魁北克市拉瓦爾大學