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【編者按】11月16日，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》頭版以《北極多年凍土區(qū)35年間消失3.5萬個(gè)湖泊》為題，刊發(fā)報(bào)道我校地理與環(huán)境學(xué)院副教授陳雅婷（第一作者）、博士后劉奧博（通訊作者）等，與中山大學(xué)程曉教授合作，在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Nature Communications（《自然·通訊》）上發(fā)表題為Tracking lake drainage events and drained lake basin vegetation dynamics across the Arctic (《跟蹤整個(gè)北極地區(qū)的湖泊排水事件和排水湖盆植被動(dòng)態(tài)》)的研究論文。該研究拓展了學(xué)界對(duì)北極湖泊動(dòng)態(tài)和北極變綠現(xiàn)象的理解，對(duì)預(yù)測(cè)未來的北極湖泊變化具有重要意義，并為制定有針對(duì)性的北極生態(tài)環(huán)境保護(hù)策略提供了科學(xué)基礎(chǔ)。全文如下：

氣候變化已成為影響人類生活的全球性問題。近年來，北極地區(qū)的顯著變暖導(dǎo)致了多年凍土的大規(guī)模解凍，影響著脆弱的北極生態(tài)環(huán)境，并引發(fā)了湖泊排水等問題，給原住民和野生動(dòng)物的生存帶來挑戰(zhàn)。中山大學(xué)和山東師范大學(xué)極地遙感聯(lián)合團(tuán)隊(duì)聚焦北極生態(tài)環(huán)境，采用衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)過去35年間在北極多年凍土區(qū)發(fā)生的3.5萬余起湖泊排水事件進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，發(fā)布了包含高精度時(shí)空信息的北極排水湖泊數(shù)據(jù)集，并對(duì)排水后的湖盆植被動(dòng)態(tài)進(jìn)行了量化分析，揭示了影響湖泊排水和湖盆植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵環(huán)境因子。11月15日，相關(guān)成果發(fā)表于《自然-通訊》。

“該研究加深了學(xué)界對(duì)北極湖泊動(dòng)態(tài)和北極變綠現(xiàn)象的理解，對(duì)預(yù)測(cè)未來的北極湖泊變化具有重要意義，并為制定有針對(duì)性的北極生態(tài)環(huán)境保護(hù)策略奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。”論文通訊作者、中山大學(xué)極地研究中心主任程曉告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

挖掘“趨勢(shì)”背后的事件

湖泊是北極生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，為偏遠(yuǎn)的北極社區(qū)供水，為野生動(dòng)物提供棲息地，并在碳循環(huán)和區(qū)域能量平衡中發(fā)揮著重要作用。

衛(wèi)星觀測(cè)表明，過去20年間，北極地區(qū)的地表水域呈現(xiàn)干涸趨勢(shì)，這與已有的理論模型的模擬結(jié)果相悖。已有的研究對(duì)北極湖泊排水事件的認(rèn)識(shí)還停留在現(xiàn)象分析層面，存在空間范圍局限、時(shí)間跨度短、缺乏連續(xù)觀測(cè)和量化分析等問題，導(dǎo)致湖泊排水事件的時(shí)空規(guī)律及影響因素仍不清楚。

“受北極變暖影響，多年凍土中固態(tài)的冰楔會(huì)融化成液態(tài)水，為地表水系補(bǔ)充水源。因此，理論上普遍認(rèn)為北極地區(qū)會(huì)越來越濕潤(rùn)。但事實(shí)上，在湖泊密布且土壤富含地下冰的北極沿海低地地區(qū)，冰楔融化伴隨的地表沉降會(huì)導(dǎo)致湖岸傾覆并形成排水通道，造成湖泊在數(shù)周甚至數(shù)天內(nèi)消失。這一過程就是多年凍土區(qū)特有的湖泊排水事件?！闭撐牡谝蛔髡?、山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院副教授陳雅婷介紹說。

為深入挖掘北極干涸趨勢(shì)背后的湖泊排水事件，團(tuán)隊(duì)利用多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品與先進(jìn)的時(shí)間序列分割和變化檢測(cè)算法，生成了當(dāng)前分布范圍最廣、時(shí)間跨度最長(zhǎng)且精度最高的湖泊排水事件數(shù)據(jù)集，為理解北極湖泊變化背后的驅(qū)動(dòng)因素提供了翔實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

“與以往研究不同，我們采用的是基于湖泊對(duì)象而不是基于影像像元的分析方法，可從整個(gè)北極多年凍土區(qū)約583萬個(gè)湖泊中識(shí)別出35337起湖泊排水事件，并實(shí)現(xiàn)湖泊尺度的排水概率分析以及排水年份的精確檢測(cè)，從而呈現(xiàn)不同尺寸、不同地貌類型和不同起源的北極湖泊在排水概率方面的差異?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡?、山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院青年教師劉奧博博士說。

揭秘“北極綠洲”的興起

在湖泊排水后，北極植被開始在排水湖盆中定植，使地貌從裸露的湖盆沉積物逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樘υ?。由于排水湖盆比周邊區(qū)域更加濕潤(rùn)且泥土中富含營(yíng)養(yǎng)元素，植被在排水湖盆中快速生長(zhǎng)，迅速達(dá)到周邊植被的綠度水平，并且可能向著更高產(chǎn)群落的方向演替。

“我們?cè)?021年的案例研究中就發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，發(fā)表后引發(fā)了學(xué)界廣泛的興趣，但考慮到植被動(dòng)態(tài)的時(shí)空異質(zhì)性，一直無法給出具有普適性的結(jié)論?！标愌沛谜f，“這次在對(duì)整個(gè)北極多年凍土區(qū)湖泊排水事件監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，我們發(fā)現(xiàn)，排水湖盆植被比周邊更綠是一個(gè)普遍現(xiàn)象?！?/p>

排水湖盆是北極變綠的熱點(diǎn)區(qū)域，提高了生態(tài)系統(tǒng)的多樣性。排水湖盆形成了處于不同演替階段的生境鑲嵌，從而推動(dòng)苔原植被中的物種間競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)苔原生態(tài)系統(tǒng)的植被組成、豐度和分布產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

通過跟蹤排水湖盆的植被動(dòng)態(tài)，該研究揭示了不同環(huán)境條件下排水湖盆植被動(dòng)態(tài)的空間變異性，發(fā)現(xiàn)熱融湖泊、面積較大和排水比例較高的北極湖泊中，植被生長(zhǎng)狀態(tài)更好。

另外，該研究量化了環(huán)境因素對(duì)預(yù)測(cè)排水湖盆植被動(dòng)態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)溫度和洪水是關(guān)鍵的環(huán)境制約因素。這些發(fā)現(xiàn)有助于將排水湖盆作為生態(tài)熱點(diǎn)鑲嵌區(qū)進(jìn)行管理，并促進(jìn)未來的北極生物多樣性保護(hù)工作。

更深遠(yuǎn)的影響

未來，隨著北極的持續(xù)變暖，多年凍土區(qū)活動(dòng)層厚度逐漸加深，凍土不連續(xù)性增加，預(yù)計(jì)將導(dǎo)致更頻繁的湖泊排水事件。排水事件會(huì)降低湖泊的蓄水能力，影響當(dāng)?shù)氐乃臓顩r。大型湖泊和湖泊群的排水可能引發(fā)洪水等次生災(zāi)害，且因春夏季的融雪高峰而呈現(xiàn)出周期性的洪峰。此類水文事件會(huì)對(duì)北極地區(qū)的道路和管道等基礎(chǔ)設(shè)施造成不利影響。

隨著越來越多的湖泊被排干，許多北極社區(qū)和原住民獲取清潔淡水可能變得更加困難，候鳥和水生生物等依賴湖泊生境生存的物種也將受威脅。

除影響區(qū)域水文和生態(tài)外，湖泊排水還會(huì)對(duì)碳平衡產(chǎn)生復(fù)雜的反饋?zhàn)饔?。湖泊排水后，原本被淹沒的土壤有機(jī)物暴露在空氣中，減少湖底微生物因厭氧呼吸產(chǎn)生的甲烷排放，并為苔原植被的生長(zhǎng)提供了空間。除了直接的減排固碳效益，植被生長(zhǎng)還帶來了包括增強(qiáng)凍土穩(wěn)定性、防止水土流失、改善水質(zhì)、為野生動(dòng)物創(chuàng)造棲息地、增加生物多樣性以及支持畜牧活動(dòng)等一系列的環(huán)境效益。

“未來，我們將拓展衛(wèi)星遙感技術(shù)在極地地區(qū)的應(yīng)用，比如利用我國(guó)自研的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星，結(jié)合湖泊排水事件數(shù)據(jù)集，監(jiān)測(cè)關(guān)鍵排水湖盆的碳源匯變化。同時(shí)，我們將利用高分辨率的無人機(jī)技術(shù)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，深入探析不同類型湖泊的排水機(jī)制。我們還將進(jìn)一步思考如何把現(xiàn)有知識(shí)與地球系統(tǒng)模式提供的未來預(yù)測(cè)相結(jié)合，探索各種未來情景下北極地區(qū)的湖泊變化和植被動(dòng)態(tài)，并評(píng)估其對(duì)北極溫室氣體排放和國(guó)際碳中和的影響。“程曉說。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-43207-0