當我們在談論氣候變暖時，或許該把目光投向北方那些看似靜謐的湖泊。最新研究發現，北半球高緯度地區的水生植物正在以前所未有的速度擴張，而它們蓬勃生長的代價，可能是加劇全球溫室效應。
3月28日，《自然-地球科學》在線刊發了中山大學測繪科學與技術學院副教授侯雪姣課題組最新成果。他們通過衛星之眼，首次揭開了北半球中高緯度湖泊生態變遷的驚人圖景——過去40年間，超過120萬個湖泊的水生植被如同水中森林般快速擴張，這些“水中綠洲”的蓬勃生長正在成為甲烷排放的新推手。
水草“占領”湖泊
全球湖泊正經歷一場靜默的“綠色革命”，而這場變革可能正在改寫地球的溫室氣體賬本。
“現有湖泊甲烷排放估算的研究主要基于開闊水域的觀測，而水生植被等關鍵因素的長期貢獻被低估。”論文通訊作者侯雪姣表示，目前北半球中高緯度絕大多數湖泊的水生植被的時空分布仍缺乏系統性數據，嚴重制約了水生植被對湖泊甲烷排放影響的評估。
此外，已知北半球高緯度地區陸地植被的覆蓋范圍和綠度因全球變暖顯著增加，但水生植被對氣候變暖的響應模式仍不清楚。
北美西北地區高緯度湖泊水生植被分布。研究團隊供圖
為系統了解北半球中高緯度地區湖泊水生植被的分布變化和關鍵影響因素，侯雪姣課題組利用Landsat衛星遙感數據，構建了從1984年至2021年共274萬個湖泊的水生植被分布數據集，為科學評估湖泊甲烷排放量提供基礎數據支撐。
研究顯示，過去40年北半球中高緯度地區有122萬個湖泊存在水生植被分布，占研究湖泊總數的44.7%。水生植被最大覆蓋面積達到12.0萬平方公里，占研究湖泊總面積的6.0%。
其中，亞洲湖泊的水生植被面積最大，達5.53萬平方公里，其次是北美洲，水生植被面積為3.24萬平方公里；而歐洲的水生植被面積相對較小，僅為1.47萬平方公里。水生植被集中分布在北緯40-50°和60-70°，分布的熱點區域包括東西伯利亞、加拿大地盾及鄂畢河流域等。過去40年，湖泊水生植被出現頻率均值為1.68%。
不同大洲的植被出現頻率均值差異顯著：北美洲植被出現頻率最低，僅為0.65%；而歐洲的頻率最高，達到2.99%。與植被頻率不同的是，水生植被綠度均值在各大洲區域差異不明顯。
總體上，過去40年間，水生植被呈現顯著擴張趨勢，與北半球高緯度地區陸地植被的變化模式高度一致。
水草的“雙面人生”
為了深入探究影響水生植被變化的原因，侯雪姣課題組利用獲取的長時序水生植被分布數據結合氣候、湖泊環境、人為因素等其他數據，利用機器學習模型開展了深入分析。
結果表明，在人口稀疏區，氣溫是影響水生植被變化的關鍵因素。40年內，研究區溫度升高了33.0%。溫度的增加可能使更多區域達到最佳光合溫度，從而促進水生植被的生長和擴張。此外，湖泊及其周圍環境的變化，尤其是多年凍土融化和湖泊結冰期縮短，也對水生植被的生長產生了影響。
而在人口密集區，湖泊的物理環境和人類活動是水生植被分布變化的重要影響因素，湖泊的水文環境與水生植被的變化密切相關。此外，肥料使用也是影響水生植被變化的重要驅動因素。
在德國、波蘭、丹麥等歐洲國家，水生植被最初的減少可能與這些地區高度集約化農業和畜牧業造成的水體富營養化有關。然而，近些年的植被增加可能歸因于歐洲國家廣泛實施的湖泊恢復措施，比如減少氮和磷負荷排放等。
“北半球中高緯度地區湖泊水生植被的變化不僅是氣候變化的直接反映，更是人類活動多重影響的綜合結果。”論文的第一作者、中山大學測繪科學與技術學院博士研究生劉金英表示，“我們的研究突顯了水生植被對氣候變化和人類活動響應的復雜性，有助于進一步理解全球氣候變化背景下北半球中高緯度湖泊生態系統的演變。”
時序變化分析顯示，1984年至1999年到2011年至2021年間，水生植被整體表現出顯著的面積擴張以及植被頻率增加。此外，72.5%的湖泊水生植被綠度在增加。水生植被面積和頻率的增加因地區和緯度而異。
在鄂畢河流域、加拿大地盾和東西伯利亞等湖泊密集的低洼地區，植被面積顯著擴張。同時，植被頻率變化表現出明顯的緯度特征，中緯度地區的頻率增幅明顯高于高緯度地區。然而，植被綠度未表現出顯著的區域或緯度差異。
改寫地球氣候賬單
湖泊是一種具有改善水質、調節氣候、維持區域生物多樣性等重要作用的生態系統。在北半球，中高緯度（北緯40°以北）的湖泊占全球湖泊總面積的62.5%，這些湖泊會通過擴散、冒泡和水生植物組織運輸等多種方式釋放甲烷，是全球湖泊甲烷排放的重要貢獻源。
該研究中，侯雪姣課題組還對比分析了僅考慮湖泊開闊水域的甲烷排放量與同時考慮湖泊開闊水域和水生植被的甲烷排放量。結果顯示，僅考慮湖泊開闊水域的平均甲烷排放量為1.16 Tg CH4 yr-1。然而，同時考慮水生植被和開闊水域的總體排放量增加了13%，達到1.31 Tg CH4 yr-1。這表明水生植被對甲烷排放量的估算有顯著影響，應當將水生植被納入湖泊甲烷排放估算模型。
通過進一步對比兩種湖泊甲烷排放量的長期凈變化，課題組發現，從1984年至1999年到2011年至2021年，考慮了水生植被分布的總甲烷排放量增加了0.09 Tg CH4 yr-1，比僅考慮開闊水域的估算值高出125%。湖泊水生植被的擴張對湖泊甲烷排放量的長期估算產生顯著影響，這一研究結果再次驗證了水生植被在湖泊甲烷排放估算中的關鍵作用。
“水草就像湖泊的‘呼吸閥’，它們的每次擴張都在改變地球的氣候賬單。”侯雪姣表示，隨著遙感技術精進，未來需要更精準地量化水草對溫室氣體的“凈貢獻”。
“或許下一次路過北方湖泊時，我們應該用新的眼光審視水面下那些搖曳的綠意——它們既是生態恢復的信號，也可能是氣候危機的‘共謀’。”侯雪姣說。
相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41561-025-01667-7
報道鏈接：https://rmtzx.sciencenet.cn/mixmedia/a/202503/30/WS67e8893ae4b0cb2d1eed6b90.html
