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，給原住民和野生動物的生存帶來挑戰(zhàn)。
中山大學和山東師范大學極地遙感聯(lián)合團隊聚焦北極生態(tài)環(huán)境，采用衛(wèi)星遙感技術對過去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行了監(jiān)測，發(fā)布了包含高精度時空信息的北極排水湖泊數(shù)據(jù)集，并對排水后的湖盆植被動態(tài)進行了量化分析，揭示了影響湖泊排水和湖盆植被生長的關鍵環(huán)境因子。11月15日，相關成果發(fā)表于《自然-通訊》。
“該研究加深了學界對北極湖泊動態(tài)和北極變綠現(xiàn)象的理解，對預測未來的北極湖泊變化具有重要意義，并為制定有針對性的北極生態(tài)環(huán)境保護策略奠定了科學基礎。”論文通訊作者、中山大學極地研究中心主任程曉告訴《中國科學報》。
挖掘“趨勢”背后的事件
湖泊是北極生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，為偏遠的北極社區(qū)供水，為野生動物提供棲息地，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)星觀測表明，過去20年間，北極地區(qū)的地表水域呈現(xiàn)干涸趨勢，這與已有的理論模型的模擬結果相悖。已有的研究對北極湖泊排水事件的認識還停留在現(xiàn)象分析層面，存在空間范圍局限、時間跨度短、缺乏連續(xù)觀測和量化分析等問題，導致湖泊排水事件的時空規(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)的冰楔會融化成液態(tài)水，為地表水系補充水源。因此，理論上普遍認為北極地區(qū)會越來越濕潤。但事實上，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導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。”論文第一作者、山東師范大學地理與環(huán)境學院副教授陳雅婷介紹說。
為深入挖掘北極干涸趨勢背后的湖泊排水事件，團隊利用多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品與先進的時間序列分割和變化檢測算法，生成了當前分布范圍最廣、時間跨度最長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)動因素提供了翔實的基礎數(shù)據(jù)支持。
“與以往研究不同，我們采用的是基于湖泊對象而不是基于影像像元的分析方法，可從整個北極多年凍土區(qū)約583萬個湖泊中識別出35337起湖泊排水事件，并實現(xiàn)湖泊尺度的排水概率分析以及排水年份的精確檢測，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。”論文共同通訊作者、山東師范大學地理與環(huán)境學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υＳ捎谂潘璞戎苓厖^(qū)域更加濕潤且泥土中富含營養(yǎng)元素，植被在排水湖盆中快速生長，迅速達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。
“我們在2021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)了學界廣泛的興趣，但考慮到植被動態(tài)的時空異質(zhì)性，一直無法給出具有普適性的結論。”陳雅婷說，“這次在對整個北極多年凍土區(qū)湖泊排水事件監(jiān)測的基礎上，我們發(fā)現(xiàn)，排水湖盆植被比周邊更綠是一個普遍現(xiàn)象。”
排水湖盆是北極變綠的熱點區(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，從而推動苔原植被中的物種間競爭，對苔原生態(tài)系統(tǒng)的植被組成、豐度和分布產(chǎn)生深遠影響。
通過跟蹤排水湖盆的植被動態(tài)，該研究揭示了不同環(huán)境條件下排水湖盆植被動態(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，植被生長狀態(tài)更好。
另外，該研究量化了環(huán)境因素對預測排水湖盆植被動態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)溫度和洪水是關鍵的環(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)熱點鑲嵌區(qū)進行管理，并促進未來的北極生物多樣性保護工作。
更深遠的影響
未來，隨著北極的持續(xù)變暖，多年凍土區(qū)活動層厚度逐漸加深，凍土不連續(xù)性增加，預計將導致更頻繁的湖泊排水事件。排水事件會降低湖泊的蓄水能力，影響當?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。此類水文事件會對北極地區(qū)的道路和管道等基礎設施造成不利影響。
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，湖泊排水還會對碳平衡產(chǎn)生復雜的反饋作用。湖泊排水后，原本被淹沒的土壤有機物暴露在空氣中，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提供了空間。除了直接的減排固碳效益，植被生長還帶來了包括增強凍土穩(wěn)定性、防止水土流失、改善水質(zhì)、為野生動物創(chuàng)造棲息地、增加生物多樣性以及支持畜牧活動等一系列的環(huán)境效益。
“未來，我們將拓展衛(wèi)星遙感技術在極地地區(qū)的應用，比如利用我國自研的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星，結合湖泊排水事件數(shù)據(jù)集，監(jiān)測關鍵排水湖盆的碳源匯變化。同時，我們將利用高分辨率的無人機技術加強監(jiān)測，深入探析不同類型湖泊的排水機制。我們還將進一步思考如何把現(xiàn)有知識與地球系統(tǒng)模式提供的未來預測相結合，探索各種未來情景下北極地區(qū)的湖泊變化和植被動態(tài)，并評估其對北極溫室氣體排放和國際碳中和的影響。“程曉說。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43207-0
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