北極多年凍土區在過去35年間消失了3.5萬個湖泊
氣候變遷已成為影響人類生活的全球性議題。近年來，北極地區的顯著變暖導致了多年凍土的大規模解凍，影響著脆弱的北極生態環境，並引發了湖泊排水等問題，給土著居民和野生動物的生存帶來挑戰。
中山大學和山東師範大學極地遙感聯合團隊聚焦北極生態環境領域，採用衛星遙感技術對過去35年間在北極多年凍土區發生的3.5萬餘起湖泊排水事件進行了監測，發布了包含高精度時空信息的北極排水湖泊資料集，並對排水後的湖盆植被動態進行了量化分析，揭示了影響湖泊排水和湖盆植被生長的關鍵環境因子。11月15日，相關成果發表於《自然-通訊》。
「該研究拓展了學界對北極湖泊動態和北極變綠現象的理解，對預測未來的北極湖泊變化具有重要意義，並為製定有針對性的北極生態環境保護策略提供了科學基礎。」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》。
北極多年凍土區排水湖泊，左下角可見排水通道。（Dave Swanson攝影）
湖泊排水後，湖盆植被迅速生長（Sergey Loiko攝影）
發掘「趨勢」背後的事件
湖泊是北極生態系統的重要組成部分，為偏遠的北極社區供水，為野生動物提供棲息地，並在碳循環和區域能量平衡中發揮重要作用。衛星觀測表明，過去20年間北極地區的地表水域面積呈現乾涸的趨勢，這與現有的理論模型的模擬結果相悖。在現有的研究中，對北極湖泊排水事件的認識仍停留在現象分析的層面，存在空間範圍局限、時間跨度短、缺乏連續觀測和量化分析等問題，導致湖泊排水事件的時空規律及影響因素仍不清楚。
「受北極暖化影響，多年凍土中固態的冰楔會融化成液態水，為地表水系補充水源。因此，理論上普遍認為北極地區在未來會變得越來越濕潤。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，冰楔融化伴隨的地表沉降會導致湖岸傾覆和排水通道的形成，造成湖泊在數週甚至數天內消失。這個過程就是多年凍土區特有的湖泊排水事件。」論文第一作者、山東師範大學地理與環境學院陳雅婷副教授介紹。
為了深入發掘北極乾涸趨勢背後的湖泊排水事件，團隊利用多源衛星遙感資料產品與先進的時間序列分割和變化檢測演算法，產生了當前分佈範圍最廣、時間跨度最長且精度最高的湖泊排水事件數據集，為理解北極湖泊變化背後的驅動因素提供了詳實的基礎數據支持。
「與以往的研究不同，我們採用的是基於湖泊對象而不是基於影像像元的分析方法，這讓我們得以從整個北極多年凍土區的約583萬個湖泊中，識別出35337起湖泊排水事件，並實現湖泊尺度的排水機率分析以及排水年份的精確檢測，從而呈現不同尺寸、不同地貌類型和不同起源的北極湖泊在排水機率方面的差異。」論文共同通訊作者、山東師範大學地理與環境學院青年教師劉奧博博士說。
揭秘「北極綠洲」的興起
在湖泊排水後，北極植被開始在排水湖盆中定植，使地形從裸露的湖盆沉積物逐步轉變為苔原。由於排水湖盆比周邊區域更濕潤且泥土中富含營養元素，植被在排水湖盆中快速生長，迅速達到週邊植被的綠度水平，並且可能會向著更高產群落的方向演替。
“我們最早在2021年的案例研究中就發現了這一現象，發表後引起了學界廣泛的興趣，但考慮到植被動態的時空異質性，一直無法給出具有普適性的結論來。”陳雅婷介紹說，「這次在對整個北極多年凍土區湖泊排水事件監測的基礎上，我們發現，排水湖盆植被比周邊更綠是一個普遍現象」。
排水湖盆是北極變綠的熱點區域，提高了生態系統的多樣性。排水湖盆形成了處於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，對苔原生態系的植被組成、豐度和分佈產生深遠的影響。
透過追蹤排水湖盆的植被動態，研究揭示了不同環境條件下排水湖盆植被動態的空間變異性，發現熱融湖泊、面積較大和排水比例較高的北極湖泊中的植被生長狀態更好。
另外，研究量化了環境因素對預測排水湖盆植被動態的影響，發現溫度和洪水是關鍵的環境限制因素。這些發現有助於將排水湖盆作為生態熱點鑲嵌區進行管理，並促進未來的北極生物多樣性保育。
更深遠的影響
未來，隨著北極的持續變暖，多年凍土區活動層厚度逐漸加深，凍土不連續性增加，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，影響當地的水文狀況。大型湖泊和湖泊群的排水可能引發洪水等次生災害，且因春夏季的融雪高峰而呈現週期性的洪峰。此類水文事件會對北極地區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幹，許多北極社區和原住民取得清潔淡水的途徑可能會變得更加困難。候鳥和水生生物等依賴湖泊生境生存的物種也受到威脅。例如，在靠近阿拉斯加地區的聖勞倫斯島上，觀測發現近1/4的湖泊在2018年後都發生了排水，同一時期週邊海冰的覆蓋率也達到歷史最低水平，海鳥普遍死亡，表明當地的氣候條件可能已經達到臨界點。
湖泊排水會影響區域水文和生態，同時也會對碳平衡產生複雜的回饋作用。湖泊排水後，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生的甲烷排放，並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定性、防止水土流失、改善水質、為野生動物創造棲息地、增加生物多樣性以及支持土著畜牧活動等一系列的環境效益。
「未來，我們將擴展衛星遙感技術在極地地區的應用，例如利用我國自研的陸地生態系統碳監測衛星，結合我們的湖泊排水事件資料集，監測關鍵排水湖盆的碳源匯變化。同時，利用高解析度的無人機技術加強監測，深入探討不同類型湖泊的排水機制。我們也將進一步思考如何把現有知識與地球系統模式提供的未來預測結合，探索各種未來情境下北極地區的湖泊變化和植被動態，並評估其對北極溫室氣體排放和國際碳中和策略的影響。」程曉說。