气候变化已经成为影响人类生活的全球性问题。近年来，北极地区的显著变暖导致了多年冻土的大规模解冻，影响着脆弱的北极生态环境，并引发了湖泊排水等问题，给土著居民和野生动物的生存带来挑战。
中山大学和山东师范大学极地遥感联合团队聚焦北极生态环境领域，采用卫星遥感技术对过去35年间在北极多年冻土区发生的3.5万余起湖泊排水事件进行了监测，发布了包含高精度时空信息的北极排水湖泊数据集，并对排水后的湖盆植被动态进行了量化分析，揭示了影响湖泊排水和湖盆植被生长的关键环境因子。11月15日，相关成果发表于《自然-通讯》。
“该研究拓展了学界对北极湖泊动态和北极变绿现象的理解，对预测未来的北极湖泊变化具有重要意义，并为制定有针对性的北极生态环境保护策略提供了科学基础。”论文通讯作者、中山大学极地研究中心主任程晓告诉《中国科学报》。
北极多年冻土区排水湖泊，左下角可见排水通道。（Dave Swanson摄影）
湖泊排水后，湖盆植被迅速生长 （Sergey Loiko摄影）
发掘“趋势”背后的事件
湖泊是北极生态系统的重要组成部分，为偏远的北极社区供水，为野生动物提供栖息地，并在碳循环和区域能量平衡中发挥着重要作用。卫星观测表明，过去20年间北极地区的地表水域面积呈现干涸的趋势，这与已有的理论模型的模拟结果相悖。已有的研究中，对北极湖泊排水事件的认识还停留在现象分析的层面，存在空间范围局限、时间跨度短、缺乏连续观测和量化分析等问题，导致湖泊排水事件的时空规律及影响因素仍不清楚。
“受北极变暖影响，多年冻土中固态的冰楔会融化成液态水，为地表水系补充水源。因此，理论上普遍认为北极地区在未来会变得越来越湿润。但事实上，在湖泊密布且土壤富含地下冰的北极沿海低地地区，冰楔融化伴随的地表沉降会导致湖岸倾覆和排水通道的形成，造成湖泊在数周甚至数天内消失。这一过程就是多年冻土区特有的湖泊排水事件。”论文第一作者、山东师范大学地理与环境学院陈雅婷副教授介绍说。
为了深入发掘北极干涸趋势背后的湖泊排水事件，团队利用多源卫星遥感数据产品与先进的时间序列分割和变化检测算法，生成了当前分布范围最广、时间跨度最长且精度最高的湖泊排水事件数据集，为理解北极湖泊变化背后的驱动因素提供了详实的基础数据支持。
“与以往的研究不同，我们采用的是基于湖泊对象而不是基于影像像元的分析方法，这让我们得以从整个北极多年冻土区的约583万个湖泊中，识别出35337起湖泊排水事件，并实现湖泊尺度的排水概率分析以及排水年份的精确检测，从而呈现不同尺寸、不同地貌类型和不同起源的北极湖泊在排水概率方面的差异。”论文共同通讯作者、山东师范大学地理与环境学院青年教师刘奥博博士说。
揭秘“北极绿洲”的兴起
在湖泊排水后，北极植被开始在排水湖盆中定植，使地貌从裸露的湖盆沉积物逐步转变为苔原。由于排水湖盆比周边区域要更加湿润且泥土中富含营养元素，植被在排水湖盆中快速生长，迅速达到周边植被的绿度水平，并且可能会向着更高产群落的方向演替。
“我们最早在2021年的案例研究中就发现了这一现象，发表后引起了学界广泛的兴趣，但考虑到植被动态的时空异质性，一直无法给出具有普适性的结论来。”陈雅婷介绍说，“这次在对整个北极多年冻土区湖泊排水事件监测的基础上，我们发现，排水湖盆植被比周边更绿是一个普遍现象”。
排水湖盆是北极变绿的热点区域，提高了生态系统的多样性。排水湖盆形成了处于不同演替阶段的生境镶嵌，从而推动苔原植被中的物种间竞争，对苔原生态系统的植被组成、丰度和分布产生深远的影响。
通过跟踪排水湖盆的植被动态，研究揭示了不同环境条件下排水湖盆植被动态的空间变异性，发现热融湖泊、面积较大和排水比例较高的北极湖泊中的植被生长状态更好。
另外，该研究量化了环境因素对预测排水湖盆植被动态的影响，发现温度和洪水是关键的环境制约因素。这些发现有助于将排水湖盆作为生态热点镶嵌区进行管理，并促进未来的北极生物多样性保护工作。
更深远的影响
未来，随着北极的持续变暖，多年冻土区活动层厚度逐渐加深，冻土不连续性增加，预计将导致更频繁的湖泊排水事件。排水事件会降低湖泊的蓄水能力，影响当地的水文状况。大型湖泊和湖泊群的排水可能引发洪水等次生灾害，且因春夏季的融雪高峰而呈现出周期性的洪峰。此类水文事件会对北极地区的道路和管道等基础设施造成不利影响。
随着越来越多的湖泊被排干，许多北极社区和原住民获取清洁淡水的途径可能会变得更加困难。候鸟和水生生物等依赖湖泊生境生存的物种也受到威胁。例如，在靠近阿拉斯加地区的圣劳伦斯岛上，观测发现近1/4的湖泊在2018年以后都发生了排水，同一时期周边海冰的覆盖率也达到历史最低水平，海鸟普遍死亡，表明当地的气候条件可能已经达到临界点。
湖泊排水会影响区域水文和生态，同时还会对碳平衡产生复杂的反馈作用。湖泊排水后，原本被淹没的土壤有机物暴露在空气中，减少湖底微生物因厌氧呼吸产生的甲烷排放，并为苔原植被的生长提供了空间。除了直接的减排固碳效益，植被生长还带来了包括增强冻土稳定性、防止水土流失、改善水质、为野生动物创造栖息地、增加生物多样性以及支持土著畜牧活动等一系列的环境效益。
“未来，我们将扩展卫星遥感技术在极地地区的应用，比如利用我国自研的陆地生态系统碳监测卫星，结合我们的湖泊排水事件数据集，监测关键排水湖盆的碳源汇变化。同时，利用高分辨率的无人机技术加强监测，深入探析不同类型湖泊的排水机制。我们还将进一步思考如何把现有知识与地球系统模式提供的未来预测相结合，探索各种未来情景下北极地区的湖泊变化和植被动态，并评估其对北极温室气体排放和国际碳中和战略的影响。“程晓说。（来源：中国科学报 崔雪芹）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43207-0
