中國科學報報道我校教師在Nature Communications上發表重要研究成果
作者：黨委宣傳部 發表日期：2023年11月16日 10:49 點擊：[]
【編者按】11月16日，《中國科學報》頭版以《北極多年凍土區35年間消失3.5萬個湖泊》為題，刊發報道我校地理與環境學院副教授陳雅婷（第一作者）、博士后劉奧博（通訊作者）等，與中山大學程曉教授合作，在國際著名學術期刊Nature Communications（《自然·通訊》）上發表題為Tracking lake drainage events and drained lake basin vegetation dynamics across the Arctic (《跟蹤整個北極地區的湖泊排水事件和排水湖盆植被動態》)的研究論文。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，并為制定有針對性的北極生態環境保護策略提供了科學基礎。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，并引發了湖泊排水等問題，給原住民和野生動物的生存帶來挑戰。中山大學和山東師范大學極地遙感聯合團隊聚焦北極生態環境，采用衛星遙感技術對過去35年間在北極多年凍土區發生的3.5萬余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數據集，并對排水后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，相關成果發表于《自然-通訊》。
“該研究加深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，并為制定有針對性的北極生態環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，并在碳循環和區域能量平衡中發揮著重要作用。
衛星觀測表明，過去20年間，北極地區的地表水域呈現干涸趨勢，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象分析層面，存在空間范圍局限、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。
“受北極變暖影響，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，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，造成湖泊在數周甚至數天內消失。這一過程就是多年凍土區特有的湖泊排水事件?！闭撐牡谝蛔髡?、山東師范大學地理與環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，團隊利用多源衛星遙感數據產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據集，為理解北極湖泊變化背后的驅動因素提供了翔實的基礎數據支持。
“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約583萬個湖泊中識別出35337起湖泊排水事件，并實現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嵶髡摺⑸綎|師范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變為苔原。由于排水湖盆比周邊區域更加濕潤且泥土中富含營養元素，植被在排水湖盆中快速生長，迅速達到周邊植被的綠度水平，并且可能向著更高產群落的方向演替。
“我們在2021年的案例研究中就發現了這一現象，發表后引發了學界廣泛的興趣，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。”陳雅婷說，“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，對苔原生態系統的植被組成、豐度和分布產生深遠影響。
通過跟蹤排水湖盆的植被動態，該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，植被生長狀態更好。
另外，該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制約因素。這些發現有助于將排水湖盆作為生態熱點鑲嵌區進行管理，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出周期性的洪峰。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干，許多北極社區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。
除影響區域水文和生態外，湖泊排水還會對碳平衡產生復雜的反饋作用。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畜牧活動等一系列的環境效益。
“未來，我們將拓展衛星遙感技術在極地地區的應用，比如利用我國自研的陸地生態系統碳監測衛星，結合湖泊排水事件數據集，監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有知識與地球系統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的湖泊變化和植被動態，并評估其對北極溫室氣體排放和國際碳中和的影響?！俺虝哉f。
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