當(dāng)我們?cè)谡務(wù)摎夂蜃兣瘯r(shí)，或許該把目光投向北方那些看似靜謐的湖泊。最新研究發(fā)現(xiàn)，北半球高緯度地區(qū)的水生植物正在以前所未有的速度擴(kuò)張，而它們蓬勃生長(zhǎng)的代價(jià)，可能是加劇全球溫室效應(yīng)。

3月28日，《自然-地球科學(xué)》在線刊發(fā)了中山大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授侯雪姣課題組最新成果。他們通過(guò)衛(wèi)星之眼，首次揭開(kāi)了北半球中高緯度湖泊生態(tài)變遷的驚人圖景——過(guò)去40年間，超過(guò)120萬(wàn)個(gè)湖泊的水生植被如同水中森林般快速擴(kuò)張，這些“水中綠洲”的蓬勃生長(zhǎng)正在成為甲烷排放的新推手。

水草“占領(lǐng)”湖泊

全球湖泊正經(jīng)歷一場(chǎng)靜默的“綠色革命”，而這場(chǎng)變革可能正在改寫(xiě)地球的溫室氣體賬本。

“現(xiàn)有湖泊甲烷排放估算的研究主要基于開(kāi)闊水域的觀測(cè)，而水生植被等關(guān)鍵因素的長(zhǎng)期貢獻(xiàn)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(shù)湖泊的水生植被的時(shí)空分布仍缺乏系統(tǒng)性數(shù)據(jù)，嚴(yán)重制約了水生植被對(duì)湖泊甲烷排放影響的評(píng)估。

此外，已知北半球高緯度地區(qū)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(duì)氣候變暖的響應(yīng)模式仍不清楚。

北美西北地區(qū)高緯度湖泊水生植被分布。研究團(tuán)隊(duì)供圖

為系統(tǒng)了解北半球中高緯度地區(qū)湖泊水生植被的分布變化和關(guān)鍵影響因素，侯雪姣課題組利用Landsat衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，構(gòu)建了從1984年至2021年共274萬(wàn)個(gè)湖泊的水生植被分布數(shù)據(jù)集，為科學(xué)評(píng)估湖泊甲烷排放量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

研究顯示，過(guò)去40年北半球中高緯度地區(qū)有122萬(wàn)個(gè)湖泊存在水生植被分布，占研究湖泊總數(shù)的44.7%。水生植被最大覆蓋面積達(dá)到12.0萬(wàn)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(dá)5.53萬(wàn)平方公里，其次是北美洲，水生植被面積為3.24萬(wàn)平方公里；而歐洲的水生植被面積相對(duì)較小，僅為1.47萬(wàn)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(diǎn)區(qū)域包括東西伯利亞、加拿大地盾及鄂畢河流域等。過(guò)去40年，湖泊水生植被出現(xiàn)頻率均值為1.68%。

不同大洲的植被出現(xiàn)頻率均值差異顯著：北美洲植被出現(xiàn)頻率最低，僅為0.65%；而歐洲的頻率最高，達(dá)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(qū)域差異不明顯。

總體上，過(guò)去40年間，水生植被呈現(xiàn)顯著擴(kuò)張趨勢(shì)，與北半球高緯度地區(qū)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(zhǎng)時(shí)序水生植被分布數(shù)據(jù)結(jié)合氣候、湖泊環(huán)境、人為因素等其他數(shù)據(jù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型開(kāi)展了深入分析。

結(jié)果表明，在人口稀疏區(qū)，氣溫是影響水生植被變化的關(guān)鍵因素。40年內(nèi)，研究區(qū)溫度升高了33.0%。溫度的增加可能使更多區(qū)域達(dá)到最佳光合溫度，從而促進(jìn)水生植被的生長(zhǎng)和擴(kuò)張。此外，湖泊及其周?chē)h(huán)境的變化，尤其是多年凍土融化和湖泊結(jié)冰期縮短，也對(duì)水生植被的生長(zhǎng)產(chǎn)生了影響。

而在人口密集區(qū)，湖泊的物理環(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)是水生植被分布變化的重要影響因素，湖泊的水文環(huán)境與水生植被的變化密切相關(guān)。此外，肥料使用也是影響水生植被變化的重要驅(qū)動(dòng)因素。

在德國(guó)、波蘭、丹麥等歐洲國(guó)家，水生植被最初的減少可能與這些地區(qū)高度集約化農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)造成的水體富營(yíng)養(yǎng)化有關(guān)。然而，近些年的植被增加可能歸因于歐洲國(guó)家廣泛實(shí)施的湖泊恢復(fù)措施，比如減少氮和磷負(fù)荷排放等。

“北半球中高緯度地區(qū)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(lèi)活動(dòng)多重影響的綜合結(jié)果?！闭撐牡牡谝蛔髡?、中山大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士研究生劉金英表示，“我們的研究突顯了水生植被對(duì)氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)響應(yīng)的復(fù)雜性，有助于進(jìn)一步理解全球氣候變化背景下北半球中高緯度湖泊生態(tài)系統(tǒng)的演變?！?/p>

時(shí)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(xiàn)出顯著的面積擴(kuò)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(qū)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(qū)，植被面積顯著擴(kuò)張。同時(shí)，植被頻率變化表現(xiàn)出明顯的緯度特征，中緯度地區(qū)的頻率增幅明顯高于高緯度地區(qū)。然而，植被綠度未表現(xiàn)出顯著的區(qū)域或緯度差異。

改寫(xiě)地球氣候賬單

湖泊是一種具有改善水質(zhì)、調(diào)節(jié)氣候、維持區(qū)域生物多樣性等重要作用的生態(tài)系統(tǒng)。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(huì)通過(guò)擴(kuò)散、冒泡和水生植物組織運(yùn)輸?shù)榷喾N方式釋放甲烷，是全球湖泊甲烷排放的重要貢獻(xiàn)源。

該研究中，侯雪姣課題組還對(duì)比分析了僅考慮湖泊開(kāi)闊水域的甲烷排放量與同時(shí)考慮湖泊開(kāi)闊水域和水生植被的甲烷排放量。結(jié)果顯示，僅考慮湖泊開(kāi)闊水域的平均甲烷排放量為1.16 Tg CH4 yr-1。然而，同時(shí)考慮水生植被和開(kāi)闊水域的總體排放量增加了13%，達(dá)到1.31 Tg CH4 yr-1。這表明水生植被對(duì)甲烷排放量的估算有顯著影響，應(yīng)當(dāng)將水生植被納入湖泊甲烷排放估算模型。

通過(guò)進(jìn)一步對(duì)比兩種湖泊甲烷排放量的長(zhǎng)期凈變化，課題組發(fā)現(xiàn)，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(kāi)闊水域的估算值高出125%。湖泊水生植被的擴(kuò)張對(duì)湖泊甲烷排放量的長(zhǎng)期估算產(chǎn)生顯著影響，這一研究結(jié)果再次驗(yàn)證了水生植被在湖泊甲烷排放估算中的關(guān)鍵作用。

“水草就像湖泊的‘呼吸閥’，它們的每次擴(kuò)張都在改變地球的氣候賬單?！焙钛╂硎?，隨著遙感技術(shù)精進(jìn)，未來(lái)需要更精準(zhǔn)地量化水草對(duì)溫室氣體的“凈貢獻(xiàn)”。

“或許下一次路過(guò)北方湖泊時(shí)，我們應(yīng)該用新的眼光審視水面下那些搖曳的綠意——它們既是生態(tài)恢復(fù)的信號(hào)，也可能是氣候危機(jī)的‘共謀’。”侯雪姣說(shuō)。

相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41561-025-01667-7

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