3月28日，中山大学测绘科学与技术学院副教授侯雪姣课题组在《自然-地球科学》（Nature Geoscience）发表论文，首次系统揭示了北半球中高纬度湖泊水生植被的时空分布格局及其动态变化特征，指出水生植被对湖泊甲烷的排放量有重要影响，北半球中高纬度地区湖泊水生植被的扩张将增加甲烷的排放。
系统监测水生植被分布及长期变化趋势
湖泊是一种具有改善水质、调节气候、维持区域生物多样性等重要作用的生态系统。在北半球，中高纬度（北纬40°以北）的湖泊占全球湖泊总面积的62.5%，这些湖泊会通过扩散、冒泡和水生植物组织运输等多种方式释放甲烷，是全球湖泊甲烷排放的重要贡献源。
“现有湖泊甲烷排放估算的研究主要基于开阔水域的观测，而水生植被等关键因素的长期贡献被低估。”侯雪姣表示，目前北半球中高纬度绝大多数湖泊的水生植被的时空分布仍缺乏系统性数据，严重制约了水生植被对湖泊甲烷排放影响的评估。此外，已知北半球高纬度地区陆地植被的覆盖范围和绿度因全球变暖显著增加，但水生植被对气候变暖的响应模式仍不清楚。
为系统了解北半球中高纬度地区湖泊水生植被的分布变化和关键影响因素，侯雪姣课题组利用Landsat卫星遥感数据，构建了从1984至2021年共274万个湖泊的水生植被分布数据集，为科学评估湖泊甲烷排放量提供基础数据支撑。
研究显示，过去40年北半球中高纬度地区有122万个湖泊存在水生植被分布，占研究湖泊总数的44.7%。水生植被最大覆盖面积达到12万平方公里，占研究湖泊总面积的6.0%。其中，亚洲湖泊的水生植被面积最大，达5.53万平方公里，其次是北美洲，水生植被面积为3.24万平方公里；而欧洲的水生植被面积相对较小，仅为1.47万平方公里。水生植被集中分布在北纬40-50°和60-70°，分布的热点区域包括东西伯利亚、加拿大地盾及鄂毕河流域等。过去40年，湖泊水生植被出现频率均值为1.68±3.8%。不同大洲的植被出现频率均值差异显著：北美洲植被出现频率最低，仅为0.65%；而欧洲的频率最高，达到2.99%。与植被频率不同的是，水生植被绿度均值（NDVI值）在各大洲区域差异不明显。
时序变化分析显示，1984-1999到2011-2021年间，水生植被整体表现出显著的面积扩张（+2.3×104 km2）以及植被频率增加（+73.7%）。此外，72.5%的湖泊水生植被绿度在增加。水生植被面积和频率的增加因地区和纬度而异。在鄂毕河流域、加拿大地盾和东西伯利亚等湖泊密集的低洼地区，植被面积显著扩张。同时，植被频率变化表现出明显的纬度特征，中纬度地区的频率增幅明显高于高纬度地区。然而，植被绿度未表现出显著的区域或纬度差异。
总体上，过去四十年间，水生植被呈现显著扩张趋势，与北半球高纬度地区陆地植被的变化模式高度一致。
探究影响水生植被变化的关键因素
为了深入探究影响水生植被变化的原因，研究课题组利用获取的长时序水生植被分布数据结合气候、湖泊环境、人为因素等其他数据，利用机器学习模型开展了深入分析。
结果表明，在人口稀疏区，气温是影响水生植被变化的关键因素。40年内，研究区温度升高了33.0%。温度的增加可能使更多区域达到最佳光合温度，从而促进水生植被的生长和扩张。此外，湖泊及其周围环境的变化，尤其是多年冻土融化和湖泊结冰期缩短，也对水生植被的生长产生了影响。
而在人口密集区，湖泊的物理环境和人类活动是水生植被分布变化的重要影响因素，湖泊的水文环境与水生植被的变化密切相关。此外，肥料使用也是影响水生植被变化的重要驱动因素。在德国、波兰、丹麦等欧洲国家，水生植被最初的减少可能与这些地区高度集约化农业和畜牧业造成的水体富营养化有关。然而，近些年的植被增加可能归因于欧洲国家广泛实施的湖泊恢复措施，比如减少氮和磷负荷排放等。
“北半球中高纬度地区湖泊水生植被的变化不仅是气候变化的直接反映，更是人类活动多重影响的综合结果。”论文的第一作者、中山大学测绘科学与技术学院博士研究生刘金英表示，“我们的研究突显了水生植被对气候变化和人类活动响应的复杂性，有助于进一步理解全球气候变化背景下北半球中高纬度湖泊生态系统的演变。”
水生植被对湖泊甲烷排放量估算有重要影响
该研究中，课题组还对比分析了仅考虑湖泊开阔水域的甲烷排放量与同时考虑湖泊开阔水域和水生植被的甲烷排放量。结果显示，仅考虑湖泊开阔水域的平均甲烷排放量为1.16 Tg CH4 yr-1。然而，同时考虑水生植被和开阔水域的总体排放量增加了13%，达到1.31 Tg CH4 yr-1。这表明水生植被对甲烷排放量的估算有显著影响，应当将水生植被纳入湖泊甲烷排放估算模型。
通过进一步对比两种湖泊甲烷排放量的长期净变化，研究课题组发现，从1984-1999到2011-2021，考虑了水生植被分布的总甲烷排放量增加了0.09 Tg CH4 yr-1，比仅考虑开阔水域的估算值高出125%（0.04 Tg CH4 yr-1）。湖泊水生植被的扩张对湖泊甲烷排放量的长期估算产生显著影响，这一研究结果再次验证了水生植被在湖泊甲烷排放估算中的关键作用。
“未来，随着高分辨率遥感技术的发展和湖泊甲烷排放实测数据的积累，水生植被对湖泊甲烷排放的影响将得到更加准确的评估。”侯雪姣表示，水生植被的扩张或同时增加湖泊对二氧化碳的吸收能力，从而部分抵消甲烷排放的增加。未来的研究需要同时考虑甲烷排放和二氧化碳吸收的变化，以全面评估水生植被变化对全球温室气体变化的影响。
文丨记者 陈亮
通讯员 朱嘉豪
图丨学校供图