武汉大学冯炼/田礼乔课题组发文揭示泛北极河流颗粒有机碳浓度及通量变化

河流作为陆海物质交换的关键途径，其有机碳观测与分析是当前全球变化研究关注的重点之一。受观测条件与手段限制，现有河流有机碳观测主要集中在少数大型河流，气候变化重要的指示区—北极圈的河流有机碳观测与流域综合分析资料几乎为空白。与其他区域相比，北极对气候变化存在放大效应，其升温速率是全球平均水平的四倍，气候暖湿化正在加速北极冰川冻土的广泛消融，加剧有机碳释放，进而扰动陆-海、陆-气间的碳通量平衡，影响全球气候格局。

为精准刻画高纬度河流碳输送的时空格局与动态特征，填补泛北极河流有机碳的全域综合性分析空白，武汉大学冯炼/田礼乔团队将Landsat-4/5/7卫星长时序（1985~2022年）遥感观测数据与同期地面观测结合，建立稳健的颗粒有机碳浓度遥感反演模型，成功生成了首个覆盖泛北极的河流颗粒有机碳遥感数据集。

研究通过量化10470个河段（总长57.8万公里）的颗粒有机碳浓度，追溯200个河口及冰川出口的入海颗粒有机碳通量时序动态过程，研究揭示了近40年来泛北极河流颗粒有机碳的变化趋势：18%的河段呈现显著上升趋势，11%的河段呈现显著下降趋势，整体呈现净增长趋势。过去40年间，泛北极河流颗粒有机碳浓度平均增加11.5%（140微克/升），且在2005年之后有加速趋势。河口、冰川向北冰洋输送的颗粒有机碳通量从1985~2005年到2006~2022年净增12.6%（49万吨/年）。

图1 泛北极河流颗粒有机碳浓度分布及变化趋势（1985~2022）

研究发现，在泛北极六大河流中，鄂毕河的颗粒有机碳浓度增速最快，达11.77微克/升/年，其次为育空河（11.04微克/升/年）与麦肯齐河（2.86微克/升/年），叶尼塞河仅表现出微弱上升趋势（0.79微克/升/年），勒拿河则呈小幅下降趋势（−1.41微克/升/年），科雷马河呈现平缓的上升趋势（2.28±0.04微克/升/年）。在颗粒有机碳入海通量方面，六大河流中仅育空河呈显著上升趋势，其余五条河流入海通量保持相对稳定。值得注意的是，格陵兰岛西南部与东北部部分冰盖融水出口，以及哈德逊湾、白令海、巴伦支海周边的中小型河流，其颗粒有机碳通量均出现大幅增长，尽管这些河流流量相对较小，但对北极碳循环的贡献不容忽视。

图2 泛北极河流入海颗粒有机碳通量变化（1985~2022）

研究对河流颗粒有机碳变化的驱动因素进行了分析。通过气候弹性模型发现：97个流域的颗粒有机碳浓度变化与气温呈显著正相关，65个流域的颗粒有机碳浓度变化与降水呈正相关，这一现象与“温度升高致冻土失稳释碳”、“湿润化加剧土壤侵蚀”等地表过程紧密相关。此外，欧亚和北美区域呈现明显差异，欧亚北极升温速率为北美北极的两倍，而降水增幅小于北美北极。相应地，北美北极河流颗粒有机碳浓度升高主要归因于气候湿润化，欧亚北极则以气候变暖驱动为主。研究进一步证实，冻土活动层厚度加深与颗粒有机碳浓度变化显著相关，其中零星非连续冻土变化最为剧烈，凸显了脆弱冻土在调控河流有机碳输移过程中的关键作用，值得后续深入研究。

图3 泛北极河流颗粒有机碳变化的影响因素分析（A）-（B）颗粒有机碳对温度和降雨的气候敏感性分析；（C）-（D）科雷马河与诺塔韦河年平均颗粒有机碳浓度、降水量、气温的时间序列及相关性；（E）-（F）冻土活动层厚度的变化及其对河流颗粒有机碳浓度变化的影响

该成果是团队继2025年在《自然·可持续发展》发表封面文章《Changes in global fluvial sediment concentrations and fluxes between 1985 and 2020》之后，在全球河流遥感研究领域的又一重要突破。冯炼、田礼乔课题组长期聚焦流域-全球尺度水环境遥感数据处理、算法研发、装备研制及监测预警应用。

该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、测绘遥感信息工程全国重点实验室自主课题（重点攻关类）等项目的支持。研究与英国、美国等国科学家团队合作，并获得了武汉大学李德仁院士的指导。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady6314
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