环北极多年冻土区热喀斯特扰动对气候变化的响应机制（1990-2023）

本研究通过Landsat影像计算NDVI、NDMI等6种光谱指数，结合LandTrendr算法量化了1990-2023年环北极多年冻土区热喀斯特景观时空特征，揭示其与气候变暖的关联性。研究发现三类热喀斯特扰动（RTSs、热喀斯特湖扩张与排水）均与2000年夏季温度突变点显著相关，并证实后续景观发育呈现植被绿化（greening）和土壤湿润（wetting）趋势，为理解气候变化下冻土退化机制提供了半球尺度证据。

　　

北极地区被称为地球的"气候放大器"，这里的多年冻土（permafrost）储存着全球近1.5万亿吨有机碳，其稳定性直接影响全球气候系统。随着近30年北极升温速率达全球平均的3倍（Arctic amplification），冰缘区地表热喀斯特（thermokarst）扰动——包括倒退性热融滑塌（RTSs）、热喀斯特湖扩张和排水事件——已成为冻土退化的直接指示器。这些过程不仅改变局地地貌水文，更通过释放温室气体形成正反馈循环。然而，现有研究多局限于区域尺度，缺乏对半球尺度热喀斯特动态的系统监测，且对扰动后的景观演化规律认识不足。

西北大学刘亚团队在《Geoscience Frontiers》发表的研究，首次整合1990-2023年Landsat全时序影像（TM/ETM+/OLI传感器），通过Google Earth Engine（GEE）平台调用LandTrendr（LT）算法，对环北极15×10⁶ km²冻土区的三类热喀斯特扰动开展定量分析。研究创新性地组合NDVI（归一化植被指数）、NDMI（归一化水分指数）等6种光谱指标表征绿度（greenness）、湿度（wetness）和亮度（brightness），并采用Theil-Sen趋势分析和偏相关分析揭示气候-景观耦合机制。

关键技术方法

1. 1.

   数据采集：筛选1990-2023年夏季（6-8月）Landsat地表反射率数据，云量<70%，空间分辨率30 m

2. 2.

   光谱指数计算：包括NDVI=(ρ_NIR-ρ_R)/(ρ_NIR+ρ_R)等6个指数

3. 3.

   LandTrendr参数优化：设置maxSegments=6、pvalThreshold=0.05等关键参数

4. 4.

   气候数据：ERA5-land再分析数据（11 km分辨率）提取夏季温度/降水

5. 5.

   统计验证：Welch t检验（P<0.05）和偏相关分析（控制降水变量）

主要研究结果

3.1 气候变暖的扰动节点

Theil-Sen趋势显示1990-2023年夏季温度以0.06±0.03°C/年速率上升，2000年出现显著突变点（P<0.05）。降水在2009年后增速达0.67 mm/年，但空间异质性明显。三类热喀斯特扰动集中发生于2000年，与温度突变高度同步。

3.2 热喀斯特景观动态特征

NDVI（0.004±0.035）和TCG（0.0006±0.0024）斜率证实冻土区整体绿化趋势，但热喀斯特湖扩张区NDWI显著上升（水体检出率+73.9%）。RTSs区NDMI斜率增加反映土壤湿润化，而排水事件导致NDVI回升（植被恢复）与NDWI下降（水域缩减）。

3.3 气候变暖的差异化影响

偏相关分析显示：

• •

  RTSs：NDVI与温度偏相关系数+0.52（P<0.05），显示植被恢复主导

• •

  热喀斯特湖：NDWI与温度负相关（r=-0.48），反映扩张后排水风险

• •

  排水区：NDMI增加+29%，表明有机质矿化加速

3.4 LandTrendr验证

LT算法检测到：

• •

  RTSs：2000年（主峰）和2018年（次峰）双扰动模式

• •

  热喀斯特湖扩张：2000-2003年持续信号（幅度>15%）

• •

  排水事件：2000年单峰分布（变化幅度最大达300%）

结论与意义

该研究揭示环北极冻土区热喀斯特扰动存在"温度触发-水分调控-植被反馈"的三阶段演化规律：

1. 1.

   气候驱动：2000年夏季温度突变直接引发半球尺度扰动，较降水影响更显著

2. 2.

   景观分异：RTSs通过NDMI上升（+0.15）指示土壤湿润化；热喀斯特湖经历"扩张-排水"转型，NDWI降低25%

3. 3.

   碳循环影响：绿化（NDVI↑）与湿润（NDMI↑）趋势可能加速冻土碳释放，需关注正反馈效应

这项研究为预测冻土退化提供了关键时空基准，其建立的GEE-LandTrendr技术框架，未来可整合Sentinel-2和SAR数据，实现热喀斯特灾害早期预警。作者团队特别指出，2018年后RTSs的二次暴发与极端升温事件吻合，预示未来气候变率增大可能加剧冻土景观不稳定性。