近日，《科学进展》（Science Advances）在线发表武汉大学测绘遥感信息工程全国重点实验室教授冯炼、田礼乔课题组关于泛北极河流颗粒有机碳浓度和通量的遥感研究成果。论文题为“Mapping pan-Arctic riverine particulate organic carbon from space (1985 to 2022)”（《1985-2022年泛北极河流颗粒有机碳的遥感制图》），孙相晗博士、田礼乔教授为共同第一作者，冯炼教授为通讯作者。
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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