在高度风化的氧化土中，持续的矿物学和地球化学特征是否反映了玄武岩岩型的变化？

《CATENA》：Do persistent mineralogical and geochemical signatures in highly weathered Oxisols reflect variations in basaltic lithotypes?

北极 Yukon 和 Mackenzie 河流 basin 的 4726 个湖泊面积变化表明，气候变暖和冻土融化是主要驱动因素，平均面积年减少率分别为 ?0.20 ha/yr 和 ?0.14 ha/yr。湖岸线长度、面积、形状复杂性和深度等几何特征显著调节了面积变化响应，其中岸线长度的影响最为突出（贡献率 8.34%）。机器学习模型显示，秋温升高（ΔAutTem）和冻土活动层增厚（ΔALT）对面积变化影响显著，大湖面积变化幅度是小型湖泊的 28 倍。

　　北极湖泊面积的变化是区域水文平衡和永久冻土稳定性的关键指标。尽管以往的研究已经记录了在变暖和永久冻土融化背景下湖泊普遍萎缩或消失的现象，但目前尚不清楚湖泊的几何特征（如湖岸线长度、面积、形状复杂性和深度）是否会影响湖泊对这些驱动因素的响应。本研究利用2000年至2020年的Landsat数据，分析了育空河和马更些河流域超过4000个湖泊的面积动态，并采用提升回归树（Boosted Regression Trees, BRT）方法量化了气候变化和永久冻土融化对观测到的趋势的贡献，评估了湖泊几何特征的调节作用。研究结果表明，尽管一些湖泊面积扩大，但个体湖泊的平均趋势表现为面积减少，其中马更些河流域的平均减少速率为-0.20公顷/年，育空河流域为-0.14公顷/年。湖泊面积的减少主要由气候变化和永久冻土融化驱动，但湖泊的几何特征在这一过程中起到调节作用，具有更长湖岸线或更大面积的湖泊对永久冻土融化表现出更显著的响应。这些发现强调了湖泊几何特征在调节湖泊面积变化对气候变化和永久冻土融化响应中的作用，表明在预测北极永久冻土融化背景下湖泊演变时，必须考虑湖泊的几何特征。

北极湖泊不仅是重要的淡水资源，还为北极生态系统提供关键的栖息地，其形成、发展和萎缩会对区域的水文、生态和社会产生一系列影响。例如，湖泊的变化会影响淡水供应、水生生物的生产力以及洪水的发生。此外，湖泊的变化与永久冻土区域碳通量的转变密切相关。随着永久冻土的融化，湖泊作为碳排放的重要热点，其作用主要源于垂直和水平方向上的冻土消融。然而，湖泊的排水或干涸会改变碳平衡，因为暴露在空气中的沉积物随后会被植被覆盖，从而增强区域的碳汇能力。因此，理解湖泊面积变化及其机制对于把握北极生态系统的稳定性以及评估永久冻土区域的碳通量动态至关重要。

在北极永久冻土区域，气候变化和永久冻土融化是导致湖泊面积变化的两个主要驱动因素。这些变化不仅影响湖泊的水文预算，还通过改变湖泊与地下水和周围陆地之间的水文连通性，进而改变湖泊的水交换过程。近年来，对湖泊面积变化的研究表明，湖泊的变化趋势与气候变量密切相关，包括年降水量、年蒸发量、季节性温度和降水等。然而，对于不同几何特征的湖泊是否会影响其对气候变化和永久冻土融化的响应，目前尚未有明确的结论。

育空河和马更些河流域是北美最大的两个北极流域，覆盖面积达259万平方公里，区域内分布着多种类型的永久冻土和广泛的湖泊与湿地。近年来，该地区经历了快速的气候变化和永久冻土融化，表现出对不同变暖情景下永久冻土退化更高的敏感性。因此，这两个流域成为研究湖泊面积变化响应的理想区域。本研究旨在揭示湖泊几何特征在调节湖泊面积变化响应中的作用，为当前关于变暖增强了陆地-水体水文连通性的假设提供实证依据，同时也为预测北极永久冻土融化背景下的湖泊演变提供新的见解。

本研究的数据来源包括全球湖泊面积、气候和人口数据集（GLCP）和全球地表水体数据集（GSW）。GLCP数据集提供了湖泊边界、1995年至2015年的年度湖泊面积以及湖泊多边形的各种属性，如湖泊面积、湖岸线长度、平均深度和湖泊形状指数（LSI）。GSW数据集则提供了年度湖泊面积的动态变化。为了确保数据的一致性，研究中对每个湖泊的GSW年度面积与GLCP基线面积进行了对比，删除了差异超过10%的湖泊以保证数据的可靠性。最终，本研究共纳入了4726个湖泊，其中马更些河流域有4256个湖泊，育空河流域有470个湖泊。

在气候数据方面，研究使用了年降水量、年温度和年蒸发量来探讨气候变化对湖泊面积变化的影响。年蒸发量数据来自全球陆地蒸发模型（Global Land Evaporation Amsterdam Model, GLEAM）的第三版，具有25公里×25公里的空间分辨率。考虑到季节性温度和降水对永久冻土融化的影响不同，以及湖泊面积的季节性变化，研究还纳入了季节性温度和降水数据。这些数据来源于高分辨率地球陆地表面气候数据集（CHELSA），具有30弧秒（约1公里）的空间分辨率。通过计算季节性和年度性的降水和温度变化，研究进一步分析了这些因素对湖泊面积变化的贡献。

在永久冻土数据方面，研究使用了来自国家雪与冰数据中心（NSIDC）的永久冻土分布数据以及欧洲航天局（ESA）提供的活动层厚度（ALT）数据。ALT数据通过一个瞬态永久冻土模型模拟得出，该模型使用了每日地表温度（LST）、8天雪数据和土地覆盖数据作为主要输入，提供了每年1公里×1公里的永久冻土最大融化深度信息。根据永久冻土的分布范围和地下冰含量，研究将永久冻土分为两种类型：连续永久冻土和非连续永久冻土。研究期间，两个流域中几乎所有的湖泊都表现出活动层厚度的增加趋势，这一现象与更广泛的区域变暖趋势一致。

通过BRT模型分析，研究发现气候变量是湖泊面积变化的主要驱动因素，共同解释了两个流域湖泊面积变化的64.09%。其中，夏季降水量、秋季温度、秋季降水量和春季温度是最重要的气候因素。值得注意的是，ΔALT（活动层厚度变化）作为最重要的预测变量，解释了湖泊面积变化的9.33%。这一结果突显了永久冻土融化在调节这些北极流域湖泊动态中的关键作用。此外，湖泊的几何特征也对湖泊面积变化起到了一定的调节作用，解释了26.58%的变化趋势。在这四个几何变量中，湖岸线长度（SL）的贡献最大，其次是湖泊面积（LA）、湖泊形状指数（LSI）和湖泊深度（DH）。

研究进一步分析了不同湖泊几何特征对湖泊面积变化响应的影响。根据皮尔逊相关性分析，湖岸线长度（SL）与ΔLA（湖泊面积变化）之间表现出显著的负相关（r = -0.74, p < 0.001），而湖泊面积（LA）与ΔLA之间的相关性较低（r = -0.32, p < 0.001）。这表明湖泊的形态特征，特别是湖岸线的延伸和复杂性，在调节湖泊面积变化方面比单纯的湖泊面积更具影响力。这一模式在小型和大型湖泊中均保持一致，进一步强调了地形因素在湖泊动态中的广泛作用。

研究还探讨了不同永久冻土类型对湖泊面积变化趋势的影响。通过分析协方差（ANCOVA）和Tukey的HSD检验，研究发现湖泊面积变化趋势在不同永久冻土区域存在显著差异。尽管低冰含量的永久冻土区域和非连续永久冻土区域表现出较强的湖泊萎缩率，但这些区域也显示出更大的变化波动。这种波动可能源于较差的热稳定性以及较高的ALT变化速率，使得这些区域更容易受到特定融化过程的影响。在研究区域中，以湿地为主的非连续永久冻土景观中，永久冻土通常以森林覆盖的泥炭高原形式存在。在这里，融化表现为渐进的塌陷和向湿地的转化，这一过程通过“沼泽捕获”和活动层的发展增强了水文连通性，同时促进了地下排水（导致湖泊萎缩）和水路径的新变化。

此外，研究指出，湖岸线长度和形状复杂性对湖泊面积变化的响应更为显著，这为未来研究湖泊面积变化提供了新的视角。较长的湖岸线不仅扩大了与周围永久冻土的接触面积，还放大了两种关键的永久冻土驱动湖泊变化的机制：一是增加了活动层发展的界面和湖泊与周围地形之间的水文连通性，从而促进地下水介导的排水或补给；二是增强了对退化性融化滑坡和湖岸侵蚀的暴露，特别是在富含冰的沉积物区域。如果滑坡发生在湖泊边缘并邻近较低的地形，可能会破坏湖泊边界并形成新的排水口。这些扰动反过来可能引入大量融水，或通过破坏湖泊边界创造排水通道，从而对湖泊面积变化产生重要影响。

尽管本研究提供了关于湖泊面积变化的重要见解，但仍存在一定的不确定性和局限性。这些不确定性主要源于所使用的湖泊数据。为了揭示几何特征对湖泊面积趋势的影响，研究采用了GLCP数据集来确定湖泊边界。在计算每年的湖泊面积时，主要依赖于GSW数据集提供的湖泊表面水体面积，并以湖泊周围90米的缓冲区进行分析。然而，使用固定的90米缓冲区可能导致对湖泊面积显著增加的湖泊的低估。虽然根据GLCP的评估，这种统计方法被认为是可接受的，但在解释湖泊面积增加趋势时仍需谨慎。此外，湖泊的几何特征和年度湖泊面积数据分别来自GLCP和GSW，这两个数据源之间的差异可能影响分析结果。为了减少这种影响，研究计算了2000年至2013年间GSW数据集的平均湖泊面积，并将其与GLCP数据集的湖泊面积进行了对比。差异超过10%的湖泊被排除在分析之外，以降低不同数据源对湖泊几何特征和面积的影响。此外，本研究中使用的湖泊深度值是基于地形预测模型得出的估计值，而非实地测量的水深数据。这可能无法完全反映受永久冻土影响的湖泊复杂且异质的水深特征，例如深的热融坑、浅的湖岸带和局部的下沉裂缝。因此，尽管湖岸线长度在模型中显示出比深度更强的预测能力，但应谨慎解释深度相对较低的重要性，这可能部分源于深度估计的不确定性和偏差，而非其在水文过程中的实际重要性。未来的工作可以整合直接的水深测量、区域校准的深度模型或高分辨率水下地形数据，以更可靠地揭示湖泊深度在永久冻土景观中的功能作用。

本研究还指出，尽管气候变化和永久冻土融化是湖泊面积变化的主要驱动因素，但其他因素同样重要。例如，流域径流在永久冻土景观中起着关键作用，特别是在季节性主导湖泊入流的情况下。具有更大流域面积与湖泊面积比值（WA/LA）的湖泊会接收到更多的径流，从而缓解蒸发的影响。此外，由融化引起的入渗-径流分配变化进一步调节了这些动态。湖泊类型（如过渡湖泊或封闭湖泊）和局部地质条件也是重要的决定因素。特别是在永久冻土区的南部边缘，与其他水源（如泥炭地或地下水系统）的水文连通性可能对湖泊水文平衡具有同等甚至更重要的作用。本研究结果显示，低冰含量的永久冻土区域以及非连续和间歇性永久冻土区域的湖泊面积变化趋势表现出更高的变异性，支持了这些景观中湖泊变化机制更为复杂的观点。因此，根据湖泊的水文连通性对湖泊进行分类可能为理解其对变化的敏感性提供更细致的视角。此外，本研究专注于持久性水体，没有量化因热融过程、侧向排水或退化性融化滑坡活动而完全干涸的湖泊，尽管已有越来越多的证据表明这些事件是快速景观重组的主要途径。因此，这些方面仍然是未来研究永久冻土-湖泊相互作用及其水文影响的重要目标。

综上所述，本研究强调了湖泊几何特征在调节湖泊面积变化响应中的重要性，特别是湖岸线长度。这一发现表明，在预测北极永久冻土融化背景下湖泊演变时，必须考虑湖泊的几何特征。研究结果不仅揭示了湖泊面积变化的驱动因素，还为理解湖泊对气候变化和永久冻土融化的响应机制提供了新的视角。这些发现对于评估北极湖泊的未来变化趋势及其对区域生态系统和碳循环的影响具有重要意义。