低北极地区溪流氮动态与陆地植被覆盖的关联机制及其生态意义

本研究针对北极快速气候变化背景下植被扩张对氮循环的影响，通过分析格陵兰Kobbefjord地区不同植被覆盖流域的NDVI（归一化植被指数）与溪流溶解无机氮（DIN）和有机氮（DON）浓度的关系，揭示了NDVI与硝酸盐（NO3?）的显著负相关性，表明北极绿化可能减少陆地至水生系统的氮输出，为预测气候变化下北极沿海生态系统营养通量提供了关键依据。

　　

北极地区正经历着全球最显著的气候变化，其变暖速率高达全球平均水平的3-4倍，这种现象被称为“北极放大效应”。随着冰川退缩和永久冻土融化，北极景观发生深刻转变，植被覆盖度增加（即“北极绿化”）显著改变了营养物质的生物地球化学循环。然而，植被扩张如何影响陆地至水生生态系统的氮（N）输送，尤其是对低北极地区溪流氮动态的作用机制仍不明确。这一科学问题的解答，对于理解北极沿海生态系统生产力变化及碳氮耦合过程至关重要。

针对这一空白，来自奥胡斯大学的研究团队在格陵兰西部Kobbefjord低北极地区，选取三个植被覆盖梯度差异明显的流域（低、中、高NDVI），通过2023年夏季每周采样，结合Sentinel-2遥感数据获取NDVI，系统分析了溪流水化学参数与植被覆盖的关联。研究发现发表于《Arctic Science》，首次在低北极区域验证了NDVI与溪流NO₃^?浓度的负相关关系，揭示了降水驱动与植被调控对氮输出的交互作用。

研究采用多学科交叉方法：1）基于Sentinel-2遥感影像计算NDVI，量化流域植被覆盖；2）每周采集溪流水样，通过流动注射分析仪（Lachat QC-8500）测定NO₃^?、NH₄⁺和总溶解氮（TDN），并推算DON；3）利用30年水文监测数据建立出口站点（Kobbefjord河）的流量-水位关系曲线；4）采用非参数统计方法（Scheirer-Ray-Hare检验）分析时空差异。

主要结果

1. 植被覆盖时空特征：高NDVI流域的NDVI中位数（0.53）显著高于中（0.44）和低（0.25）覆盖流域，且所有流域NDVI在7月下旬达到峰值后逐渐下降，其中高NDVI流域衰退速率更慢。

2. 氮浓度动态：

   • NO₃^?：浓度范围0.5-15.2 μg/L，与NDVI呈显著负相关（p<0.001），高NDVI流域浓度最低（均值2.1 μg/L），支持“植被氮截留”假说。
   • NH₄⁺：整体均值11.2 μg/L，8月下旬出现峰值（最高44 μg/L），反映植被凋落物矿化释放，但与NDVI无显著关联。
   • DON：浓度随NDVI升高呈上升趋势（低至高端差39.5→58.7 μg/L），但统计不显著，可能与原位生产过程干扰有关。

3. 氮通量驱动机制：出口站点日通量显示，所有氮形态在7月中旬强降水事件中达到峰值（DON最高10.5 kg/day），回归分析证实NH₄⁺、DON和TDN通量主要受流量驱动（p<0.05），NDVI无显著影响。

讨论与意义
该研究首次在低北极区域验证了高北极已发现的NDVI-NO₃^?负相关规律，表明植被通过增强氮吸收抑制硝酸盐输出的机制具有跨北极带的普适性。值得注意的是，尽管绿化会降低溪流DIN浓度，但未来北极降水增加可能通过提升水文输送效率抵消这种效应，导致净氮通量变化的不确定性。这一发现挑战了阿拉斯加研究中“升温促进矿化增加氮输出”的假说，揭示了北极不同区域氮循环响应的异质性。

生态意义上，北极河流输送了全球11%的淡水入海量，其氮通量变化直接影响沿海初级生产（支撑28-51%的北极海洋净初级生产力）。本研究强调，需将植被覆盖与水文过程耦合建模，才能准确预测气候变化下北极“绿化-降水”双因子对海岸带营养输入的净效应。此外，针对占北极河流数量99%的小流域（如本研究）的持续监测，可纠正当前基于五大河数据的估算偏差，为北极碳氮耦合模型提供更精确的参数化方案。