冰下排水系统演化与冰川湖溃决对北极峡湾大量营养元素动态的影响

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：The Impact of Subglacial Drainage System Evolution and Glacier Lake Outburst on Arctic Fjord Macronutrient Dynamics

　　

全球变暖在北极地区被放大，加速了冰川融化和淡水径流。在潮水冰川处，径流通常以深层形式进入峡湾，并产生浮力驱动的环流，增强冰川与海洋之间的能量和物质交换，影响大量营养元素输送和海洋初级生产力。然而，大多数研究缺乏足够的时间分辨率来捕捉低频、高幅值事件，因此对其影响了解甚少。本研究将冰川观测与高频峡湾及冰川湖采样相结合，考察了2021年从Setevatnet湖进入Kongsfjorden（斯瓦尔巴群岛）的冰川湖溃决洪水（GLOF）。研究人员展示了GLOF前后冰下条件的演变如何通过直接径流和底层水卷吸共同塑造内峡湾的大量营养元素供应。在夏季早期，营养元素输送以直接径流为主，通过低效排水系统供给硝酸盐（NO₃^?）和硅酸盐。随着融化加剧，高效排水系统形成，产生冰下羽流并启动浮力驱动环流，卷吸富含营养元素的深层水。尽管湖泊中NO₃^?浓度很高，但洪水对峡湾NO₃^?水平影响甚微；相反，它导致了亚硝酸盐（NO₂^?）的季节性最大值。与保守混合估计及氮收支分析的比较揭示了一个非保守的营养元素信号。尽管不能排除沉积物来源，但NO₂^?异常的时间与空间分布暗示了洪水在冰下运移过程中发生了改造。这些发现表明，Kongsfjorden在夏季充当氮汇，其部分特征由冰下转化过程塑造。总体而言，潮水冰川的营养元素输送不仅取决于径流量，还取决于冰下排水系统的特征，该特征在GLOF等高幅值事件中会演化。

**论文解读文章**

**研究背景与现存问题**

北极地区正经历着前所未有的气候变暖，斯瓦尔巴群岛的升温速率是北极平均的2至2.5倍，全球平均的5至7倍。这一趋势导致冰川加速退化和减薄，大量淡水及冰川沉积物排入峡湾，改变水体的物理化学性质、环流格局，并引发海岸水体变暗。同时，更多融水和雨水储存在冰坝湖中，增加了突发排水事件（即冰川湖溃决洪水，GLOF）的发生概率。潮水冰川是海鸟和海洋哺乳动物的重要觅食区域，因为浮力驱动的冰下水流卷吸浮游动物至表层；同样的机制也能通过卷吸富含营养元素的底层水影响峡湾的生物地球化学循环与初级生产力。然而，现有研究多基于固定站位的长期监测或局限于融季短时段，难以捕捉低频、高幅值的冰川排水事件（如GLOF）及其对峡湾水文和生物地球化学的瞬时但关键的影响。目前尚缺乏定量研究揭示GLOF事件对峡湾大量营养元素水平的实际影响。

**研究目的与意义**

本研究旨在调查冰下排水系统演化（最终以一次明确的GLOF事件为高潮）对Kongsfjorden（斯瓦尔巴群岛）这一研究充分的峡湾生态系统中大量营养元素动态的影响。通过收集2021年6月至8月（2.5个月）的环境数据，研究团队建立了冰川动态、冰下水文学与营养元素动态之间的关联。该研究首次定量揭示了冰下排水系统演化及GLOF对峡湾营养元素供应和转化过程的调控，具有重要的科学意义，尤其为预测未来冰川融化情景下北极沿海生态系统响应提供了关键依据。论文发表在《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》。

**主要关键技术与方法**

研究人员采用多学科交叉方法，结合地面观测（冰川、湖泊、峡湾）与遥感数据。关键方法包括：利用CryoGrid Community模型模拟冰川融水径流；通过压力传感器和定时摄影确定Setevatnet湖水位及排水过程；使用GNSS监测冰川表面运动速度；基于Pléiades立体卫星影像和无人机正射影像生成湖泊水位-体积关系曲线；在四个固定峡湾站位（K1-K4）进行CTD（温度、盐度、深度）剖面测量及水样采集（共172个海水样品和34个淡水样品）；使用离子色谱和自动分析仪测定营养元素浓度（NO₃^?、NO₂^?、PO₄^3?、Si(OH)₄）；开展大涡模拟（LES）和数值示踪剂释放实验，评估冰下径流与深层水卷吸的相对贡献。样本来源包括Setevatnet湖、冰川表面溪流、冰上渠道、冰下出水口以及峡湾各站位。

**研究结果**

**3.1 冰下水文系统、湖泊排水及融水羽流的动态**
通过模拟冰川径流、GNSS速度及卫星图像分析，研究人员发现：2021年融水径流始于6月底，7月16日达到峰值；冰川表面速度在7月18日达到最大值（约0.35 m·d^?1），随后下降；Setevatnet湖在7月23日19:00开始排水，持续77小时，平均排水量26 m³·s^?1，总容积约7.17×10⁶ m³。卫星影像显示，6月28日首次出现分散羽流，7月16日形成清晰羽流，7月22日羽流面积最大，GLOF期间羽流面积反而缩减至约三分之一。

**3.2 水化学特征**
淡水样品分析表明：冰下水中硝酸盐（NO₃^?）浓度最高（8.9 μM），其次为湖泊水（平均5.4 μM）、地表溪流（4.2 μM）、冰上渠道（3.8 μM）、雪样（2.3 μM）和冰样（2.1 μM）。湖泊中NO₃^?随时间呈增加趋势，排水前6天（7月17日）达最高值7.7 μM。硅酸盐（Si(OH)₄）在溪流中最高（平均5.5 μM），湖泊中次之（3.2 μM），冰和雪中最低（0.2 μM）。

**3.3 峡湾营养元素变化**
研究人员将数据分为五个阶段：Phase I（融雪期）、Phase II（低效排水系统）、Phase III（高效排水系统）、Phase IV（GLOF事件）、Phase V（完全发育的排水系统）。总体趋势：NO₃^?和PO₄^3?先快速下降，7月中旬后稳定在约1.0 μM和0.2 μM；Si(OH)₄逐渐从<1 μM增至约2 μM。GLOF期间，平均NO₃^?和PO₄^3?略有上升，但NO₂^?出现显著异常（从0.1 μM升至0.35 μM）。保守混合分析显示：GLOF期间NO₃^?浓度始终低于保守混合包络线，表明非保守性去除；NO₂^?则显著高于基线，呈正异常；Si(OH)₄大致符合保守混合。

**3.4 大涡模拟结果**
数值实验比较了GLOF期间（62 m³·s^?1）与GLOF前（36 m³·s^?1）两种排放情景。结果表明：径流量的倍增并未显著改变表层示踪剂浓度；冰下排放示踪剂在表层羽流中的浓度约为源浓度的20%，而深层水示踪剂仅达5%–6%，说明表面信号的来源更可能是冰下排放而非深层水卷吸。这支持了GLOF期间观测到的NO₂^?异常源于冰下作用的观点。

**3.5 营养元素通量与峡湾扰动**
GLOF期间，日硝酸盐通量从基线6.2 kmol N·d^?1增至18.4 kmol·d^?1，总氮负荷约59 kmol，相当于内峡湾表层（0–5 m）氮储量的约79%。但峡湾表层并未观测到相应NO₃^?增加，反而出现NO₂^?过量（约0.25 μM，对应约19 kmol）。研究人员估算，缺失的NO₃^?（约20–30 kmol）若经反硝化作用转化，按0.5%–1%的N₂O产率计算，可能在77小时内产生4–13 kg的N₂O气体。

**讨论与结论**

研究讨论指出，GLOF前（Phase II–III）冰下排水系统从低效向高效演化过程中，营养元素供应模式发生转变：早期为直接径流（雪包溶质释放），后期为高效排水系统驱动的羽流卷吸深层富营养水。GLOF期间，尽管湖泊NO₃^?浓度高，但洪水并未有效增加峡湾NO₃^?，反而产生NO₂^?异常。综合通量计算、数值模拟与气体样品观测（湖泊中N₂O微过饱和），研究人员认为最可能的机制是冰下反硝化作用：洪水在运移过程中，部分NO₃^?被反硝化细菌还原为NO₂^?和N₂O，导致营养盐施肥效应减弱，同时释放温室气体。这一发现表明Kongsfjorden充当夏季氮汇，其部分特征由冰下转化过程塑造。研究结论部分翻译如下：

**研究结论**
研究人员调查了高北极潮水冰川Kongsvegen（斯瓦尔巴群岛）的冰下排水系统变化对2021年夏季内Kongsfjorden营养元素动态的影响。研究从独特视角出发，整合了早夏排水系统演化关键阶段的观测，并创新性地结合了观测手段以捕捉冰坝湖Setevatnet的突发排水事件。研究表明，大量营养元素浓度对排水系统演化高度敏感，因为后者影响峡湾生态系统中直接和间接的限营养元素供应。在春季水华后期，直接冰川融水营养供应最为重要，此时高浓度NO₃^?可能通过低效、分散的排水系统输送。然而，在7月16日后高效渠道化排水网络形成时，峡湾底层水的营养供应可能变得最重要。高效排水系统的建立导致冰川前缘出现浑浊羽流，标志着浮力驱动环流开始卷吸富含营养元素的底层水并输送至透光层。此后，除硅酸盐外，直接冰川营养供应显著减弱。7月下旬发生的GLOF事件对内峡湾营养元素可用性影响甚微。观测到同时出现的NO₂^?升高，结合通量计算、示踪模拟及异常的时间分布，均与冰下反硝化作用一致——可能源于长滞留水团的置换或湖泊来源NO₃^?在缺氧冰床沉积物中的活跃处理——尽管不能完全排除峡湾底部沉积物再悬浮等替代来源。与预期相反，GLOF并未增强限营养元素（主要是NO₃^?）的供应。若冰下反硝化作用得到确认，该机制可能抑制了预期的施肥效应，同时贡献了瞬时的N₂O脉冲。这些结果展示了潮水冰川、其冰下过程与海洋生态系统之间的复杂相互作用。因此，潮水冰川在峡湾生态系统营养元素供应及其对生物生产影响中的作用需更仔细地研究，尤其应关注冰下水文学和生物地球化学。