The Innovation | 卫星长期观测揭示全球湖泊“水下森林”快速退化

往昔,于长江中下游诸湖,亲见生态失衡之殇,遂明沉水植被乃湖泊生态稳定之基。然全球变暖、人类活动频仍,全球湖泊变化成谜。吾辈乃以卫星遥感之技为笔,绘近四十年湖泊水生植被群落时空图,惊见沉水植被衰颓,危及生态根基,此景亟待关注!


导 读

曾经,我漫步于长江中下游的湖泊之畔,亲眼目睹那曾经生机勃勃的湖泊逐渐失去往日的光彩,生态失衡的景象深深刺痛了我。我深知,那神秘的 “水下森林”—— 沉水植被,是湖泊生态的关键守护者。在全球气候变化和人类活动的双重胁迫下,全球湖泊正经历着怎样的命运?带着这份忧虑与探索的渴望,凭借卫星遥感的神奇力量,我们开启了一场穿越近四十年时光的湖泊探秘之旅。当结果呈现,沉水植被的快速退化令人揪心,这无疑是对湖泊生态健康的沉重打击,一场关乎地球湖泊未来的挑战已摆在眼前,亟待我们共同关注与应对。


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图1 全球湖泊沉水植被衰退,湖泊生态系统由草型清水态转向藻型浊水态


本研究构建了一套全球湖泊水生植被群落卫星遥感监测方法,基于1989-2021年的140万景Landsat卫星影像,重构了近40年全球5587个浅水湖泊水上植被(浮叶/挺水植被:FEAV)和水下植被(沉水植被:SAV)时空分布数据集。

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图2 1989—2021年全球湖泊水生植被覆盖度空间格局。(A)水生植被分布及各大洲平均覆盖度;(B)水上的浮叶/挺水植被(FEAV)覆盖度分布;(C)沉水植被(SAV)覆盖度分布


1989-2021年,全球湖泊水生植被平均覆盖面积为108,186 km2,占全球湖泊面积的28.9%(浮叶/挺水植被:15.8%和沉水植被:13.1%)(图2)。全球95%的水生植被分布在北半球,其中北美洲占比最高为58%,其次为亚洲(19%)和欧洲(18%)。
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图3 1989—2021年全球湖泊水生植被覆盖度长期演变模式。(A)全球湖泊FEAV不同变化模式空间分布;(B)全球湖泊SAV不同变化模式的空间分布;(C-N)全球及各大洲不同植被群落覆盖度变化趋势


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图4 2000—2021年SAV呈现减少趋势的湖泊空间分布与不同水生植被群落长期变化趋势。(A)SAV呈现减少趋势的湖泊空间分布;(B)2000年以来全球水生植被及其群落覆盖度变化趋势;(C-F)全球湖泊SAV与FEAV呈现显著变化的湖泊数量及其覆盖度标准化后的总变化模式


1990年以来,全球湖泊沉水植被(SAV)呈现先增后减趋势,浮叶/挺水植被(FEAV)的变化为先减后增,2000年左右为关键转折点(图3);2000年以来,全球湖泊SAV快速退化,减少了30.4%;而FEAV缓慢增加,增加了15.6%(图4)。
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图5 1989—2021年全球湖泊的稳态转换指数变化特征及主要驱动因子。(A)稳态转换指数的变化模式空间分布;(B-E)全球及各大洲稳态转换指数的长时序变化;(F-I)全球及各大洲主要驱动因子的变化趋势


本研究创新地提出湖泊稳态转换指数In(FEAV/SAV),发现2000年左右是全球湖泊稳态转换关键时期:2000年后,SAV的优势度下降,而FEAV的优势度增加,尤其2010年后,这一趋势更为显著(图5)。这表明湖泊生态系统正朝向以浮叶植被主导的阴影态与藻类主导的浊水态转换。在2010年前,人类活动导致的富营养化加剧是稳态转换的主导因素;2010年后,全球变暖成为湖泊生态变化的主导因素。


总结与展望

本研究基于1989-2021年的140万景Landsat卫星影像,首次构建了全球5587个浅水湖泊的水生植被数据集。研究发现,2000年以来,SAV快速退化,而FEAV缓慢增加,结合全球藻华加剧的背景,表明全球湖泊正面临向浮叶植被主导的阴影态与藻类主导的浊水态转换风险。近10年来,虽然人类活动导致的湖泊富营养化速度有所减缓,但气候变暖仍致使SAV减少和FEAV增加。未来,随着全球气候持续变暖,全球湖泊仍将面临严峻的生态退化风险。因此,应该采取合理有效的应对策略来保护湖泊生态可持续发展。


责任编辑


徐南  深圳大学

刘宁  香港城市大学


本文内容来自Cell Press 合作期刊 The Innovation 第六卷第三期发表的Article文章“Global trends and regime state shifts of lacustrine aquatic vegetation” (投稿: 2024-04-17;接收: 2024-12-30;在线刊出: 2025-01-02)。


DOI:10.1016/j.xinn.2024.100784


引用格式:Luo J., Duan H., Xu Y., et al. (2025). Global trends and regime state shifts of lacustrine aquatic vegetation. The Innovation 6: 100784.


作者简介

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罗菊花   中国科学院南京地理与湖泊研究所研究员,兼任国际数字地球学会中国国家委员会数字湿地专委会副秘书长,入选南京市中青年拔尖人才。长期从事湖泊/流域湿地生态遥感,在The Innovation、Remote Sensing of Environment、 IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing等高质量期刊发表第一/通讯作者SCI论文30余篇,授权发明专利8项,参编专著和图集等3部,获批地方标准2项;主持国家自然科学基金等项目20余项,研究成果连续两年入选《地球大数据支撑的可持续发展目标报告》;荣获地理信息科技进步一等奖、中国水产科学研究院科学技术一等奖、天津市水务科学技术进步二等奖、青年遥感与地理信息科技创新奖等奖项。

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段洪涛   中国科学院南京地理与湖泊所研究员、遥感与地理信息科学研究室主任;兼任青年地学论坛副理事长、湖泊国家工程实验室副主任和西北大学特聘教授等职务。主要从事湖泊遥感与数字流域研究,主持国家杰出青年科学基金等国家级项目10余项,以第一/通讯作者在The Innovation、Nature Communications、Science Bulletin、Remote Sensing of Environment等期刊发表SCI论文80余篇,曾荣获教育部青年长江学者、全国青年地理科技奖、中国科学院青促会优秀会员、中国科学院院长特别奖等荣誉。研究成果广泛应用到太湖、巢湖、滇池等全国重点湖库,并入选外交部和科技部重要报告2份,获省部级科学技术一等奖3项,二等奖1项。

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张运林   中国科学院南京地理与湖泊所研究员、副所长,湖泊与流域水安全全国重点实验室主任。长期从事物理湖泊学与水色遥感应用研究,原创高光谱近感技术和仪器产品,主持完成水体污染控制与治理科技重大专项和国家杰出青年科学基金等国家级项目10余项,近5年在The Innovation、PNAS、Nature Climate Change和Nature Communications等期刊发表SCI论文50余篇,连续3年入选爱思唯尔中国高被引学者;曾获江苏省科学技术奖一等奖、江苏省青年科技杰出贡献奖和中国科学院青年科学家奖等奖励荣誉。研究成果广泛应用于全国湖泊水生态环境监测、模拟和预测预警。


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期刊简介


The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊:向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现,鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球59个国家;已被151个国家作者引用;每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员,来自22个国家;50%编委来自海外(含39位各国院士);领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ,ADS,Scopus,PubMed,ESCI,INSPEC,EI,中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2,2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章,多宣传”理念,The Innovation在海内外各平台推广作者文章。


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