《Arctic Science》：Temporal assessment of cumulative impacts from interacting disturbances of wildfires and lake-level changes on a small lake in the Western Canadian Arctic
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本综述通过多学科方法（遥感、水化学、古湖沼学）揭示了加拿大西部北极湖泊2B在野火（1968年）、突发性排水（2012年）和再蓄水（2017-2023年）等多重干扰下的生态轨迹。研究发现，尽管湖泊在排水再蓄水后营养状态从富营养化（eutrophication）恢复到贫营养化（re-oligotrophication），但中富营养硅藻（Cyclostephanos）仍持续主导群落，表现出生态滞后（hysteresis），表明早期干扰（野火）塑造了系统对后续干扰的响应路径，为理解北极气候变化下累积生态影响提供了独特案例。
摘要
研究分析了加拿大西北地区Tuktoyaktuk Coastlands一个名为2B的小型湖泊的长期生态系统变化。该湖泊具有多循环热融滑塌（polycyclic thaw slumping）历史，通常与该区域的贫营养、清水条件相关。1968年，一场野火影响了湖泊2B，根据沉积物岩心中中富营养硅藻Cyclostephanos的快速增加，推断导致了湖泊的富营养化（eutrophication）。2007年和2017年的水样分析证实了富营养条件。遥感数据分析显示，湖泊2B在2012年经历了灾难性排水（catastrophic drainage），很可能源于一次极端夏季降雨事件。野外采样证实湖泊在2017年至2023年间重新蓄水，此过程导致了再贫营养化（re-oligotrophication）。然而，亚化石硅藻组合显示Cyclostephanos仍然占主导地位。这与许多温带湖泊不同，后者通常能有效利用硅藻组合追踪从富营养化中的恢复。研究者提出该湖泊经历了滞后现象（hysteresis），即早期干扰（野火）影响了生态系统对后续干扰（湖泊排水和再蓄水）的响应。总体而言，湖泊2B为理解气候相关干扰的相互作用如何影响北极湖泊生态系统变化轨迹提供了一个有趣的案例研究，尽管尚不清楚其他湖泊是否会对过去的野火、湖泊排水和再蓄水做出类似响应。
1. 引言
北极地区经历了由全球气温快速升高驱动的深刻环境转变。人为气候变化的影响在高纬度环境中以多种方式显现，其中最突出的后果之一是近地表永久冻土（permafrost）的融化。永久冻土是指持续冻结两年或更长时间的地面，在调节全球气候系统和局地景观方面起着关键作用，显著塑造了北极的水文和地形。随着气候变化影响的加剧，常年冻结的地面变得越来越容易退化，其后果包括改变地形稳定性以及影响气候/温室气体反馈机制。
在由永久冻土融化驱动的干扰中，后退热融滑塌（retrogressive thaw slumps）是一个突出且被广泛研究的现象。这些动态的热喀斯特过程表现为块体运动特征，形成并演化，通常出现在冰-rich表层永久冻土区域的湖泊、河流和海岸线沿线。后退热融滑塌在加拿大北极地区有充分记录。热融滑塌的活动可能持续很长时间，通常在景观稳定之前保持活跃数年甚至数十年。稳定后，热融滑塌仍容易重新活化，这一过程在给定的时间跨度内可能发生多次，这种现象被称为多循环性（polycyclicity）。这种在稳定湖岸滑塌下方和邻近处永久冻土反复融化的过程诱发进一步增长，持续着景观的破坏循环。由于后退热融滑塌通常出现在北部景观中许多水生生态系统的相对高起伏的岸线上，它们可以显著影响受影响的湖泊，改变其水化学和透明度。这进而影响了水生生态系统多个营养级的生物学。
热喀斯特对北部水生生态系统影响的另一个潜在表现是湖泊排水过程，这通常是灾难性的。在这些事件中，热喀斯特湖泊可能由于在融化的永久冻土中形成的出口通道而部分或完全排水。这些通道可以通过相互连接的冰楔多边形网络转移水流，这些冰缘特征正在响应变暖的温度和增加的渗透。灾难性湖泊排水过程迅速展开，通常在24小时内发生。灾难性湖泊排水的驱动因素可能包括各种气候模式，例如增加的周期性降雨、积雪厚度和升高的地温。此外，靠近海岸、低洼地形以及潜在的人类影响等因素都可能影响湖泊发生灾难性排水的敏感性。湖泊排水代表了北部湖泊水位降低的一种机制，此外还有湖泊干涸，并且最近的分析在西北地区的几个不同生态区都观察到了水位降低的现象。随着快速湖泊排水事件变得越来越频繁，迫切需要更好地理解其生态影响。
本研究旨在通过探索灾难性湖泊排水对位于加拿大西部北极的一个湖泊的生态影响来解决这一知识空白，该湖泊具有已知的野火和多循环后退热融滑塌历史。我们的研究建立在可追溯到2004年的湖泊采样历史之上，以及先前在近期湖泊排水之前评估热融滑塌和野火影响的古湖沼学重建。因此，这项研究代表了一个独特的案例研究，记录了在多重热喀斯特和其他干扰历史背景下，灾难性排水后的湖泊生态变化。
2. 方法
2.1. 站点描述
湖泊2B位于Mackenzie三角洲高地，处于 boreal 森林和低灌木苔原的交界处，靠近Beaufort海海岸。Mackenzie三角洲以东的高地以冰川成因的表层地质和厚度超过100米的连续永久冻土为特征。平均地温范围在-4°C到-9°C之间，这非常适合永久冻结的地面。该地区经历了全球范围内最大的气温升高之一。这随后导致了永久冻土温度的升高以及热喀斯特活动强度和频率的增加。
湖泊2B是一个小型湖泊，最大深度约3.4米，流域面积15.9公顷。该湖泊受到1968年Inuvik野火的影响，可能烧毁了湖泊的大部分流域，并且有6%的流域受到后退热融滑塌的干扰，该滑塌最初在1850年之前的某个时间启动。自2004年首次采样以来，湖泊2B上的热融滑塌特征一直保持稳定，其特征是重新植被覆盖和较低的头部坡度。湖泊2B在过去约二十年中被采样数次。先前分析的沉积物岩心于2008年夏季采集，这是我们的研究团队在本研究之前最后一次访问该湖泊。2017年的野外观察发现湖泊在过去某个时间点部分排水；然而，当时从野外观察中无法得知关于排水时间和程度的更多细节。2023年的野外观察证实湖泊在间隔的6年内重新蓄水，截至2025年7月情况仍然如此。
2.2. 遥感方法
使用遥感图像评估湖泊2B，收集时间跨度约十年。选择使用哪个平台/传感器取决于具有最佳空间分辨率的传感器的开源图像可用性，可见光波段来自Sentinel-2平台。Sentinel数据具有高重访率，Sentinel 2A覆盖研究区域，而Sentinel 2B不覆盖。分析了2015年至2017年时间段的Sentinel 2A数据。对于较早的图像，使用了Landsat 8 OLI和Landsat 7 ETM+ Collection 2数据。观测期间的Landsat 7 ETM+数据包含扫描线错误，但鉴于湖泊表面积小，有许多未受扫描线校正器故障影响的湖泊2B图像可用。
基于野外观察，可以确定排水发生在2008年至2017年之间的某个时间。假设排水发生在夏季月份，即融雪季节，因此比较了6月初融雪季节开始时的图像和8月底夏季结束时的图像。这项工作从2017年开始，逐年回溯至2008年，使用最佳可用图像。
选择归一化差异水指数（NDWI）来评估湖泊排水，因为该指数能将水像元与背景陆地像元分离开。该指数允许评估湖泊2B的排水情况，因为NDWI值可用于推断地表水的减少，在这种情况下与部分湖泊排水以及土壤或新兴绿色植被的暴露有关。NDWI先前已被用于追踪北部地区排水后的植被变化。当使用Landsat 7的专题制图仪波段时，NDWI使用以下公式：NDWI = (TM2 - TM4)/(TM2 + TM4)。NDWI值范围从-1到+1，负值代表干燥表面，包括土壤、植被或建成区。接近0的值表示混合土地覆盖类型。正的NDWI值与高水分含量和开阔水域相关。
2.3. 气候数据
为了考虑湖泊2B排水发生的气候背景，从加拿大政府网站的历史数据中收集了气候数据，取自Inuvik气象站。该地区上个世纪持续的变暖趋势从先前的研究中已众所周知，因此，在本分析中，我们仅关注遥感数据表明湖泊排水那年的年度记录。
2.4. 湖沼学与古湖沼学采样与分析
在2005年、2017年、2023年和2025年的无冰季节，从湖泊2B多次采集了水化学变量。使用多参数仪探头收集现场测量值，并采集湖泊表面以下约30厘米处的抓取样本用于后续实验室分析。所有样本均在Yellowknife的Taiga环境实验室进行分析。样本在分析前的运输过程中保持低温。
湖泊2B的新沉积物岩心于2021年4月晚冬通过冰层在1.8米水深处使用UWITEC重力取样器获取。使用便携式挤出装置将岩心分段为0.5厘米间隔。未发表的野外样本是在西北地区科学研究许可证下采集的。
使用γ能谱法通过210Pb放射性同位素技术对选定的沉积物间隔进行定年，应用Appleby和Oldfield的恒定补给率模型，使用ScienTissiME软件程序构建年龄-深度模型。
使用标准方法制备沉积物样本用于硅藻分析。简而言之，使用过氧化氢通过湿法氧化分解样本，其中消化约0.5克湿沉积物。将样本瓶在约70°C的水浴中加热6-8小时以加速有机质去除。每天冲洗样本并使其沉降直至达到中性pH值。将硅藻浆通过一系列四次连续稀释铺在显微镜盖玻片上，并干燥过夜。然后将干燥的盖玻片使用高折射率的合成树脂Naphrax安装到显微镜载玻片上进行分析。使用Leica DM2500显微镜在1000倍放大倍数下使用微分干涉差光学系统识别和计数硅藻。对每个载玻片，使用参考指南识别至少300个硅藻瓣膜，并使用AlgaeBase确定当前分类学标识。使用R统计计算环境中的RiojaPlot包制备最常见硅藻类群的相对频率地层图，并按加权平均值排列。通过约束增量平方和聚类分析与折断棍模型比较来确定显著生物地层带的数量。
3. 结果
3.1. 遥感数据
LANDSAT 7被确定为本研究最佳的开源数据源，因为到最早的Sentinel-2A图像日期（2015年）时，湖泊已经排水，并且早于Landsat 8在2013年中期开始运行的日期。对可用图像的调查表明，在2012年期间发生了湖泊形状到表面积的变化，缩小了湖泊排水时间的搜索窗口。在此基础上细化排水日期，下载了从2012年6月13日到2012年8月9日的图像。最初，比较2012年6月13日和2012年8月9日的假彩色图像，显示湖泊2B在假彩色中比同一区域在2012年8月9日图像中的颜色深得多，表明发生了部分排水。我们推断湖泊在这两个图像之间的57天内部分排水。鉴于Landsat 7的重访周期约为16天，还有其他三幅图像可用，但在所有这些图像中，湖泊2B都被云层遮挡，无法使用Landsat 7数据进一步缩小排水日期。
NDWI的进一步分析突出了湖泊2B在2012年6月13日和2012年8月9日之间水域面积的变化。在2012年6月13日的较早图像中，NDWI值范围在-0.22到0.35之间，表明存在高水分含量和开阔水域的区域。在2012年8月9日的NDWI图像中，湖泊2B的区域较难界定，NDWI值范围从-0.30到0.19，表明被分类为高水分含量和开阔水域的面积较少。
3.2. 气候数据
历史气候数据显示，2012年夏季是一个特别炎热的夏季，比2007年至2017年十年期间的季节平均温度高2.9°C。2012年7月整体上比夏季其他月份更温暖（这是普遍趋势），平均温度为17.4°C。6月的平均温度为14.3°C，8月的平均温度为13.9°C，而与1991年至2020年的气候正常值相比，7月的平均温度为14.2°C。2012年7月整体上也是更湿润的月份，与2012年夏季其余时间和1991-2020记录相比。7月，日平均降水量为2.6毫米，而6月和8月，这两个月的平均降水量均为0.7毫米。日降水记录记录了2012年7月9日的一次重大降雨事件，在24小时内导致了26.7毫米的降雨。1991年至2020年记录中7月的平均降雨量为31.8毫米，意味着超过80%的月平均降水量在2012年7月9日一天内落下。这次单一事件的降水量超过了2012年6月和8月总降水量之和。
3.3. 水化学
湖泊2B在无冰季节被采样四次水化学，时间分别在2005年8月下旬，以及2017年、2023年和2025年7月上旬。所有样本采集均通过直升机抵达湖泊。在所有三个样本中，湖泊呈弱碱性到中性pH，相对电导率较高，范围从552到804 μS/cm，其中2017年7月的pH最高，电导率最低。溶解有机碳浓度和碱度在2023年7月最低，而总溶解固体是采样年份中最高的。主要阳离子和阴离子的浓度趋势随时间变化。镁、钾、钠和氯化物在2005年至2023年的样本中下降，然后在2025年增加，而钙和硫酸盐随时间在每个样本中增加。营养盐浓度在2017年、2023年和2025年采集的样本中进行了测量，但2005年未测，总氮在2017年测量为0.97 mg/L，2023年为0.51 mg/L，2025年为0.60 mg/L。总磷在2017年测量为0.060 mg/L，而2023年为0.008 mg/L，2025年为0.016 mg/L。
3.4. 沉积物岩心分析
2021年采集的22厘米长沉积物岩心覆盖了该湖泊最近几个世纪的历史，背景210Pb日期在9.0厘米处确定为约1930年。先前发表的2021年湖泊2B岩心的烧失量数据表明，沉积物有机质含量相对较低，从约15%到25%，除了表层间隔略高，约40%，沉积物组成的其余部分为硅质碎屑，碳酸盐含量很少或没有。从沉积物岩心所有分析间隔中总共记录了103个硅藻类群。从沉积岩心底部向上（到更近期），硅藻组合相对稳定，直到20世纪初，由小型Achnanthes sensu lato、Amphora inariensis、Cocconeis placentula var. euglypta、Lindavia bodanica和Staurosirella pinnata组成。中心浮游类群Cyclostephanos invisitatus和Cyclostephanos tholiformis首次出现在9.5-10厘米间隔。这些Cyclostephanos spp.以相对较低的丰度存在，直到7.0厘米。从这个间隔开始，Cyclostephanos持续快速增加，在其最大值时约占组合的80%相对丰度，根据CONISS聚类分析定义了两个显著的组合分组。Cyclostephanos的增加与L. bodanica、A. inariensis、A. minutissimum和S. pinnata的减少同时发生。这与先前在2008年采集的岩心上进行的基于硅藻的古湖沼学研究非常一致。
在岩心深度2.0-3.0厘米处，定年刚好在2010年之后，即在Thienpont等人先前采集初始岩心之后，Cyclostephanos spp.的相对丰度下降，同时A. minutissimum和Diatoma tenuis增加。这代表了沉积岩心上部Cyclostephanos spp.的最低相对丰度，在此之上，Cyclostephanos spp.的丰度再次向最表层的沉积间隔增加，Synedra nana的丰度也增加。
4. 讨论
4.1. 水位降低的时间与驱动因素
基于可用的遥感图像，湖泊2B在2012年7月期间排水。最佳可用（即无云）的Landsat 7图像采集于6月中旬和8月初，在此期间观察到湖泊表面积减少。NDWI证实了这一点，显示这些图像之间NDWI值下降，表明水分减少，更多地面暴露，可能来自旧湖床的出现。虽然Landsat 7平台在这两个端点之间采集了三幅图像，但它们被遮挡，因此仅基于遥感无法进一步阐明水位降低的确切日期。Landsat 7 TM传感器众所周知的扫描线错误问题带来了进一步的复杂性，但湖泊2B的小尺寸确保了即使在有扫描线错误的图像中也能完全观察到它。
区域气候观测将这种湖泊变化置于背景中，2012年7月记录了高于平均水平的温度。气候记录中值得注意的是2012年7月9日发生的显著降雨事件，当时一个典型月份的降水量在24小时内落下。基于这次异常大的降水事件，我们得出结论，湖泊2B很可能在2012年7月9日当天或之后不久排水。快速的湖泊排水先前已被与高水位和显著降水以及由表层永久冻土融化导致的比正常更深的活跃层联系起来。湖泊排水事件通常迅速发生，通常在24小时内。极端气候条件已与北极几个地区高纬度环境中的景观变化联系起来。
2010年至2012年期间被记录为北半球特别温暖的间隔，与一系列冰冻圈变化有关，包括格陵兰冰盖的异常排放量，以及2012年7月创纪录的排放量。基于观测和推断记录，上个世纪西部北极降水模式的变化已被充分记录。
4.2. 水位降低的湖沼学影响
对湖泊2B的重复湖沼学采样记录了排水前（2005年）和排水后（2017年、2023年和2025年）样本之间地表水化学的细微变化。pH值升高，而电导率（以及相关的主要离子浓度）、DOC、碱度和总溶解固体在2005年至2017年间均下降。这符合区域范围的趋势，2017年夏季从该区域几个湖泊采集的样本与2005年的样本相比有些稀释。这可能与较高的降水量或7月初采样时间与8月下旬相比有关。
在2017年至2025年间（我们观察到地表水面积增加表明排水后重新蓄水的时期），pH、总氮和总磷下降，而电导率、总溶解固体以及几种主要离子（包括钙和硫酸盐）再次增加。2023年的总磷值为0.008 mg/L表明贫营养条件，而2025年7月测得的TP为0.016 mg/L表明中营养状态。这些与2017年测得的0.060 mg/L（表明富营养条件）形成对比。湖泊2B在先前排水前进行的研究中也观察到是富营养化的，这在该区域是一个显著的特例，特别是对于受滑塌影响的湖泊，后者通常比未受滑塌影响的湖泊具有更低的总磷值。湖泊2B受到1968年一场强烈野火的影响，可能烧毁了整个流域，根据硅藻变化的时间，这被推测是这种独特湖泊富营养化的原因。鉴于其他受1968年火灾影响并有热融滑塌的湖泊未被推断经历相同的富营养化，这可能是由于流域内的局部差异导致磷的营养负荷或通过地下水流的变化。野火已与其他地区磷的显著增加联系起来，但这些响应可能因土壤和水文特征而存在区域差异。因此，我们得出结论，富营养条件的开始早于2012年的湖泊排水，这与Old Crow Flats记录的情况相反，尽管我们的数据支持排水后重新蓄水使湖泊2B恢复到较低营养条件的推断。
4.2.1. 硅藻组合变化
2012年湖泊排水的时间对应于沉积岩心中约2.5厘米的深度。此时，占主导地位的中心浮游Cyclostephanos spp.类群的相对丰度下降，同时底栖A. minutissimum和Diatoma tenuis增加。Achnanthidium minutissimum是一种世界性的底栖类群，已知能耐受高度干扰的栖息地。D. tenuis占据一系列底栖和远洋栖息地以及一系列营养条件，从贫营养到富营养。正如快速、显著的水位降低所预期的那样，我们推断湖泊2B经历了开阔水域栖息地相对可用性的减少，这反映在沉积硅藻组合中，即从中心浮游物种向底栖和tychoplanktonic物种的转变。沉积硅藻已被充分确立为水位变化的指标，当水位降低时，组合记录从浮游类群向底栖类群的转变，反之当水位升高时亦然。浮游与底栖类群之间的比率已被用于重建与干旱相关的水位。
从大约2015年开始，浮游Cyclostephanos spp.的相对丰度再次增加，我们推断这是对排水事件后湖泊部分重新蓄水和更深水栖息地恢复的响应，这与2023年和2025年的野外观察一致。Cyclostephanos类群通常被认为是营养丰富水体的指标。自2015年以来，富营养化Cyclostephanos的增加与我们自2017年以来水化学采样中观察到的湖泊再贫营养化不一致。湖泊2B中Cyclostephanos的初始快速增加与1968年影响湖泊并重新启动活跃岸线滑塌的野火同时发生。湖泊2B是所研究的湖泊中唯一表现出硅藻群落这种响应的，因为多循环滑塌通常与附生硅藻类群的增加相关，这是由于滑塌诱导的DOC减少导致水体透明度增加。据推断，火灾引起的永久冻土融化导致了湖泊2B的富营养化。本研究的结果表明，在湖泊排水和随后重新蓄水后，湖泊2B再贫营养化过程中，Cyclostephanos的主导地位持续存在并增加，自2012年以来，Cyclostephanos动态与湖泊2B的水位波动相对应。这表明，小型浮游Cyclostephanos对自2012年湖泊排水和重新蓄水以来水位升高的响应最为强烈，尽管总磷有所下降。
4.3. 累积压力的长期视角
湖泊2B作为Tuktoyaktuk Coastlands地区一个小型湖泊环境变化的一个有价值的例子，该湖泊在过去几十年中经历了多重干扰，为了解其累积
