阿拉斯加南部基奈半島的楚加奇人世世代代採摘莓果。 酸的藍莓和像覆盆子一樣甜的鮭魚——阿拉斯加人的最愛——被烤成餡餅，煮成果醬。 但到了 2009 年夏天，灌木叢一直呈現棕色，漿果也從未結出。
又三年了，收成歉收。 「這對社區造成了非常嚴重的打擊，」楚加奇米特(Chugachmiut) 的林業經理內森·洛耶夫斯基(Nathan Lojewski) 說。服務於楚加奇地區的七個村莊。
漿果叢被尺蛾毛毛蟲－布魯斯盤蟲（Bruce spanworm）破壞了。布氏果蠅）和秋蛾（秋季伊庇魯斯）。 昆蟲在秋天產卵，春天葉芽開始生長時，卵孵化，尺蠖啃食裸露的莖。
儘管這種昆蟲在阿拉斯加廣為人知，但楚加奇長老們並不知道該地區爆發過如此大規模的疫情。 「這些漿果非常重要。 會有一個故事，在口述歷史中，」洛耶夫斯基說。 “對於部落來說，這種事以前沒有發生過。”
在多年爆發的高峰期，毛蟲從漿果叢爬到樹上。 這些害蟲從基奈半島頂端的格雷厄姆港到約 300 公里外的安克雷奇以北的瓦西拉，啃食樹葉。 夏季，山坡上長滿了厚厚的棕灰色光禿禿的柳樹、榿木和樺樹，上面長滿了西特卡雲杉。
兩年前的夏天，也就是第一次感染發生近十年後，飛蛾又捲土重來。 「我們得到了一些漿果，但沒有以前那麼多了，」楚加奇長老埃菲姆·穆寧(Ephim Moonin Sr.) 說。叢。 “去年，又幾乎沒有漿果了。”
超過 35 年以來，環繞北極的衛星已檢測到地球最北端景觀的「綠化」趨勢。 科學家將這種翠綠的景象歸因於氣候變遷帶來的氣溫升高，植物生長更加旺盛，生長季節更長。 但最近，衛星發現北極某些地區苔原綠度下降。 這些區域似乎正在「褐變」。
與基奈半島的鮭魚採收者一樣，在地面工作的生態學家在環極地北極地區（從阿拉斯加到格陵蘭島到挪威北部和瑞典）的現場近距離目睹了褐變。 然而，衛星並不總是能捕捉到沒有漿果的灌木叢和乾燥的石南叢生地（生長緩慢的灌木叢）。 低解析度感測器可能對死植被和活植被的混合進行了平均，因此未能檢測到褐變現象。
科學家想知道什麼被偵測到了，什麼沒有被偵測到，他們擔心不知道褐變程度的潛在影響。 如果北極褐變蔓延，可能會對人類和野生動物產生深遠的影響，影響棲息地和大氣碳吸收，並增加野火風險。
種植綠帶
北極變暖的速度是地球其他地區的兩到三倍，其中大部分氣溫上升發生在冬季。 例如，自 1949 年以來，阿拉斯加的氣溫上升了 2 攝氏度，該州部分地區（包括阿拉斯加中南部和北極內陸）的冬季平均氣溫上升了 5 攝氏度。
氣候變暖的早期影響是北極變得更綠色。 20多年前，研究人員利用美國國家海洋暨大氣總署氣象衛星的數據來評估北方植物在一個世紀暖化之後十年的生長情況。 該團隊比較了植被反射的不同波長的光（紅光和近紅外光），以計算 NDVI（標準化差異植被指數）。 NDVI 值越高，表示景觀越綠、生產力越高。 在短短十年內——從 1981 年第一顆衛星發射到 1991 年——北部高緯度地區綠化程度提高了約 8%，研究者於 1997 年報告自然。
北極生態系統曾經受到涼爽條件的限制，現在已經超越了其極限。 1999 年和2000 年，研究人員利用1948 年至1950 年石油勘探飛行期間拍攝的檔案照片，對阿拉斯加北部部分地區植被變化的程度和類型進行了分類。克國家保護區的庫古魯羅克河曾經沿著河邊階地生長的低窪苔原植物已被白色雲杉和綠色榿木灌木所取代。 在該研究的 66 個地點中，有些地點以灌木為主的植被已覆蓋率翻倍，從 10% 增加到 20%。 並非所有地區的灌木豐度均增加，但也沒有一個地區的灌木豐度下降。
2003 年，弗吉尼亞大學夏洛特斯維爾分校的陸地生態學家霍華德·愛潑斯坦 (Howard Epstein) 和同事查看了衛星記錄，該記錄現在又保存了十年的數據。 研究人員重點關注阿拉斯加的北坡，該地區位於布魯克斯山脈的頂部並延伸至波弗特海，研究人員發現，在生長季節，最高的 NDVI 值（或「峰值綠度」）增加了近17%1981年至2001年間，與暖化趨勢一致。
綠色中的棕色
隨著北極變暖，它變得越來越綠，但一些地區變成了棕色。 衛星影像和地面生態學家觀察到地圖上圓圈區域出現褐變。
近四十年來，地球觀測衛星一直在監測北極苔原。 那時，北坡、加拿大低北極苔原和東西伯利亞變得特別綠，更厚、更高的苔原植被和灌木向北擴展。 「如果你看看阿拉斯加的北坡，如果你看看整體趨勢，你會發現它的綠化程度與任何人無關，」阿拉斯加大學費爾班克斯分校的大氣科學家烏瑪·巴特說。
然而，北極的部分地區，包括阿拉斯加西部的育空-庫斯科奎姆三角洲、加拿大北極群島（加拿大大陸北部的島嶼，為加拿大提供了尖尖的尖端）和西伯利亞西北部苔原，在衛星記錄的長度範圍內顯示出廣泛的褐變，從 20 世紀 80 年代初到 2016 年。 這並不一定意味著植物的廣泛死亡，」愛潑斯坦說。 科學家還不知道為什麼那裡的植物生長速度會減慢或逆轉，也不知道衛星訊號是否在某種程度上產生了誤導。
「所有模型在很長一段時間內都表明，只要不受到其他方式的限制，例如[降低]濕度，我們預計苔原會出現綠化，溫度升高，生產力提高，」斯科特·戈茨（Scott Goetz ）說，弗拉格斯塔夫北亞利桑那大學的生態學家和遙感專家。 他也是美國太空總署北極-北方脆弱性實驗 ABoVE 的科學團隊負責人，該實驗正在追蹤阿拉斯加和加拿大西部的生態系統變化。 「我們很多人都非常驚訝……北極突然變成褐色。 這是我們需要解決的事情。
凍乾苔原
雖然全球暖化推動了苔原綠化的廣泛趨勢，但極端的冬季天氣可能會引發當地的褐變事件。 近年來，在北極的一些地區，異常溫暖的冬季天氣，有時還伴隨降雨，使苔原植被承受了巨大的壓力，導致植物失去抗凍性、乾涸或死亡，並變成棕色。
英國謝菲爾德大學的陸地生態學家加雷斯·菲尼克斯(Gareth Phoenix) 回憶起自己在看到2001 年在瑞典北部阿比斯庫鎮外的一個研究地點拍攝的一系列仲冬間隔拍攝照片時的震驚。 幾天之內，氣溫從-16°C飆升至6°C，苔原的積雪融化。
「身為生態學家，你會想，『哇！ 這些植物通常在雪下能很好地隔熱，」他說。 「突然之間，因為所有的雪都融化了，他們就暴露在外了。 這樣做的後果是什麼？
北極植物能夠在寒冷的冬天生存下來，要歸功於厚厚的積雪和生理變化，即所謂的抗凍性，使植物能夠在不受凍的情況下被凍住。 但是，一旦植物響應春天的物理信號（天氣變暖、白天更長）而甦醒並經歷花蕾綻放，它們就會失去抵禦寒冷條件的能力。
如果春天真的來了就好了。 但如果只是冬季熱浪並且暖氣團繼續移動，隨著氣溫恢復到季節性正常水平，植物就會變得脆弱。 當暫時的暖空氣同時覆蓋數千平方公里時，植物就會大幅受損。 「這些景觀看起來就像有人用火焰噴射器穿過一樣，」菲尼克斯說。 “這真是令人沮喪。 位於特羅姆瑟的挪威自然研究所的植被生態學家 Jarle Bjerke 於 2008 年在挪威北部和瑞典看到了褐變現象。狀針葉，但顏色卻是棕色、紅棕色和灰棕色。 「從山頂到沿海荒地，我們到處都能看到它，」比耶克說。
比耶克、菲尼克斯和其他研究人員在冬季暖化事件後繼續發現棕色植被。 過去十年，斯瓦爾巴群島經歷了長時間的溫和冬季天氣，斯瓦爾巴群島是位於挪威和北極之間的北冰洋島嶼群。 雪融化或被吹走，露出地面上的植物。 在經歷了一次聞所未聞的仲冬降雨後，有些地方結冰了。 2015年，北極鐘石南花的白色小花照亮了北極的山脊和荒地，那年夏天呈現棕色，第二年呈現灰色，然後葉子就脫落了。 「植物在溫和的冬季死亡並不是什麼新鮮事，」比耶克說。 “新的情況是，這種情況現在已經連續幾個冬天發生了。”
昆蟲入侵
北極的天氣不一定總是極端才會損害植物。 隨著冬季和夏季變暖，食葉昆蟲大量繁殖，導致超出昆蟲通常活動範圍的灌木和樹木落葉。 「它們是非常視覺化的事件，」完成博士學位的北極生態學家 Rachael Treharne 說。 在雪菲爾大學就讀，現在在 ClimateCare 工作，這是一家幫助組織減少氣候影響的公司。 她記得有一年夏天，瑞典北部正值秋蛾爆發期間。 「植物上爬滿了毛毛蟲——還有我們。 我們醒來時會發現他們躺在我們的床上。
2000 年代中期，在挪威最北端、瑞典和芬蘭，尺蛾的連續爆發導致 10,000 平方公里的山地白樺林落葉，面積大約相當於波多黎各的面積。 挪威自然研究所的北極生態學家簡‧傑普森表示，這次疫情是歐洲與氣候變遷相關的最突然、最大規模的生態系統擾動之一。
三大功效
北極變暖的速度是世界其他地區的兩倍多。 較高的溫度導致某些地區發生褐變，原因如下：
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極端天氣 |
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飛蛾侵擾 |
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野火 |
張昌
「這些蛾類受益於溫和的冬季、春季和夏季氣候，」傑普森說。 蛾卵通常在-30°C左右死亡，但溫暖的冬季使更多的本地秋蛾卵得以存活。 隨著春天的溫暖，卵會在一年內提早孵化，並跟上山樺樹的花蕾綻放的速度。 另一種物種－冬蛾（O·布魯瑪塔），發現於挪威南部、瑞典和芬蘭——在疫情爆發期間向北擴展。 春季和夏季的溫暖有利於幼蟲，幼蟲吃得更多，體型更大，由此產生的更頑強的雌蛾在秋季產下更多的卵。
傑普森說，雖然死去的森林可以在幾十年內重新生長，但其中一些山樺樹可能受到了過度的打擊。 在某些地方，森林已經被石南地所取代。 她說，像這樣的生態轉變可能是持久的，甚至是永久性的。
悶燒的土地
曾經罕見的野火可能是北方褐變的主要原因之一。 隨著該地區的草、灌木和樹木枯竭，它們被點燃的頻率越來越高，火災覆蓋了更大的區域，並留下了黑色的疤痕。 例如，2014 年初，在挪威沿海城市弗拉坦格，電線產生的火花點燃了乾燥的苔原荒地，摧毀了幾個沿海小村莊的 100 多座木造建築。
在人口稀少的地方，閃電是引發野火的主要原因，這些地方的野火也增加。 科學家表示，隨著地球變暖，雷擊變得越來越頻繁。 閃電引發的火災數量每年上漲2%至5%阿姆斯特丹自由大學的地球系統科學家 Sander Veraverbeke 及其同事於 2017 年在自然氣候變化。
2014年，西北地區發生火災385起，燒毀面積3.4萬平方公里。 第二年，阿拉斯加內陸地區發生 766 起火災，面積達 20,600 平方公里，約佔 2015 年美國全國過火面積的一半。
在過去的兩年裡，野火在格陵蘭島西部升起滾滾濃煙（SN：2018 年 3 月 17 日，第 14 頁 20）以及瑞典、挪威和俄羅斯的北部地區，這些地方的野火並不常見。 2017 年的一份報告稱，到 2100 年，阿拉斯加的野火活動可能在 30 年內翻兩番。生態學。 維拉貝克預計「未來北極會發生更多火災」。
大片植物的喪失可能會對當地產生廣泛的影響。 「這些植物是北極陸地食物網的基礎，」愛丁堡大學全球變遷生態學家艾拉·邁爾斯-史密斯說。 例如，枯萎的景觀可能會讓嚴重依賴植物的岩雷鳥在春天沒有足夠的食物來吃。 這些鳥類的掠食者，例如北極狐，可能會在第二年感受到這種損失。
北極以外地區也可能感受到褐變的影響，北極蘊藏著地球上約一半的陸地碳。 苔原綠化的促進使該地區能夠在生長季節儲存或「吸收」更多的碳。 但如果褐變事件持續下去，碳吸收可能會放緩，正如某些地區所預期的那樣。
Treharne、Phoenix 及其同事於 2 月在全球變遷生物學在挪威北部的羅弗敦群島，極端的冬季條件荒原捕獲二氧化碳的能力減少了一半來自生長季節的大氣。
然而，從長遠來看，這些棕色苔原生態系統可能會如何變化，仍存在一些不確定性。 隨著土地變暗，地表吸收更多的熱量並變暖，有可能使下面的永久凍土融化並加速甲烷和二氧化碳的釋放。 菲尼克斯警告說，一些地區可能會從碳匯轉變為碳源。
另一方面，其他具有或多或少吸收碳能力的植物物種可能會進入。 」戈茨說。
更好的視野
導致褐變事件的現象——極端的冬季暖化、昆蟲爆發、野火——正在增加。 但褐變事件很難研究，尤其是在冬季，因為它們難以預測，而且經常發生在難以到達的地區。
在地面工作的生態學家希望衛星影像和 NDVI 地圖能夠指出植被生長異常（增加或減少）的區域。 但研究人員在地面上目睹的許多褐變事件並未被科學家仍在使用的老式、分辨率較低的衛星感測器捕捉到。 這些感測器過於簡化了地面上的情況：一個像素覆蓋 8 公里 x 8 公里的區域。 「這麼大的像素大小所包含的複雜性是相當巨大的，」邁爾斯-史密斯說。 “你有山脈、湖泊或不同類型的苔原植被，所有這些都在一個像素內。”
在最近舉行的幾次關於北極褐變的研討會上，遙感專家和生態學家試圖解決這個問題。 「我們一直在討論如何將兩種規模結合在一起，」巴特說。 新的感測器、更頻繁的快照、更好的數據存取和更強的運算能力可以幫助科學家將北極褐變的範圍和嚴重程度歸零。
研究人員已開始使用 Google Earth Engine 收集的大量衛星數據，其中包括更高解析度的陸地衛星影像，每像素 30 公尺 x 30 公尺。 計算能力的提高也使科學家能夠近距離探索植被變化。 歐洲太空總署最近發射的Sentinel地球觀測衛星可以以10公尺×10公尺的像素尺寸監測植被生長。 邁爾斯-史密斯說：“這已經開始達到生態學家可以應對的規模。”
本文發表於2019年4月13日號科學新聞標題是「北極褐寧：暖化趨勢為原本綠化的土地帶來昆蟲、極端天氣和野火」。
