互动科普

时间回到1944年。第二次世界大战即将结束，但人们预测，日本会顽抗到底，这使同盟国非常担忧自己将因战争而耗尽汽油。阿拉斯加北部9.3万平方千米的美国海军石油储备区成为寻找石油新来源的首选之地，美国海军决定进行勘探。但是，他们遇到一个问题：没有地图。因此，美国海军决定拍摄一系列非常详细的航空照片。

测量人员以阿拉斯加费尔班克斯附近的拉德机场为大本营，在双引擎比奇飞机上架设了笨重的K-18照相机。几年下来，通过慢速低空飞行，测量人员拍摄了数千张照片，包括从北冰洋向南延伸到布鲁克斯山脉的阿拉斯加北坡，以及布鲁克斯山脉南面的森林峡谷。这片森林本身就是跨越北极大片区域的北方森林的一部分，由常绿树木和落叶树木组成[参见第42页地图]。

这些9英寸×18英寸底片洗出的照片非常清晰，连驼鹿的蹄印都看得一清二楚。一些照片堪称大师级摄影作品，不过更为重要的是，这套照片已成为揭示北极和亚北极陆地对气候变化作出反应的关键证据。

这是一个紧迫的问题，因为问题的答案将帮助当地居民找出他们应对气候变化所必须采取的措施。大约400万人生活在北极地区，气候变化影响着狩猎、商业采伐、交通运输等活动和基础设施。

此外，土地覆盖（land cover，指耕地、林地、草地、水域、居民点、工矿交通用地、沙漠、冰川雪被等覆盖土壤表面的景观）的意外快速变化，可能产生全球性影响。这些变化可能加速永冻土融化，使原本被封存在冻土里的泥炭暴露出来，其中的碳又以二氧化碳或甲烷的形式释放出来，对气候变暖产生重大影响（参见《环球科学》2010年第1期《甲烷：从北极冻土中爆发》）。

如何衡量变绿

2006年，一只北极熊迷茫地站在一小块浮冰上的照片登上了《时代》杂志的封面。在此之前，北极海冰的迅速融化就已经十分明显了。早在20世纪90年代，我们这些研究北极气候变化的人就有充分理由认为，北极植被也在发生变化；但是，我们跟踪土地变化的工具不如跟踪海冰变化的工具那么有效。白色海冰与深色海水对比十分鲜明，这使它们适于卫星和飞机监测。相比之下，气候引起的苔原（苔原没有树，其底层土壤是永冻土）和森林变化可能非常微妙；有时只是植物物种的组合发生缓慢改变，而不是从一种生态系统类型显著转变为另一种生态系统类型。植被变化可能需要数年甚至数十年，才能检测出来。

然而，我们的确掌握了有用线索，知道应该去寻找哪些变化。苔原温室试验表明，土壤施肥和人工增暖能使灌木急剧生长，却伤害了莎草和苔藓等非木本苔原植物。以矮桦木植物为例，以前只有齐膝高，几年时间就能长到齐头高。依照这些证据，我们最合理的猜测是，苔原气候变暖将引发生物量增长，也许是爆炸式增长——主要方式是生长出更多更大的灌木。再往南一些，在北方森林，数百年来树线（treeline）一直在向北边和更高海拔推进。我们预期，气候变暖将加速它们的推进步伐。

但所有这些都只是推测，并没有定论。当时，多个研究小组试图利用遥感或小块地面密集研究去检测植被变化。因此，我与同事查克·拉辛 （Chuck Racine）和肯·特普（Ken Tape）推断，利用老照片寻找变化一定能够获得大量的新信息——前提是，我们能够找到这样的照片。在我们寻找文献的过程中，一位档案保管员提到，他的库房里有一些20世纪40年代的海军航空照片，问我们是否有兴趣。因为存储空间有限，他打算不久就扔掉这些照片。我屏住呼吸，等待样本送来。当那些照片从信封里滑落到我书桌上时，我惊呆了：照片非常适合我们的研究，而且非常漂亮。最终，我们收集到大约6 000张照片。

2000年夏天，我们开始了研究，重点放在苔原方面。苔原的定义与矮生植被和永久冻结底土联系在一起，几乎表现不出这种生态系统的壮美和复杂。苔原约占地球陆地表面的5%，大多数苔原就是一片厚厚的苔藓、地衣和莎草（看起来就像草地），上面点缀着其他维管植物（vascular plant，拥有由木质部和韧皮部组成的维管系统的植物，包括蕨类和种子植物）和低矮灌木。从空中看，这种植物丛似乎就是铺在地上的绿色地毯，丝绒般光滑。在地面上看，它就是一大片由许多植物构成的拼图，每块拼板都呈海绵状，在上面行走非常累人。虽然干旱时躺在上面很惬意，但它绝不平坦。莎草和其他植物长成一个个鼓包，被称为塔头墩子，又叫圆丘，成为任何企图在苔原上远行之人的阻碍。这些草丛可以长到半米高，顶部往往不稳定，一承重就会下陷，把远足者摔到地上，或者扭伤脚踝。通常情况下，矮灌木隐藏在草丛之间的夹缝中，当然齐头高的灌木往往聚集在水边。

纬度越高，苔原越荒芜。到了一定的纬度，灌木就消失了。最后，甚至连苔藓和地衣都没有了，只剩下广袤的裸土，也就是极地荒漠（polar desert）。往南面走，苔原上首先出现稀疏的云杉，然后出现苔原和森林交错区域，最后进入北方森林，也称泰加林（taiga）。苔原向北方森林的过渡可以很突然，也可以延续几十千米。在阿拉斯加，这一边界基本与布鲁克斯山脉南部边缘吻合。

为了得到我们需要的照片，我们坐上直升飞机，打开舱门，准备好老照片的复制件。我们不停地在空中盘旋，尽可能找到最接近老照片视角的地方，我们经常发现自己离地面几乎不足15米，这让我们更加敬重乘坐固定翼飞机拍摄的二战前辈。我们小心行事，拍摄出了吻合度很高的照片。经过4个夏季工作，我们对200多个地点进行了重新拍照。晚上，我们对新旧照片进行比较，做出粗略评估。在一张接一张的照片中，一株株灌木都比50年前大（是的，个别灌木还活着，清晰可辨！）。大片灌木已侵入苔原，而在以前，这里发现的灌木最高也只有大约50厘米。北极三大灌木——柳树、桦木和桤木，生长范围都在扩张，植株也越长越大。我们印象特别深的一种灌木推进模式，我们戏称其为“突击部队”，灌木在旧河流阶地（river terrace）和苔原平地聚集，短短几十年就占领了以前没有灌木的数公顷地区（1平方千米=100公顷）。

通过实地核对照片，我们弄清楚了植被转变的实际情况。在我们新拍摄的照片中小黑圈那么大小的灌木，实际上有一人多高。这些灌木常常被一圈圈较小的灌木环绕，这样，较大灌木似乎能保护较小的免遭大风和高吹雪 （blowing snow） 的侵扰。在一些地方，灌木非常茂密，组成了坚不可摧的灌木丛。在第二个夏末，在反复考察了数十个灌木丛之后，我们新创了“灌丛增多北极”（shrubby Arctic，值得注意的是，灌木本来也是北极苔原重要组成部分）一词，用以描述这里发生的事情。这些照片记录表明，灌木已在阿拉斯加北部一片总面积超过20万平方千米的地区上扩张。

那么，阿拉斯加之外的苔原和它们南边的北方森林发生了什么呢？为了回答这个问题，我的同事斯科特·戈茨(Scott Goetz)、道格·斯托(Doug Stow)、斯基普·沃克(Skip Walker)、贾根锁（Gensuo Jia）和戴夫·韦比拉 (Dave Verbyla)，使用美国国家海洋和大气管理局气象卫星上的遥感辐射计来测量这些地方和阿拉斯加的变化。同事们根据红光和近红外光谱波段的反射系数计算出所谓的归一化植被差异指数（normalized difference vegetation index，NDVI），发现苔原的绿色在不断增加。绿色与生物量及植物的最近生长有关。这些研究人员解释说，他们的发现意味着，苔原的灌木比例在扩大。NDVI增加最突出的区域是阿拉斯加北极地区、加拿大西部和西伯利亚，不过在斯堪的纳维亚和北极其他部分地区也可以检测到NDVI的增加。其他同行——在俄罗斯的布鲁斯·福布斯（Bruce Forbes）、在加拿大北极高地的格雷格·亨利（Greg Henry）和在加拿大中部北极地区的保罗· 格罗根（Paul Grogan），都从各自的实地研究中发现了类似结果；同时，阿拉斯加、加拿大和俄罗斯北极地区居民的回忆也支持这样的观点，即泛北极灌木正在不断增加。

仔细比较苔原变绿的最新卫星记录和我们根据照片绘制的灌木变化地图，提供了另外一个细节：照片显示，不仅有更大灌木的苔原NDVI在增加，而且只有低矮灌木（低于照片检测极限）的地方NDVI也在增加。这些草丛之间的小灌木无处不在，而且适应性很强：生长条件一旦改善，它们就能改变生长方式，长到很大。小型灌木已在大片地区站稳脚跟，这些苔原地区植被快速生长已经万事俱备，只欠东风了。

这种现象并非前所未有。在沉积岩芯中发现的古花粉记录显示，大约8 000年前灌木花粉突然增加。这一现象俗称为“桦木爆炸”，似乎表明当时灌木席卷了整个苔原。

森林里的异常变化

卫星记录显示，苔原边缘以及南部广阔的北方森林里出现了更令人吃惊的现象。虽然研究已经证实，树线正在继续向北和更高海拔推进；但是卫星资料显示，在许多地方，不断推进的树线之后，森林正在失去生物量和生产力。森林在不断变褐——不断变干和死亡，而苔原却在变绿，这个事实好像与气候变暖导致森林变化的传统观念背道而驰。

大约十年前，当时同在美国阿拉斯加大学费尔班克斯分校的格伦·贾德（Glenn Juday）和马丁·维尔明克（Martin Wilmking），开始收集费尔班克斯附近及布鲁克斯山脉南部的树木年轮样本，这些样本帮助解开了上述表面上的矛盾。通常的观点认为，夏季气温越高，树木生长越好，年轮越大；事实却与此相反，他们开始发现这样的植物群落——温度越高，年轮越小，树木生长越慢。阿拉斯加西部比较湿润，他们发现，随着气候变暖，那里树木生长更旺盛；但是往东进入比较干旱的地区时，他们发现了年轮越来越小、正在苦苦挣扎、甚至已经奄奄一息的树木——更温暖的夏季实在太干旱了。

另外两位年轮学家——美国明德学院安迪·劳埃德（Andi Lloyd）和西华盛顿大学安迪·邦恩（Andy Bunn），利用一切他们找得到的北方森林树木年轮记录证实，北方森林发生褐变是泛北极地区的普遍现象，他们还证明，尽管受影响的主要是云杉，但北方森林的所有树种都在发生褐变。树木生长变缓的确切原因还有待确定，但干旱和热胁迫是两大主要“嫌犯”，因为褐变现象更常见于干燥大陆地区，以及各树种生长范围的南部地区。

虫害增多以及森林火灾的频率和规模增大，也使树木备受伤害，这两者据信都与气候日益变暖有关。在阿拉斯加，以往每10年才出现一次的森林大火，现在似乎每5年左右就会出现一次。害虫侵袭似乎也在加剧，例如云杉树小囊虫（spruce bark beetle）迄今已经毁坏了阿拉斯加50多万公顷的原始森林。

未来难以预料

苔原和北方森林发生的变化呈现出一种具有讽刺意味的对称性。50年间，北方森林大约蚕食了阿拉斯加苔原南缘11 600平方千米的面积；但同一时期，在推进线之后的北方森林一直遭受干旱、火灾和害虫的侵害。贾德等人认为，这些灾害的结果将是森林转化为草地。与此同时，苔原不断变成灌木丛林。未来情况会不会完全颠倒——森林开始变得更像苔原，而苔原看起来越来越像森林？

回答这个问题的困难在于，我们对于导致植被变化的一连串过程了解得非常有限，预测其未来走向就更不用说了。尽管北极海冰只是水和冰的简单系统，原则上符合可以用模型表达的物理规律，但是冰的减少速度仍比科学界13个最佳大尺度模型作出的预测快了一倍。一些现有预测认为，40年后北冰洋就不会再有冰了，但应该说，这些预测是由观测到的变化外推的结果，而不是模型预测结果。苔原和北方森林具有极强的生物复杂性和相互竞争的反馈机制—— 一些机制抑制生长，一些机制促进生长；而现有的模型仍过于简单，无法提供准确预测结果。

在最近的一篇文章中，我的小组试图利用灌木群落增长和对比照片的简单模型来解决苔原灌木预测问题。令我们惊讶的是，该模型表明灌木扩张大约始于150年前小冰期（Little Ice Age）结束前后。而我们原本预期，灌木扩张会与20世纪70年代以来北极出现的快速变暖相一致。另一方面，灌木开始扩张的时间也与阿拉斯加北坡首次出现驼鹿的时间恰好吻合，这些长腿的驼鹿以灌木为食。这一时间还与树线开始扩张的时间恰好吻合。

模拟结果意味着，灌木缓慢扩张的部分原因是在回应工业革命之前很久就已经开始的自然气候变暖周期。然而，其他众多证据表明，虽然灌木缓慢扩张可能始于自然气候变暖，但明显由于人为变暖而不断加速。在灌木不断扩张的地区，过去40年来冰川消退明显增加，永久冻土变暖速度加快，春天提前开始（由江河湖泊封冻和解冻的时间确定）——所有这些现象都与人类活动引起的气候加速变化有关。遗憾的是，我们不太可能找到1900年前后的照片——必须要有这些照片，我们才能证明1900年至1950年灌木扩张的速度确实比1950年至今的速度要慢。

这个简单的模型还预测，灌木完全覆盖目前灌木已经较多的区域至少需要150年时间；覆盖现在没有灌木的区域，将需要更长的时间。但是，盲目相信这种预测是危险的，因为模型没有考虑能够突然改变植被的火灾等灾难的影响（灌木在受破坏地区往往生长旺盛），也没有考虑可能加快植被转变的反馈效应。我的直觉是，我们的预测过于保守，苔原景观的变化可能快于我们粗略模型的预测。

这种怀疑的一个来源就是实际火灾的后果。2007年 7月至9月出现了罕见的干旱天气，北坡苔原发生了有记录以来最大的闪电引发火灾，烧毁面积在10万公顷以上。2009年7月，我的同事查克·拉辛（Chuck Racine）访问了该地区。在许多地方，灌木已经重新萌发。与此类似，阿拉斯加西部过去发生过火灾的苔原，过去30年来灌木覆盖面积增长的速度是其他地区的8倍。雷击和干旱不断增加，可能导致更多火灾。此外，灌木的生物量和枝条较多，也将增加未来发生火灾的可能性，产生正反馈效应。

在苔原其他的潜在反馈效应中，我们知道至少有两个正效应与冬季积雪相关。认为冬季对灌木生长有什么影响似乎有点奇怪，因为灌木确实只在夏季生长，不过冬季确定了下个生长季节的土壤和水分条件。冬天对于北极植物的重要性在于它持续的时间长。苔原一年中有9个月被积雪覆盖，北方森林也有7个月，因此这些区域的主色调是白色，而不是绿色。

一个反馈过程是这样发生作用的：如果灌木努力生长，高度超过附近的草丛，它们就会在冬季留住积雪，产生吹积作用，增加灌木周围的积雪厚度。雪是优良绝热体，几乎和羽绒被一样好（这是因为积雪中最多可以保存75%的空气）。积雪越厚，地面绝热越好，土壤温度就越高于没有积雪的情况。在一些灌木区，我们发现积雪底部的温度比邻近草丛区域高10摄氏度。环境越温暖，土壤中微生物冬季活动的时间就越长，储存养分就越多，来年夏季，这些灌木就会长得越快。获得养分的灌木生长旺盛，长得更高，在随后的冬季又会留住更多的积雪，不断强化这一循环。

另一个与雪有关的反馈效应源于雪的反照率 （albedo）。高大灌木的深色枝条在冬季，尤其是在春季，伸到积雪之外。这些树枝吸收的太阳能高出白雪好多倍，足以引起局部变暖，加速春季的冰雪融化，促使生长季节提早开始，刺激灌木长得更大。

单独而言，这两种冬季反馈效应很容易理解，但因为它们会彼此影响，又与其他夏季过程有关（其中有些容易理解，有些则不易理解），净效应是不确定的。例如，原则上，由灌木产生更厚的吹积积雪应比周围其他积雪在春季融化时耗用更长时间。返照率效应能克服厚度增加带来的效应，还是说吹积积雪能战胜加速融化？在夏季，遮光和落叶是两个尚没有被完全理解的潜在反馈过程。众所周知，灌木林冠遮光的增强使夏季土壤温度更低，可能抵消冬季吹积积雪产生的微生物活动增强作用。灌木落叶改变了灌木丛周围的营养状况，也有可能刺激灌木生长。

许多研究人员都忙于建立模型研究这些矛盾，或者说这些令人困惑的效应。事实上，几个小组正在开发苔原和北方森林变化的预测模型。但这些模型面临的最大一个未知因素是，未来的气候带来的降雪会变得更多还是更少。如果针对北极陆地所做的科学研究，能够像研究海冰消失一样取得成功，我们就将有能力全面跟踪正在发生的变化，并根据变化趋势预测未来，从而回答上面那些大问题，而不只是单单依靠计算机模型。不要奇怪，来自阿拉斯加的比对照片正作为检验数据而被用于模型开发。

美国海军拍下了阿拉斯加北坡的这些罕见照片，而且我们居然设法拿到了它们——这当然是我们的幸运。意外之财对科学的重要性，丝毫不亚于生活的其他方面。如果我们没有找到这些照片，可能不会这么快就意识到，在我们眼前发生了与海冰消失意义同样深远的潜在景观变化。这些照片是最生动和最容易理解的证据；当然，没有卫星和年轮学家的细致工作，我们就不可能了解这个故事的方方面面。

现在的挑战是要找出方法，去预测北极陆地将发生什么事情，发展速度有多快。生物系统的复杂性使这项工作变得相当艰巨。不过，如果我们不迅速完成这项工作，这些变化很可能会突然降临在我们头上，迫使我们在毫无预料的情况下仓促应变。然而，现在我相当肯定，这个故事有三个主色调，分别是绿色、褐色和白色。