3月22日，中科院南京地理與湖泊研究所宋春橋研究員課題組在Nature Communications期刊在線發表題為 “Satellites reveal hotspots of global river extent change” 的研究論文，報道了利用長時序衛星遙感、全球湖庫數據集以及多源氣象資料揭示全球河流水域年代際變化類型、熱點區域及其主要驅動因素(氣候變化/人類活動影響) 的研究成果。

河流是地球表面最活躍的生態系統和水循環組成部分之一，對人類社會經濟發展、流域生態環境可持續和區域氣候的穩定有著重要意義。在全球變化(全球變暖、冰川凍土融化、洪澇災害) 和人類活動(水庫修建、水產養殖等) 對水文系統干擾增強的背景下，河流水文情勢發生了大規模顯著改變。如何從全球尺度監測河流的這種變化信號并理解其背后的驅動因素極具挑戰性。

該研究基于最新的SWOT衛星河流數據庫(SWORD)以及全球地表水體頻率數據集(Global Surface Water, GSW)，全面調查了全球范圍內總長度為2,097,799 km、總面積達769,390 km2的河道水域在 21世紀初期(2000-2018)相對于1984-1999的變化情況。研究匯編了2000年以來全球新建水庫數據集，并通過建立海量人工解譯樣本和機器學習方法，首次區分出全球河流水域變化的三種類型：建壩驅動型河流擴張 (Type-R) ，河道形態演變型 (Type-M) ，以及干濕水文信號主導類型((Type-H) (圖1) 。圍繞水文信號主導類型，研究報道了全球河流水域擴張/萎縮的空間格局和熱點區域，并結合長時序氣象資料、夜晚燈光數據、發表文獻等分析了河流水域變化的主要影響因素。

結果表明，全球約有五分之一的河流發生了顯著的河道地貌形態演變(如河道遷移、辮狀水系擺動等)(Type-M)。其中約有25%的此種類型演變發生在亞洲高山區周圍(雅魯藏布江、印度河、恒河、伊洛瓦底江、阿姆河)和南美洲的亞馬遜河中上游，這些流域內河道演變比例高達40-80%。此類河流形態變化發生在特定水文和地質環境條件，如彎曲、多支流河道，并與地質活動、徑流強度、坡降、河岸侵蝕強度和沉積率有關，反映了河道的不穩定性特征。除河流自身特征外，氣候變化與人類活動可能導致了河流不穩定性的增強，例如在雅魯藏布江、恒河、印度河等流域，冰川積雪融水導致的季節性徑流的改變和調水蓄水等工程影響，河道不穩定性非常突出。水庫修建導致的河流水域面積擴張(Type-R)尤為顯著：在六級流域尺度，新修水庫導致河流水域范圍整體增加了30.5%，最為明顯的發生在亞洲、南美以及非洲中西部的發展中國家和地區，其中巴西、中國和印度是新建水庫影響河流水域面積最大的三個國家，分別貢獻了21.7%，18.5%和10.5%。與其它類型(Type-H)的河流水域擴張信號強度來看，大壩修建的河流水域擴張效應不可忽視，其增加的河流水域范圍占全球河流水域擴張的31.9%。

圖1 全球不同河流水域變化類型分布(Type-M：河道形態演變型； Type-H：干濕水文信號主導型；Type-R：建壩驅動型河流擴張). (a)不同河流變化類型的全球分布狀況. (b)全球六大洲不同類型河流變化的面積統計. (c)全球25個主要流域內不同變化類型統計. (d-f)三種變化類型的水體頻率變化(OCI, Occurrence change intensity)模式示例。紅色、綠色、藍色線畫分別表示Type-M、Type-H、Type-R類型的最大河流水域統計范圍。

除去河道演變型變化和建壩驅動型河流擴張，研究重點分析了以水文信號主導的河流水域范圍變化(Type-H)。研究結果發現（如圖2）：在全球尺度，河流水域顯著(中度)增加的面積百分比達到9.0%(8.6%)，高于顯著(中度)減小的4.8%(7.4%)。通過量化各流域單元河流面積凈變化幅度，本研究揭示了全球增加和減少幅度最顯著的八個熱點地區(表示為正和負熱點區)的變化特征及與主要氣候要素(降水、溫度及蒸散發)的關系。正熱點地區均位于亞洲，包括西伯利亞東部、青藏高原、西伯利亞中北部和亞洲中東部，主要因為高緯或高海拔地區對氣候變化更為敏感的響應；而負熱點分布在北美洲中部大平原、南美洲中東部、西伯利亞西部和印度北部，主要由干旱或半干旱氣候主導。研究還探討了我國黃河流域21世紀以來河流水域面積相對擴張的原因，可能與21世紀以來黃河水量統一調度和系列節水措施使得黃河水流恢復有關。

相對于河流水域擴縮比例，全球一半以上(70.2%)的河流相對穩定，比例最高分布在北美洲(82.1%)，其次為歐洲(79.5%)和南美洲(70.5%)。歐洲西北部(如芬蘭、瑞典) 和北美洲(如加拿大、美國) 等發達地區的河道比亞洲(如緬甸、中國) 和南美(如玻利維亞、秘魯) 等發展中地區相對更穩定，其穩定性與夜間光照強度之間有一定相關性，間接反映其可能與社會經濟發展水平有關：一方面，居住集聚地一般遠離河道高度變化區(如河源、洪泛區等) ；另一方面，發達地區較早發展的河道堤防工程，穩固了河流水域范圍。

圖2 全球河流干濕水文信號特征.圖上為2000-2018年相對于1984-1999的河流水域變化特征(PI-PD-PGS：河流水域增加-減少-相對穩定的比例)，圖下為水域擴張和萎縮的主要熱點區域。

總體而言，本研究基于長時序衛星觀測揭示了21世紀初全球河流水域范圍的變化特征及主導驅動機制，可以為聯合國2030年可持續發展議程中未來河流優先保護和修復方案的制訂提供了科學依據，研究也呼吁采取國際行動來加強河流水域生態系統的長期跟蹤監測和保護。

中科院南京地理與湖泊研究所宋春橋研究員為該論文通訊作者，研究生吳倩浛與河海大學柯靈紅副教授為論文并列第一作者。合作作者包括堪薩斯州立大學的Jida Wang教授，北卡羅來納大學教堂山分校Tamlin M. Pavelsky教授，弗吉尼亞理工學院George H. Allen教授，加州大學洛杉磯分校Yongwei Sheng教授，香港大學Jin Wu教授，中科院地理科學與資源研究所諸云強研究員，河海大學雍斌教授，南京大學張聞松，以及中科院南京地理與湖泊所的段學軍研究員、王磊研究員、劉凱副研究員、陳探助理研究員及博士生范晨雨。該研究得到國家重點研發計劃項目、中科院先導A計劃、國家自然科學基金委面上項目和研究所自主部署項目等的資助。

相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37061-3