那是1944年。第二次世界大战已显现出结束的迹象，但关于日本人会战斗到最后一刻的预测让盟军严重担忧他们会耗尽战争所需的汽油。阿拉斯加北部占地2300万英亩的海军石油储备是寻找新石油来源的理想地点，美国海军决定进行勘探。但海军遇到了一个问题：没有地图。因此，它决定拍摄一套极其详细的航空照片。
勘测人员以费尔班克斯附近的拉德机场为基地，在一架双引擎比奇飞机的敞开舱门中安装了一台巨大的K-18相机。在几年时间里，他们低速飞行，拍摄了数千张阿拉斯加北坡的照片，从北冰洋向南延伸到布鲁克斯山脉，以及山脉南侧森林覆盖的山谷——山脉本身就是横跨北极广阔区域的北方针叶林（由常绿树和落叶树组成）的一部分。
冲印出的9x18英寸底片照片非常清晰，甚至可以看见驼鹿的蹄印。有些照片堪比安塞尔·亚当斯的作品，但更重要的是，整套照片已被证明是揭示北极和亚北极地区土地如何应对气候变化的关键证据。
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这个问题迫在眉睫，因为答案将帮助当地居民弄清楚他们需要采取哪些步骤来应对这些变化。大约有四百万人居住在北极地区，气候变化正在影响他们的生存狩猎、商业伐木、交通运输和基础设施。
此外，土地覆盖出乎意料的快速变化可能会产生全球性的影响。例如，这些变化可能会加剧永久冻土的融化，从而释放出先前被锁在冷藏库中的泥炭中的碳（以二氧化碳或甲烷的形式），从而显著加剧气候变暖。
如何衡量绿化程度
早在2006年北极熊出现在《时代》杂志封面上之前，北极海冰正在迅速融化就已显而易见[参见马修·斯特姆等人撰写的“北方融化”；《大众科学》，2003年10月]。到了20世纪90年代，我们这些研究北极气候变化的人有充分的理由认为北极植被也在发生变化，但我们用于追踪陆地变化的工具不如用于追踪海冰的工具有效。白色海冰与深色海水形成鲜明对比，这使得冰和水适合通过卫星和飞机进行监测。相比之下，气候驱动的苔原（亚表土永久冻结的无树地区）和森林的变化可能很细微，有时只是植物物种组合的缓慢改变，而不是从一种生态系统到另一种生态系统的急剧转变。植被变化可能需要数年甚至数十年才能变得可检测到。
但是，我们确实有一些关于要寻找哪种类型变化的强烈暗示。在苔原上进行的温室实验表明，土壤的施肥和人工增温可能会导致灌木大幅生长，从而排挤苔草和苔藓等非木本苔原植物。例如，以前只有膝盖高的矮桦树在几年内长到了人头的高度。根据这一证据，我们最好的猜测是，苔原变暖将引发生物量的增加，可能是爆炸性的增长——主要以更多和更大的灌木的形式。更往南，在北方针叶林中，树线几个世纪以来一直在向北和向上坡方向推进到更高海拔地区。人们的预期是，变暖会加速这种推进。
但一切都不确定。当时，各个研究小组都在尝试使用遥感或对地面上的小块地进行深入研究来检测植被的变化，因此我的同事查克·拉辛、肯·泰普和我推断，如果我们能找到此类文件，我们可以通过查看旧照片来最好地贡献新信息。在我们的搜索过程中，一位档案管理员提到他仓库里有一些20世纪40年代海军航空照片。我们有兴趣吗？他计划很快将它们扔掉，因为存储空间有限。我屏住呼吸，直到样品送达。当照片从信封中滑到我的办公桌上时，我惊呆了。它们非常适合我们的工作，而且非常漂亮。最终，我们书架上摆放了大约6000张照片。
在2000年夏天，我们开始了我们的研究，重点关注苔原。苔原的定义是植被低矮且亚表土永久冻结，但这并不能充分表达这种生态系统的巨大美丽和复杂性。苔原覆盖了地球陆地表面约5%，大部分苔原是由厚厚的苔藓、地衣和苔草（看起来像草）组成的地毯，其中点缀着其他维管植物和矮灌木。从空中看，这些植物的集合看起来像一块低矮的绿色地毯，柔软而光滑。在地面上，它是由许多植物组成的马赛克，所有植物都像海绵一样，踩在上面很累，但在干燥时，躺在上面很惬意。而且它绝非平坦。苔草和其他植物长成称为草丛或小丘的土堆，对于任何试图在苔原上走远路的人来说，这些土堆都是祸根。这些土堆高达半米，顶部通常不稳定，受力时会翻倒，导致徒步旅行者摔倒在地或扭伤脚踝。通常，矮灌木隐藏在草丛之间的缝隙中，尽管茂密的齐头高的灌木丛经常聚集在水源附近。
纬度越高，苔原变得越荒芜，直到灌木成分消失。最后，即使是苔藓和地衣也让位于广阔的裸露土壤区域，称为极地沙漠。向南，苔原首先过渡到零星的云杉树，然后过渡到苔原和森林的混合地带，最后过渡到北方针叶林，也称为泰加林。从苔原到泰加林的过渡可能是突然的，也可能蔓延数十公里。在阿拉斯加，边界在很大程度上与布鲁克斯山脉的南缘重合。
为了拍摄我们需要的重复照片，我们乘坐一架敞开舱门的直升机飞行，携带旧照片的副本。我们盘旋直到能够尽可能地与之前的视图匹配，我们经常发现自己离地面只有15米，这一发现让我们对第二次世界大战的前辈们驾驶的固定翼飞机更加敬畏。小心谨慎地操作，我们可以实现相当接近的匹配。在四个夏季，我们重新拍摄了200多个地点。在晚上，我们会将新照片与旧照片进行比较以进行非正式评估。在一张又一张的照片中，单个灌木比50年前更大（是的，单个灌木仍然存活并且可以识别！）。灌木丛已经填满，并且这些灌木丛已经扩展到以前灌木高度小于我们约50厘米的检测限的苔原区域。柳树、桦树和赤杨，北极灌木的三巨头，都在扩大范围并变得更大。我们对一种灌木推进模式印象特别深刻，我们昵称其为“突击队”，灌木在那里殖民了旧河阶地和苔原平地，在短短几十年内占领了数公顷以前没有灌木的区域。
当我们实地检查照片时，这种转变的现实性变得更加突出。在我们新照片中显示为小黑点的灌木被证明高达一个人。这些灌木通常被较小的灌木光环环绕，较大的灌木似乎可以保护它们免受强风和暴风雪的侵袭。在某些地方，灌木非常茂密，形成了无法穿透的灌木丛。在第二个夏天结束时，在我们艰难地穿过数十个灌木丛林后，我们创造了“灌木丛生的北极”这个词组来捕捉景观正在发生的变化。总而言之，照片记录了灌木在阿拉斯加北部超过20万平方公里的区域内不断扩张。
但是阿拉斯加以外的苔原和南部泰加森林发生了什么变化？为了回答这个问题，我的同事斯科特·戈茨、道格·斯托、斯基普·沃克、贾根锁和戴夫·弗贝拉正在使用NOAA气象卫星上的辐射计来测量这些地点以及阿拉斯加的变化。他们计算了一个名为NDVI（归一化植被指数）的指数，该指数基于红色和近红外波段的反射率，他们发现苔原的绿度正在增加。绿度与生物量和新生长有关，研究人员将他们的发现解释为苔原的灌木成分正在扩张。NDVI的增加在北极阿拉斯加、加拿大西部和西伯利亚最为明显，但在斯堪的纳维亚半岛和北极的其他地区也可以检测到。其他同事——俄罗斯的布鲁斯·福布斯、加拿大北极高地的格雷格·亨利和加拿大北极中部的保罗·格罗根——从他们的实地研究中也发现了类似的结果，而阿拉斯加、加拿大和俄罗斯的北极居民的回忆也支持了泛北极灌木增加的想法。
将苔原绿化的最新卫星记录与我们基于照片的灌木变化地图进行仔细比较，可以提供一个额外的细节：NDVI不仅在照片显示更多大型灌木的苔原区域增加，而且在目前只能找到矮灌木（低于照片检测限）的区域也在增加。这些草丛之间的小灌木无处不在，而且它们具有可塑性：当生长条件改善时，它们可以改变其生长形态，达到相当大的尺寸。由于迷你灌木已经遍布广阔的区域，苔原地区已预先具备快速生长的条件。
这种现象并非史无前例。古记录——在沉积物岩心中发现的花粉——显示大约8000年前灌木花粉突然增加。这被非正式地称为“桦树爆发”，似乎标志着灌木横扫苔原景观的时期。
森林中的意外
卫星记录揭示了苔原南部和环绕苔原的广阔北方针叶林中更令人震惊的结果。尽管研究证实，树线仍在继续向北和更高海拔地区移动，但在许多地方，卫星表明，在这个推进的前沿之后，森林正在失去生物量并变得生产力较低。森林正在变棕色——干燥和死亡——而苔原正在变绿，这一事实似乎与关于森林对气候变暖反应的传统观点相矛盾。
大约10年前，当时在阿拉斯加大学费尔班克斯分校的格伦·朱代和马丁·威尔姆金开始从费尔班克斯附近和布鲁克斯山脉以南地区收集一套树木年轮样本，这些样本有助于揭开明显的矛盾。他们开始发现，与通常的正相关关系——夏季气温升高会产生更好的生长和更宽的年轮——相反，在某些林分中，较高的气温反而会产生更小的年轮和生长速度更慢的树木。在阿拉斯加西部，那里更潮湿，他们发现随着气候变暖，树木生长得更旺盛，但当他们向东进入更干燥的地区时，他们发现了更小的年轮、受损的树木和挣扎甚至死亡的树木林分。温暖的夏季太干燥了。
另外两位树木年代学家，米德尔伯里学院的安迪·劳埃德和西华盛顿大学的安迪·邦恩，利用他们能找到的每一份北方树木年轮记录，证实北方针叶林的变棕色是一种泛北极现象，尽管它在云杉树中占主导地位，但在所有北方树种中都有发生。树木生长衰退的确切原因仍在研究中，但干旱和热应力是两个主要嫌疑因素，因为变棕色现象在干燥的大陆性地区和每个物种分布范围的南部地区更为常见。
树木还遭受了另外两种方式的打击，这两种方式都被认为与气候变暖有关——昆虫爆发增加以及森林火灾的频率和规模上升。在阿拉斯加，大型森林火灾季节似乎每五年左右发生一次，而不是每十年一次，而云杉树皮甲虫等昆虫的侵扰（到目前为止已摧毁了阿拉斯加超过50万公顷的优质森林）似乎正在加剧。
预测未来很难
苔原和北方针叶林正在发生的变化呈现出一种讽刺的对称性。在过去的50年中，北方针叶林侵占了阿拉斯加苔原南部边缘估计11600平方公里的土地，但在同一时期，它们在其推进的前沿之后一直在干涸、燃烧和遭受昆虫损害。朱代和其他人认为，结果将是从森林向草原的转变。与此同时，苔原正变得越来越灌木丛生，越来越像丛林。未来是否会发生转变，森林开始看起来很像苔原，而苔原看起来越来越像森林？
回答这个问题的问题在于我们理解驱动植被变化的相互关联过程的能力有限，更不用说预测它们的未来走向了。即使北极海冰只是一个由水和冰组成的简单系统，原则上会对可以编码到模型中的物理规则做出反应，但冰的减少速度是科学界13个最佳大型模型预测速度的两倍。目前的预测是北极海将在40年内无冰，但这些预测更多是对观测到的变化的推断，而不是模型结果。对于苔原和北方针叶林，它们具有巨大的生物复杂性和相互竞争的反馈机制——有些会抑制生长，有些会加速生长——现有的模型仍然过于简单，无法产生准确的预测。
在最近的一篇论文中，我的团队尝试使用一个简单的灌木种群增长模型和对比照片来解决苔原灌木的预测问题。令我们惊讶的是，该模型表明灌木扩张始于大约150年前，即小冰期末期。我们原本预计扩张会与自20世纪70年代以来发生的北极快速变暖相对应。另一方面，时间与驼鹿（那些腿长的灌木浏览者）首次出现在阿拉斯加北坡的时间非常吻合。它也与树线扩张的开始时间相吻合。
模型结果表明，部分原因是，灌木一直在缓慢扩张，以应对早于工业革命开始的自然变暖周期。然而，其他方面的证据表明，尽管这种扩张可能是由于自然变暖开始的，但它仍在继续，并且显然正在加速，原因是人为辅助的变暖。在灌木正在扩张的地区，过去四十年也见证了冰川退缩的显著增加、永久冻土变暖速度的增加以及春季开始时间的提前（河流和湖泊的封冻和解冻日期显示）——所有这些都与人类活动加速的气候变化有关。可悲的是，我们不太可能找到20世纪初的照片，而这正是我们需要用来确定1900年至1950年之间的灌木扩张速度是否慢于1950年至今的速度所需的。
同一个简单模型预测，至少需要150年，富含灌木的地区才能完全被灌木覆盖；在现在没有灌木的地方，这将需要更长的时间。然而，信任这一预测的危险在于，该模型不允许发生可能突然改变植被的灾难性影响（例如火灾，灌木往往在受干扰的地区茁壮成长），也不包括可能加速变化的反馈效应。我的直觉是，我们的预测过于保守，苔原景观的变化速度可能比我们粗糙的模型预测的要快。
这种怀疑的一个来源是实际火灾的后果。例如，在2007年7月至9月异常干燥的天气期间，有记录以来最大的雷击苔原火灾在北坡燃烧，烧毁了超过10万公顷的土地。我的同事查克·拉辛在2009年7月访问了该地区。在许多地方，灌木已经重新发芽。在阿拉斯加西部类似的、较旧的苔原燃烧区，灌木覆盖率在30年内扩大了多达八倍。闪电袭击事件的增加和干燥条件可能导致更多火灾。此外，灌木以其更大的生物量和分枝，增加了未来发生火灾的可能性，从而产生了正反馈效应。
在我们知道的发生在苔原上的其他潜在反馈效应中，至少有两个与冬季积雪覆盖有关的正反馈效应。认为冬季会对灌木的生长产生任何影响似乎很奇怪，因为它们在夏季生长，但冬季过程决定了下一个生长季的土壤和水分条件。冬季对北极植物的重要性在于其持续时间长。苔原被积雪覆盖九个月，泰加林被积雪覆盖七个月，这使得这些地区的主要颜色是白色，而不是绿色。
其中一个反馈过程是这样的：在灌木设法超过附近草丛的地方，它们会在冬季滞留积雪，产生积雪，从而加深它们周围的积雪覆盖。雪是一种极好的绝缘体，几乎与羽绒被一样好（这是因为积雪可能高达75%是空气）。在较深的积雪更好地隔离地面的地方，土壤温度高于原本的温度。在一些灌木带，我们发现雪底的温度比相邻的草丛区域高10摄氏度。较温暖的条件促进了土壤中微生物的活动，使其持续到冬季更长时间，从而储存了更多的养分，因此到了夏季，灌木获得了促进。施肥的灌木生长旺盛，因此它们变得更高，从而在随后的冬季滞留更多的积雪，从而加强了循环。
另一个与雪相关的反馈效应源于雪的反照率（反射率）。高大灌木的深色树枝在冬季，尤其是在春季，会突出于雪面之上。这些树枝吸收太阳能的效率比白色雪高出许多倍，足以引起局部变暖并加速春季融化，从而使生长季提前开始并刺激灌木长得更大。
单独来看，冬季反馈效应很容易理解，但由于它们彼此之间或与夏季过程（其中一些过程已得到很好的理解，另一些过程则没有）不是独立的，因此净效应是不确定的。例如，灌木产生的较深积雪原则上应该比周围未积雪的积雪需要更长的时间才能在春天融化。反照率效应能否克服增强的深度效应，还是积雪会胜过加速融化？在夏季，阴影和落叶层是两个尚未完全理解的潜在反馈过程。已知增强的灌木冠层的阴影会产生较低的夏季土壤温度，这可能会抵消冬季积雪增强微生物活性的作用。来自灌木的落叶层会改变灌木周围的养分负荷，从而可能促进生长。
许多研究人员正忙于尝试模拟这些相互矛盾或至少令人困惑的影响；实际上，一些研究小组正在开发苔原和北方针叶林变化的预测模型。但是他们牌组中最大的不确定因素之一是未来气候是否会带来更多的雪或更少的雪。如果这项陆地科学效仿努力理解正在消失的海冰的例子，那么回答重大问题的将是我们物理追踪正在发生的变化并将这些变化投射到未来的能力，而不是仅仅依靠计算机模型。毫不奇怪，来自阿拉斯加的照片对已被用作模型开发中的测试数据。
我们当然很幸运海军在阿拉斯加北坡拍摄了非凡的照片——并且我们设法得到了这些照片。机缘巧合在科学中与在生活的其他方面一样重要。如果我们没有找到这些照片，我们可能不会像我们现在这样快地意识到，景观的转变（其潜在影响可能与海冰消失一样深远）正在我们眼前发生。照片是最生动且易于理解的证据，但如果没有卫星和树木年代学家的细致工作，我们就不会了解故事的其他部分。
现在的挑战是研究出一种方法来预测北极土地上将会发生什么以及发生的速度有多快。生物系统的复杂性使这项任务变得困难。然而，如果我们不尽快做到这一点，变化很可能会超过我们，迫使我们做出反应而不是预测。但我现在相当肯定，这个故事正在用三种颜色上演：绿色、棕色和白色。