《Nature》文章：南极浮游植物群落在海冰环境变化下的重组

研究背景

南极海洋生态系统是全球气候系统的重要组成部分，浮游植物作为南极海洋食物网的基础和生物碳泵的关键驱动者，其群落结构变化对全球碳循环和海洋生态系统功能具有深远影响。以往研究多局限于短期观测或单一环境因子分析，缺乏对南极浮游植物群落在长时间尺度下对多重环境变化响应的系统性认识。

不同浮游植物类群在生态功能上存在显著差异：硅藻是南极磷虾的首选食物，其密集的硅质外壳使其在生物碳泵中发挥关键作用；而定鞭藻和隐藻等小型浮游植物更多地支持微生物食物网，对碳输出的贡献相对较小。随着南极地区经历前所未有的环境变化，包括海冰急剧减少、海洋升温和铁可用性下降等，理解这些变化如何影响浮游植物群落结构变得至关重要。该研究通过构建迄今为止最大规模的南大洋浮游植物数据库，结合先进的机器学习方法和多源环境数据，系统揭示了南极浮游植物群落在气候变化驱动下的重组规律，为预测未来南极海洋生态系统演变和制定相应的保护策略提供了科学依据。

研究方法

研究设计与数据整合

该研究以南极大陆架和季节性海冰区(SSIZ)为研究区域，系统整合了来自1997-2023年间14,824个色素样本的大型数据库。植被变化数据主要来自多个科学航次的原位观测，空间覆盖整个南大洋主要生产区域。环境数据则包括欧洲空间局海表温度气候变化倡议(ESA SST CCI)产品、海冰浓度数据，以及ECCO-Darwin数据约束海洋生物地球化学模型输出，实现了多源、多时空分辨率的数据集成。

机器学习建模方法：

研究采用随机森林回归算法构建浮游植物群落预测模型。通过phytoclass软件对色素样本进行分类，识别硅藻、定鞭藻、隐藻等关键类群。每个模型使用十种不同的随机种子重复训练，以评估模型的稳健性和不确定性。模型性能通过十折交叉验证进行评估，确保训练和测试数据来自不同航次，避免过拟合。

环境驱动因子分析

研究选择了十个关键环境变量作为模型输入，包括海表温度(SST)、海冰浓度(SIC)、海表盐度(SSS)、混合层深度(MLD)、表层海洋铁浓度等。通过偏依赖图分析各环境因子对不同浮游植物类群的影响，并使用Spearman相关分析量化环境变量与浮游植物分布的统计关系。

趋势分析与统计检验

采用Sen斜率方法计算长期趋势，该方法对异常值不敏感，提供稳健的非参数趋势估计。使用经过自相关校正的Mann-Kendall检验评估趋势的统计显著性。通过LOESS平滑方法进行季节性趋势分解，识别数据中的长期趋势和周期性变化。为处理多模型输出的不确定性，采用Fisher组合概率检验方法。

研究结果

南极地区叶绿素a浓度的时空变化趋势（1997-2023年）

该图揭示了南极大陆架和季节性海冰区叶绿素a浓度在过去26年间的显著时空变化模式。空间分布图（a）显示，叶绿素a浓度的十年变化趋势呈现明显的区域差异性，绿色区域代表浓度增加，紫红色区域代表浓度下降。季节性海冰区（SSIZ）普遍呈现增加趋势，而南极大陆架的某些高生产力区域如普里兹湾和罗斯海则出现了显著下降。时间序列分析（b、c）进一步证实了这种变化的复杂性：夏季叶绿素a异常值显示出明显的年际波动，红色趋势线表明整体呈现上升趋势，但存在显著的阶段性特征。年度数据（c）显示变化幅度相对较小但趋势一致。这种空间异质性和时间变异性反映了南极海洋生态系统对气候变化响应的复杂性，不同区域受到海冰变化、营养盐供应和物理海洋条件变化的不同影响程度。

三种主要浮游植物群落的空间分布、变化趋势及其与海冰的关系

该图系统展示了硅藻、定鞭藻和隐藻三大浮游植物类群在南极海域的分布格局和长期变化趋势。空间分布图（a）显示硅藻在南极大陆架占主导地位（深红色，约46%），定鞭藻次之（橙色，约32%），而隐藻主要分布在西南极半岛地区。变化趋势图（b）揭示了显著的群落重组现象：硅藻在大部分陆架区域呈下降趋势（紫红色），而定鞭藻和隐藻普遍增加（绿色）。时间序列分析（c）发现了关键的生态转折点——2017年，在此之前硅藻持续下降（-0.03 yr-1），定鞭藻增加（0.031 yr-1），2017年后硅藻强劲反弹（0.09 yr-1），隐藻大幅增加（0.07 yr-1）。海冰关系分析（d）表明这一转折点与南极海冰浓度的急剧下降完全吻合，2017年后硅藻与海冰的相关性显著增强（R2=0.31），揭示了海冰变化对浮游植物群落结构的决定性影响。

2017年前后浮游植物群落变化趋势的空间对比

该图清晰展示了以2017年为分界点的浮游植物群落变化的空间异质性特征。在1997-2017年期间，硅藻在南极大陆架的大部分区域呈现广泛的下降趋势（紫红色），特别是在罗斯海、普里兹湾等传统高生产力区域下降最为显著。定鞭藻在同期表现出轻微的增加趋势，主要集中在某些陆架边缘区域。隐藻的变化相对有限，主要在西南极地区有所增加。然而，2017-2023年期间呈现出截然不同的模式：硅藻在大部分区域实现了强劲反弹（绿色），除西南极地区仍持续下降外，东南极和罗斯海地区的恢复尤为明显。定鞭藻的变化趋势变得更加复杂和空间异质化。最引人注目的是隐藻的爆发性增长，从局限于西南极地区扩展到几乎整个环极地区，包括罗斯海沿岸、普里兹湾和威德尔海等区域，显示出这一小型浮游植物类群对海冰消失的快速响应能力。

1997-2023年间主要环境因子的十年变化趋势

该图揭示了驱动南极浮游植物群落变化的关键环境因子在过去26年间的显著变化趋势。海表温度（SST）显示出明显的区域性升温模式，西南极半岛地区升温最为显著（绿色），而某些东南极区域出现降温（紫红色）。海冰浓度（SIC）呈现大范围下降趋势，特别是在威德尔海、别林斯高晋海和阿蒙森海等区域下降幅度达到每十年2-4%，这与全球海冰记录最低值的观测一致。表层海洋铁浓度（Fe）在整个研究区域普遍下降，这对依赖高铁环境的硅藻构成了严重挑战。海表盐度（SSS）变化呈现复杂的空间模式，西南极地区显著淡化，而罗斯海和普里兹湾地区盐度略有增加。混合层深度（MLD）的变化同样具有空间异质性，罗斯海和普里兹湾地区加深，而威德尔海和西南极地区变浅。这些环境变化的协同作用解释了不同浮游植物类群响应的差异性：硅藻受到铁限制和海冰减少的双重压力，而小型浮游植物则能够更好地适应这些环境变化。

小结

该团队首次系统性地评估了南极浮游植物群落组成变化与海冰环境变化之间的耦合关系，覆盖了1997-2023年长达26年的时间尺度。研究创新性地采用了全球最大规模的南大洋原位色素数据库（14,824个样本），结合机器学习框架和卫星及模型环境数据，全面揭示了硅藻、定鞭藻和隐藻等关键浮游植物类群对气候变化的响应机制。研究发现，南极浮游植物群落对海冰变化的响应表现出明显的阶段性特征，在2016年出现重要转折点，对理解和预测全球气候变化背景下南极海洋生态系统的未来演化具有重要意义。

来源：Nature