全球变暖背景下中低纬度海洋绿色衰退与浮游植物水华减少趋势研究

《SCIENCE ADVANCES》：Declining ocean greenness and phytoplankton blooms in low to mid-latitudes under a warming climate

　　本研究针对海洋浮游植物长期监测数据缺失的问题，通过多源数据融合与深度学习构建了2001-2023年全球中低纬度海域叶绿素a数据集。研究发现海洋绿色程度普遍下降，叶绿素a浓度以每年(-0.35±0.10)×10-3 mg m-3的速度减少，海岸带区域下降更为显著。海洋高温事件频率与叶绿素a浓度呈负相关(r=-0.81)，表明气候变暖驱动的海洋层化加剧是主要驱动因素。该研究为理解气候变化对海洋初级生产力的影响提供了重要证据。

　　

海洋，这颗蓝色星球的生命之源，孕育着地球上最微小的生命奇迹——浮游植物。这些微小的光合生物虽然个体微不足道，却 collectively 承担着地球近一半的初级生产力，如同海洋的"草原"，支撑着整个海洋食物网，并在全球碳循环中扮演着关键角色。然而，随着全球气候变暖的加剧，这片广阔的"海洋草原"正面临着前所未有的挑战。

长期以来，科学家们一直试图解开一个关键谜题：在全球变暖的背景下，海洋浮游植物的生物量究竟是在增加还是减少？这个问题的答案关系到我们对未来海洋生态系统和全球碳循环的预测。然而，由于观测技术的限制，特别是卫星遥感数据存在大量缺失（高达70%的数据缺口），以及近岸水域数据质量不佳等问题，使得对这一全球性问题的研究陷入了困境。不同研究团队得出了相互矛盾的结论：有些研究指出海洋正在"变绿"，浮游植物生物量在增加；而另一些研究则发现明显的下降趋势。这种科学争议凸显了我们需要更可靠、更连续的数据集来揭示真相。

正是在这样的背景下，一项发表于《SCIENCE ADVANCES》的重要研究带来了突破。研究人员开发了一种创新的海洋叶绿素a重建神经网络集合模型（OCNET），通过整合多源卫星观测数据、生物地球化学Argo浮标数据（BGC-Argo）以及关键环境驱动因子，生成了2001年至2023年间覆盖中低纬度海域（45°N至45°S）的每日叶绿素a浓度数据集，空间分辨率达到0.25°×0.25°。这一数据集不仅填补了传统观测的数据空白，更提供了前所未有的时空连续性，为揭示海洋浮游植物的长期变化趋势奠定了坚实基础。

研究团队采用的核心技术方法包括：基于深度学习的海洋叶绿素a重建神经网络（OCNET）模型架构，该模型整合了海表面温度（SST）、盐度（SAL）、光合有效辐射（PAR）、海表面压力（SSP）和混合层深度（MLD）等环境变量；利用BGC-Argo现场观测数据对卫星衍生叶绿素a产品进行校正的质量控制流程；定义海洋高叶绿素a事件（MHC）的阈值检测方法，结合90百分位和0.2 mg/m3的绝对阈值；基于垂直广义生产模型（VGPM）的初级生产力（PP）估算框架，整合叶绿素a浓度、SST和PAR数据；以及针对时间序列自相关效应的统计校正方法，确保相关性分析的可靠性。

Chl-a trends for low- to mid-latitude oceans from 2001 to 2023

研究结果显示，2001年至2023年间，中低纬度海洋正在经历明显的"绿色衰退"。全球海洋叶绿素a浓度以平均每年(-0.35±0.10)×10^-3 mg m^-3的速度显著下降，而海岸带区域的下降速度更为惊人，达到(-0.73±0.22)×10^-3 mg m^-3 year^-1，几乎是全球平均值的两倍。空间分布上，北半球呈现下降趋势的区域面积是上升趋势区域的4.4倍，而南半球两者面积大致相当。特别值得注意的是，在河流河口附近观察到了最为显著的叶绿素a浓度下降。

Climate effects on Chl-a concentrations

气候变暖对叶绿素a浓度的影响机制得到了深入阐释。研究发现，全球海表面温度（SST）与叶绿素a时间序列之间的皮尔逊相关系数达到-0.81，表明海洋变暖与浮游植物生物量减少之间存在强烈的负相关关系。这种关联的机制在于：全球变暖导致上层海洋比深层更快升温，加剧了海洋层化（stratification），从而削弱了营养物质从深层向表层的垂直输送，限制了浮游植物的生长。研究还发现，海洋高叶绿素a事件（MHC）的频率对全球变暖的敏感性比平均叶绿素a浓度更高，75%的大型海洋生态系统（LME）区域显示SST与MHC事件频率呈显著负相关。

Implications for PP

基于垂直广义生产模型（VGPM）的估算表明，中低纬度海洋的初级生产力（PP）正以每年-0.088%的速度显著下降，相当于每年减少(0.032±0.025)亿吨碳。海岸带区域的下降速度更快，达到-0.145%每年，比全球平均水平高出约60%。这一发现与观测到的叶绿素a下降趋势一致，强调了海岸带生态系统对近期气候和人为变化的脆弱性。

DISCUSSION

讨论部分深入分析了海洋高叶绿素a事件（MHC）作为浮游植物水华（algal blooms）指示器的有效性。通过对比不同海区的三个事件，研究证实MHC事件能够有效识别水华现象。与先前基于不完整数据集的研究结论不同，本研究提供的连续数据集表明，全球藻类水华的整体发生频率实际上在下降，这一差异主要源于数据覆盖度的改善。研究强调，尽管某些区域由于人类活动（如营养盐输入增加）可能出现水华加剧，但全球整体趋势是下降的。

该研究的重大意义在于首次提供了全球一致、时空连续的叶绿素a浓度数据集，确凿地证实了中低纬度海洋绿色程度的普遍下降趋势。这一发现将海洋叶绿素a浓度下降、海岸带MHC事件减少与海表面温度上升明确联系起来，表明海洋变暖导致的层化加剧很可能导致全球海洋初级生产力减少和浮游植物水华发生频率降低。这些变化将对海洋生态系统功能的规模和分布产生深远影响，不仅威胁海洋渔业资源，还可能改变海洋的碳吸收能力，进而反馈于全球气候变化系统。

这项研究为理解气候变化对海洋生态系统的影响提供了关键科学证据，为制定有效的海洋保护政策和气候变化应对策略提供了重要依据。随着全球变暖的持续，监测和理解这些变化对于保护海洋生态系统的健康和功能至关重要。