累积极端事件威胁南半球企鹅栖息地：生态系统哨兵的生存挑战

《Global Change Biology》：Cumulative Extreme Events Threaten Penguin Habitats Across the Southern Hemisphere

　　本综述首次系统评估了南半球海陆极端事件（海洋热浪MHWs、极端风速、陆地热浪HWs、极端降水）与18种企鹅分布热点的空间重叠及累积效应。研究发现非洲企鹅、斯奈尔斯企鹅、帝企鹅、阿德利企鹅和加拉帕戈斯企鹅面临最高累积极端事件值；除加拉帕戈斯企鹅外，所有物种栖息地均呈现极端事件显著上升趋势（1993–2023）。研究构建了可扩展的空间框架，为极端事件频发背景下生态关键区的保护干预提供科学依据。

　　

1 引言

极端事件被定义为偏离气候平均值并持续特定时间的天气现象，如高温、强降水或洪水。近年来，其强度、持续时间和频率显著上升，对陆地与海洋生态系统构成严重威胁。企鹅作为依赖海陆环境的生态系统哨兵，其生命周期易受极端事件直接（如热应激导致雏鸟死亡）或间接（如海洋热浪改变猎物分布）影响。然而，现有研究多聚焦单一极端事件，缺乏对多事件累积效应的系统性评估。本研究首次整合南半球海陆极端事件数据，以18种企鹅分布热点为研究对象，量化其空间重叠与累积强度，并分析长期趋势，旨在识别高风险生态区并为针对性保护提供框架。

2 方法

2.1 极端事件检测

研究采用1993–2023年每日环境数据，定义极端事件为超过季节性90百分位阈值且持续一定天数（海洋变量>5天，大气变量>3天）的异常值。数据源包括NOAA海表温度（SST）和ECMWF ERA5再分析数据（气温、风速、降水），空间分辨率统一为1°网格。极端事件识别通过MATLAB的m_mhw工具箱实现，计算每个像素点的强度（单位：℃、m/s、m/h）、持续时间（连续天数）及频率（每年发生天数）。

2.2 累积极端事件均值与趋势

为综合评估多事件影响，对强度、持续时间和频率进行归一化处理，并计算累积值。趋势分析采用像素级线性回归，保留显著上升趋势（p<0.05），以预测未来风险区域。图2展示了累积均值与趋势的计算流程，突出多事件协同效应。

2.3 企鹅热点区极端事件分析

基于GBIF occurrence data构建的18种企鹅分布热点，提取其范围内极端事件指标。分别计算海陆环境的累积值，并按物种归一化比较暴露程度。趋势分析中，仅统计热点内显著上升的像素比例，以反映潜在风险覆盖率。

3 结果

3.1 极端事件空间格局（1993–2023）

累积强度高值区集中于南半球中高纬度，如亚热带和亚南极锋面区（图3Ai）。海洋热浪主导低中纬度强度贡献，而极端风速在高纬度作用显著（图3Bi）。陆地热浪是南极洲、巴塔哥尼亚等地累积强度的主要驱动因素。持续时间与频率的高值区则多见于热带太平洋和大陆沿海区域，其中海洋热浪在ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation）影响下呈现长持续时间特征。

3.2 极端事件趋势特征

频率趋势的上升范围最广，覆盖44%陆地和50%海洋区域（图4Aiii）。强度与持续时间趋势空间异质性较强，如南极半岛陆地热浪与极端降水趋势叠加，而海洋中MHWs与极端风速趋势在部分海域共存（图4B）。

3.3 企鹅热点区的暴露度

非洲企鹅和斯奈尔斯企鹅面临最高海洋累积强度，帝企鹅与阿德利企鹅的陆地累积强度最高（图5Bi）。加拉帕戈斯企鹅在持续时间与频率指标上均居首位，其值属南半球最高范畴（图5Aii,iii）。极端风速是多数物种累积强度与持续时间的主要贡献者，而MHWs和HWs主导频率累积（图5B）。

3.4 企鹅热点区趋势风险

除加拉帕戈斯企鹅外，所有物种热点区均检测到至少一类极端事件的显著上升趋势（图6B）。频率趋势覆盖率最高，如竖冠企鹅、斯奈尔斯企鹅热点区超过80%像素呈上升趋势。MHWs与HWs是趋势上升的主要类型，而极端风速的贡献相对下降。

4 讨论

4.1 南半球生态关键区极端事件格局

海洋锋面区因MHWs高强度与高频率成为生态风险焦点，而ENSO相关事件导致热带太平洋地区极端事件持续时间延长。陆地区域如南极洲、南非和澳大利亚的陆地热浪累积强度突出，可能与火灾、冰川融化等连锁效应相关。趋势分析表明，南极半岛的升温与降水增加可能加剧植被变迁，进而影响企鹅繁殖地稳定性。

4.2 企鹅物种的差异化风险

高累积强度事件易引发突发性死亡（如帝企鹅繁殖失败），而长持续时间与高频率事件可能导致慢性种群衰退（如加拉帕戈斯企鹅）。行为适应性（如小蓝企鹅的食性灵活度）或物候调整（如加拉帕戈斯企鹅的繁殖灵活性）可缓解部分压力，但累积效应可能突破物种耐受阈值。需关注小型种群（如非洲企鹅）在极端事件与人为压力叠加下的恢复力限制。

4.3 保护启示与未来方向

本研究提出的空间框架可动态整合新数据，优先识别高风险热点区。保护措施需结合区域特征：南极地区需加强《南极条约》监管，海洋区域通过渔业管理缓解MHWs影响，陆地栖息地修复可提升抗逆性。未来研究应深化极端事件同步性、垂直海洋过程及与渔业等压力的交互作用分析，并通过长期监测关联种群动态。