北大西洋马尾藻海马尾藻自2015年急剧减少：气候变化驱动的生态系统格局转变

《Nature Geoscience》：Dramatic decline of Sargassum in the north Sargasso Sea since 2015

　　本刊推荐：为揭示北大西洋漂浮马尾藻（Sargassum）分布格局的剧变，研究人员利用卫星与现场观测数据，系统分析了2000-2023年北大西洋马尾藻动态。研究发现，自2015年起，北大西洋副热带环流中心的马尾藻海（SS）北部（NSS）马尾藻生物量急剧下降（均值从0.175±0.176百万吨降至0.014±0.016百万吨，p=0.011），其季节性峰值由秋冬季转变为春夏季，与热带大西洋大西洋马尾藻带（GASB）同步。该变化归因于历史源区墨西哥湾西北部（NW GoM）马尾藻供给中断及GASB来源马尾藻的生态适应性差异，标志着全大洋漂浮马尾藻分布正经历系统性转变。

　　

在浩瀚的北大西洋中心，有一片以藻类命名的独特海域——马尾藻海（Sargasso Sea, SS）。这里因其富含的漂浮马尾藻（Sargassum）而闻名，这些大型褐藻在开阔的海洋中形成了独特的“金色漂浮雨林”，为众多海洋生物提供了至关重要的栖息地和庇护所。历史上，大西洋中的马尾藻主要聚集于此。然而，生态格局在2011年发生了转折。这一年，科研人员在热带大西洋发现了一条横跨大洋的巨型藻带——大西洋马尾藻带（Great Atlantic Sargassum Belt, GASB）。自此，GASB几乎每年都会出现（除2013年外），其规模宏大，吸引了全球研究者的目光，相关研究多聚焦于这一新生藻带的成因、影响及其对沿海生态、经济和人类健康的挑战。

就在GASB成为研究热点的同时，一个关键问题被相对忽视：作为马尾藻“历史家园”的马尾藻海本身，其藻类种群在此期间发生了怎样的变化？是否也受到了GASB崛起的影响？为了回答这个问题，由Yingjun Zhang、Brian B. Barnes、Deborah S. Goodwin等领衔的研究团队，综合利用长达二十余年的卫星遥感和现场观测数据，对北大西洋马尾藻的分布、丰度和迁移路径进行了深入剖析。他们的研究揭示了一个令人震惊的趋势：自2015年以来，马尾藻海北部（North Sargasso Sea, NSS）的马尾藻出现了戏剧性的衰退。这项重要的研究成果发表于《Nature Geoscience》，揭示了北大西洋马尾藻生态系统可能正在经历一场根本性的格局转变。

为了系统揭示马尾藻的长期变化规律，研究人员主要采用了两种关键技术方法。首先是卫星遥感技术，他们处理了2000年3月至2024年2月期间的MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）卫星数据，利用改进的漂浮藻类指数（Alternate Floating Algae Index, AFAI）和深度学习模型（Res-UNet）来识别和量化马尾藻的分布和面积密度，并将其转换为生物量（使用转换因子3.34 kg wet biomass m^-2）。其次是现场观测，研究分析了1993年至2023年间由海洋教育协会（Sea Education Association）船只收集的5,587个浮游生物网（neuston net）样本数据，这些样本提供了不同区域、不同季节马尾藻的密度和形态型（Sargassum natans var. natans, Sn_n; S. fluitans, Sf; S. natans var. wingei, Sn_w）组成信息。此外，研究还结合了海表温度（SST）、混合层深度（MLD）、叶绿素a浓度、海面风场和流场等多种环境数据集，以探讨马尾藻变化的环境驱动机制。

长期变化和季节性规律

研究发现，在GASB形成之前（2000-2010年，即“前GASB时代”），卫星观测到的马尾藻主要分布在马尾藻海，其次是墨西哥湾（GoM）和加勒比海（CS）。在GASB初期（2011-2014年），马尾藻海内的马尾藻分布模式基本保持不变。然而，到了近期GASB时代（2015-2023年），随着GASB的大规模扩张，NSS的马尾藻几乎消失殆尽（图1c）。2019年和2021年是两个例外年份，其藻华模式异常。

具体数据显示，卫星观测的NSS马尾藻平均生物量（±1标准差）从2000-2014年的0.175 ± 0.176百万吨，显著下降至2015-2023年的0.014 ± 0.016百万吨（t=2.83; p=0.011）（图2a）。现场观测的加权平均密度也从203 kg km^-2降至113 kg km^-2（图2b）。更值得注意的是季节性的转变：在前GASB时代，NSS马尾藻在秋冬季达到峰值，春季最低（图3a）。而在近期GASB时代，其季节性峰值转变为春夏季（图3c），这与GASB的季节性模式（图2c）相一致。分析表明，当地的海洋环境条件（如SST、MLD）在这些年间相对稳定，并非导致NSS马尾藻衰退的主要原因。

源区和迁移路径

NSS马尾藻的急剧减少似乎与其主要历史源区——墨西哥湾西北部（NW GoM）的变化密切相关。路径分析显示（图4）：

• •
  在前GASB时代（图4b），马尾藻遵循“路径1”：每年约2月首先在NW GoM出现，春季/夏季通过环流和涡旋向东经墨西哥湾环流（Loop Current）、佛罗里达海流（Florida Current）进入湾流区（GSR），秋季/冬季再随局地海流和风场辐合带向南进入NSS。
• •
  在GASB初期（2011-2014年，图4c），马尾藻海同时接收来自NW GoM（路径1）和GASB（路径2和3）的马尾藻。来自GASB的马尾藻部分通过路径3（安替列海流，Antilles Current）直接进入南马尾藻海（SSS），部分通过路径2（经加勒比海和尤卡坦海流）进入墨西哥湾，再仿照路径1进入GSR。但在此期间，NW GoM源仍是NSS马尾藻的主要贡献者。
• •
  在近期GASB时代（图4d），情况发生根本改变。NW GoM源区的马尾藻生物量极低（图2d），意味着路径1基本中断。虽然GASB通过路径2向墨西哥湾输送了大量马尾藻，但这些藻类在经由湾流北上时，仅有极少部分能到达NSS。

NSS马尾藻衰退的生态学基础

马尾藻的寿命约为1年，其生长和衰退受温度强烈影响。实验室和野外实验表明，其最适生长温度在~23至28°C之间。温度低于20°C时，Sn_n和Sf生长减慢，Sn_w停止生长；温度接近或高于30°C时，所有形态型都会出现衰退，其中Sn_n的耐热性最差（从28°C开始）。NW GoM源区自2015年以来缺乏马尾藻（图2d），表明路径1的停止是NSS衰退的直接原因。而GASB源区的马尾藻（常以Sn_w为主）在经由路径2长途跋涉到达GSR并试图进入NSS时，会遭遇较冷（18°至22.5°C）、贫营养的水体，Sn_w难以存活。因此，即使有少量GASB源马尾藻到达NSS附近，也无法在此建立种群或形成藻华。此外，GASB源马尾藻在穿越热带高温水域（28°至>31°C）时，其生理健康已受到负面影响，这也削弱了其成功定殖NSS的能力。NW GoM本地种群的衰退可能与该海域自2013年以来的变暖趋势、日益频繁和强烈的海洋热浪（marine heatwaves）事件以及来自GASB的巨大藻量的营养竞争有关。

2019年和2021年异常年份事件

2019年和2021年的异常藻华事件进一步印证了上述机制。2019年，NSS的藻华并非由GASB源马尾藻输入导致，而是由SSS区域的本地Sn_n种群在有利的局部环境条件（如更深的MLD和异常温暖的水温）下异常增殖形成。2021年的事件中，GASB通过路径2将马尾藻输送至NSS及周边水域，并在异常温暖水温和深MLD的支持下形成了藻华。这两个特例表明，在特定的极端环境条件下，NSS仍可能出现马尾藻增殖，但这并未改变其长期衰退的整体趋势。

马尾藻海的未来

本研究揭示了与GASB出现和扩张相伴随的 basin-scale（盆地尺度）马尾藻迁移路径和形态型组成的转变，并提出了一个连接两个关键过程的假说来解释NSS的衰退：第一，历史源区NW GoM的马尾藻供给中断；第二，GASB源马尾藻（尤其是Sn_w）由于生态适应性（如生长速率、温度耐受性）和长途迁移后的生理状态等原因，无法在NSS成功定殖和繁殖。研究人员认为，这些变化共同代表了全大洋漂浮马尾藻（holopelagic Sargassum）正在经历一场格局转变（regime shift）。驱动这一转变的环境变化可能包括特定事件（如2010年可能促成GASB形成的北大西洋涛动异常）以及历史源区（如墨西哥湾）栖息地适宜性的广泛改变（如海表温度升高）。鉴于热带大西洋比马尾藻海提供了更适宜（光照、温度、营养盐）的条件来维持庞大的马尾藻种群，GASB的强化似乎已成为新常态。如果本研究关于NSS和历史源区NW GoM马尾藻衰退的假说成立，那么所观察到的马尾藻分布和季节性格局的转变预计将持续下去。

这项研究不仅首次系统揭示了马尾藻海核心区域马尾藻种群令人担忧的衰退趋势，更重要的是，它指出了北大西洋海洋生态系统可能正在发生深远的结构性变化。随着全球气候变化的持续，理解此类格局转变的驱动机制和生态后果，对于预测和管理海洋生态系统的未来至关重要。