全球冷水珊瑚生物地理分布及其对未来气候变化的响应与保护意义

《Global Change Biology》：Global Cold-Water Coral Biodiversity Redistribution Under Projected Climate Change

本文通过集成机器学习物种分布模型，首次系统评估了741种冷水珊瑚（CWC）的全球生物地理格局，揭示了其在共享社会经济路径（SSP）情景下的物种丰富度变化、群落更替及气候庇护所分布，为深海脆弱生态系统的保护提供了关键科学依据。

　　

全球冷水珊瑚生物地理格局与气候响应

引言

冷水珊瑚（CWC）是深海生态系统的关键工程师物种，通过构建复杂的三维结构为大量海洋生物提供栖息地，显著促进深海生物多样性。然而，气候变化导致的海洋变暖、脱氧和酸化等压力正严重威胁其生存。尽管冷水珊瑚已被联合国指定为脆弱海洋生态系统（VME），但全球尺度的分布模式、生物多样性热点及其对未来气候变化的响应机制仍不明确，严重制约了有效保护策略的制定。

方法

研究团队整合了全球741种冷水珊瑚（涵盖Octocorallia、Scleractinia、Antipatharia等类群）的专家验证分布数据，结合Bio-ORACLE v3.0提供的环境变量（如温度、溶解氧、pH、地形粗糙度等），采用三种机器学习算法（BRT、AdaBoost、XGBoost）构建物种分布模型（SDM）。模型通过10折空间交叉验证优化超参数，并施加单调性约束以增强生态合理性。为减少过预测，研究设置了200公里的最大扩散限制，并基于物种深度分布范围约束预测区域。通过叠加物种分布图，量化了当前和未来（SSP1-1.9和SSP3-7.0情景下）的物种丰富度、群落更替及气候庇护所（即栖息地稳定性区域）。此外，利用k-means聚类分析了冷水珊瑚的生物地理区划，并通过ANOSIM验证了区划的显著性。

结果

模型表现出色，平均AUC达0.93，Boyce指数为0.69。预测显示，最小/最大温度和地形粗糙度是驱动冷水珊瑚分布的主要环境因子（合计贡献54.8%）。当前物种丰富度热点集中在西大西洋（最高137种）和西太平洋沿岸，而深海区域多样性较低。生物地理区划识别出10个显著不同的生物区（BR），其中BR10（地中海和大陆架区域）物种最丰富（580种），而BR5（墨西哥湾和加勒比海）和BR6（北大西洋）特有性最高。区划结构主要受深度梯度影响，平均深度从BR8的79米到BR9的4187米。

未来投影表明，尽管适宜栖息地总面积变化不大（SSP1-1.9下增加1.6%，SSP3-7.0下减少0.4%），但物种层面呈现显著的极向和深度迁移。SSP3-7.0情景下，平均分布深度将增加26米，物种丰富度在低纬度沿海地区大幅下降（如中西洋损失达66种），而高纬度深海区域有所增加。气候庇护所广泛存在（SSP3-7.0下覆盖89.2%当前分布区），但群落更替加剧，尤其在深海和极地地区，BR3的更替率高达0.38。特有性增加暗示物种分布范围收缩，可能提升其脆弱性。

讨论

本研究揭示了冷水珊瑚对气候变化的高度敏感性，强调减排（如SSP1-1.9路径）对缓解生物多样性损失的关键作用。生物地理区划和气候庇护所识别为海洋保护区（MPA）规划提供了科学依据，支持"3030"全球保护目标。然而，模型在扩散限制、生物互作及底质可用性等方面存在不确定性，未来需结合实地观测和生理实验深化机制研究。研究成果通过FAIR数据原则公开，助力全球深海生态系统保护。