欧洲潮间带海草的首张高分辨率地图：揭示纬度梯度与季节动态

《Remote Sensing of Environment》：An initial map of European intertidal seagrass

本研究针对欧洲潮间带海草缺乏大陆尺度统一评估的问题，利用Sentinel-2卫星影像和ICE CREAMS深度学习模型，首次绘制了高分辨率（10米）的欧洲潮间带海草地图。研究发现海草覆盖面积达212±18.8平方公里，覆盖度随纬度降低而增加（从58°N的0%至35°N的5.4%），并发现海草生长峰值时间随纬度升高而提前的线性规律。该研究为欧盟《自然恢复法案》提供了关键基线数据，推动了基于FAIR原则的海洋生态系统管理。

　　

在广阔的欧洲海岸线，潮间带如同一条动态的边界，每日经历着潮水的涨落。这里孕育着一种重要的生态系统工程师——潮间带海草。它们虽然不像珊瑚礁或红树林那样引人注目，却默默提供了诸多关键的生态系统服务：为鱼类和贝类提供栖息地，稳定海岸线沉积物，甚至帮助调节气候通过固碳。然而，这些宝贵的生态系统正因其毗邻人类活动区而变得异常脆弱。

令人惊讶的是，尽管潮间带海草具有重要的生态指示意义，但直到今天，我们仍缺乏对整个欧洲大陆范围内潮间带海草分布的系统了解。现有的全球海草评估要么未提及潮间带物种，要么将其与水下海草混为一谈。这种数据空白严重制约了有效的保护和管理政策的制定，特别是在欧盟《水框架指令》、《海洋战略框架指令》以及新近通过的《自然恢复法案》都将海草保护列为优先事项的背景下。

传统上，潮间带海草的测绘主要依赖耗时耗力的野外调查，难以覆盖整个草甸范围。虽然遥感技术近年来取得了显著进展，但之前的测绘努力往往存在方法不统一、时空不匹配、空间偏差等问题。有些研究将潮间带和水下海草不适当地合并，有些则仅突出潜在的生境位置而非真实存在。这种不一致性使得不同地区的数据难以比较，也无法准确反映欧洲潮间带海草的真实状况。

为了填补这一关键空白，由法国南特大学领衔的国际研究团队在《Remote Sensing of Environment》上发表了一项开创性研究。研究人员开发并应用了一套名为ICE CREAMS（欧洲潮间带分类：利用Sentinel-2对出露海区海洋植被反射率进行分类）的深度学习神经网络模型，结合谷歌地球引擎（Google Earth Engine）的云计算能力，对2018年至2023年间覆盖欧洲15,100平方公里潮间带区域的约20万亿个Sentinel-2像素进行了分析。

研究团队采用了几项关键技术方法：首先，他们利用全球潮间带掩膜识别研究区域，并综合运用云概率数据集和Cloud Score+方法进行精确的云掩膜处理；其次，他们创建了五个最大化NDVI（归一化植被指数）的质量镶嵌图，以捕捉海草植被最茂盛的时刻，并通过多数投票原则（五个分类中至少三个预测为海草）来确定最终的海草分布，这种方法有效减少了短暂性大型藻类繁殖事件造成的误判；第三，研究使用了更新版的ICE CREAMS v1.3模型，该模型的训练像素从v1.1的373,814个增加至738,004个，并在61,162个独立标记的验证像素上显示出91%的全局准确率和0.7的F1分数，性能显著提升；此外，研究还利用Sentinel-1合成孔径雷达（SAR）数据创建了固体结构掩膜，以排除模型未训练的栖息地（如盐沼、岩石礁石）；最后，研究人员采用广义加性模型（GAMs）在贝叶斯框架下分析了海草覆盖比例、覆盖度组成和物候峰值时间随纬度的变化规律。

3.1. 模型验证

模型验证结果显示，ICE CREAMS v1.3相较于v1.1版本有显著改进。虽然v1.1预测出了更多的真实海草像素（多3.7%的真阳性），但其错误预测的海草像素更是大幅增加了96%（假阳性）。v1.3通过减少对海草的过度估计，实现了全局准确率从88%提升至91%，F1分数从0.64提升至0.7，为大陆尺度的海草测绘提供了更可靠的分类工具。

3.2. 欧洲最大的海草热点区

研究发现欧洲共有12个潮间带海草热点区，其中面积最大的三个覆盖了欧洲完整的纬度范围：北弗里斯兰瓦登海（德国，14.6 km²）、阿卡雄湾（法国，6.06 km²）和里亚福莫萨（葡萄牙，5.64 km²）。值得注意的是，不同纬度热点区的海草覆盖度分布存在明显差异：南部站点（如里亚福莫萨）以高覆盖度等级（80-100%）为主，而北部站点（如北弗里斯兰瓦登海）则整体呈现相对较低的覆盖度（50-60%）。

3.3. 国家层面的潮间带海草面积模式

在国家层面，潮间带可用总面积及其被海草累积覆盖的面积存在很大差异。德国拥有最大的潮间带海草面积（67 ± 6.05 km²），其次是法国（49 ± 4.15 km²）。然而，这些国家也具有最大的总潮间带面积和相关不确定性，因此其潮间带被海草覆盖的比例相对较低（分别为1.5%和2.7%）。西班牙和葡萄牙等总潮间带面积较小的国家则显示出更高的比例覆盖率（分别为7.5%和5.6%）。所有国家的潮间带被海草覆盖的平均面积为1.4%，范围从西班牙的7.5%到比利时的0.1%。

3.4. 海草覆盖度的纬度变化

跨欧洲大西洋海岸线，潮间带被海草覆盖的比例随着纬度降低而明显增加，从58°N的约0%增加到35°N的约5.4%。同时，填充该区域的海草覆盖度也显示出清晰的纬度模式。较低覆盖度的海草（如50-60%和60-70%）在较高纬度更普遍，在较低纬度较少；而最高覆盖度（如80-90%和90-100%）则呈现相反趋势，在较低纬度更为普遍。中等覆盖度的海草等级（70-80%）未显示明显趋势。

3.5. “峰值”时间的季节变化

在欧洲尺度上作图显示，欧洲大西洋和北海海岸的潮间带海草草甸在一年中达到峰值的时间存在明显的纬度梯度。该模式显示高纬度（58°N）海草覆盖度在7月20日左右达到峰值（范围从6月30日至8月9日），中纬度（46°N） around 9月8日左右达到峰值（范围从8月29日至9月18日），低纬度（35°N） around 10月28日左右达到峰值（范围从10月8日至11月27日），沿整个纬度范围呈现出近乎线性的变化。

该研究的结论和讨论部分强调了这项工作的开创性意义。这是首次使用统一方法总结的欧洲范围潮间带海草地图。利用开放获取数据，研究发现了12个海草热点区，以及海草覆盖度和海草峰值时间清晰的、近乎线性的模式。与之前的评估比较显示，当前方法在产生欧洲海草间无偏比较方面具有高度稳健性，同时也凸显出尽管某些区域的潮间带海草有文献记载，但测量方式并不统一。

控制可用潮间带面积后，研究发现向欧洲南部方向海草出现率增加，同时存在的海草覆盖度也增加。这暗示着与海草相关的生物多样性可能向低纬度增加，并且这种模式因海草覆盖度的同时增加而得到加强。海草覆盖度随纬度降低而增加表明，跨欧洲大西洋和北海海岸线，海草覆盖的主要驱动因素是全球尺度过程，如温度、光照条件、养分和水分可用性等。

物候学的这种纬度变化对先前关于欧洲海草性状物候变化极小或一致的断言提出了挑战。近乎线性的纬度模式意味着大尺度驱动因素（如温度和PAR的变化）比局部驱动因素更具影响力。这对于理解气候变化下海草的响应至关重要。

在管理层面，这项研究为具有里程碑意义的《欧洲自然恢复法案》提供了关键的基线数据。该法律鼓励恢复最具碳捕获和储存潜力的栖息地，而海草床正是这样的生态系统。促进退化海草床的大陆尺度恢复需要跨境合作，自然管理者必须能够获取最佳的、具有明确时空信息的地图，以指导可持续的供体材料收集和优化选址。

然而，研究也指出了数据一致性和协调性方面的挑战。欧洲各国的海草地图通常不完整，且现有数据的收集方法并非总是可比较的。缺乏一致性和协调性限制了数据的效用。本研究提供的开放获取产品和交互式网络地图既是一个初步的欧洲范围潮间带海草地图，也是对数据管理者和遥感界通过联合合作加速该产品开发的“行动呼吁”。这些数据的准确性依赖于其他少数产品（即潮间带掩膜、大气校正、ICE CREAMS分类和遥感覆盖度估算）的准确性，因此改进这些产品将有益于整个潮间带海草地图的准确性。为实现这一目标，迫切需要按照FAIR（可发现、可访问、可互操作、可重用）原则提供数据。

总而言之，这项研究提供了欧洲尺度的首张最新潮间带海草地图，提供了空间、时间和不确定性明确的数据。它改进了ICE CREAMS分类，应用了稳健且可扩展的大陆尺度测绘方法，并提供了免费开放的数据和用户友好工具。尽管作为所有大陆尺度地图，在局部尺度使用前应进行进一步的验证和后处理，且方法论中仍存在不确定性，但这份地图提供了关键的、全欧洲统一的基准数据，对于地方、国家和国际管理组织极具价值，将有助于保护、防止进一步退化乃至恢复这一处于陆海交界处的重要海洋生态系统。