星载激光雷达揭示过去十年南极冬季浮游植物净初级生产力被低估的加速增长

《Nature Communications》：Underestimated accelerated Antarctic phytoplankton net primary production in winter over past decade from spaceborne LiDAR

本研究利用星载激光雷达(CALIOP)技术，突破了传统被动遥感在极地冬季低光照条件下的观测局限，首次系统评估了2006-2023年间南极季节性海冰区浮游植物净初级生产力(NPP)的时空变化。研究发现南极冬季NPP存在显著被低估的加速增长趋势(约2.2 Tg C yr-1)，主要驱动因素为海冰消退、光照增强和营养盐混合。这一发现重新定义了南大洋作为全年碳汇的角色，对完善全球碳循环模型具有重要科学意义。

　　

在南极的极夜环境中，传统认知认为浮游植物活动几乎停滞，但最新研究表明这片冰封世界正悄然发生着重大生态变革。由于被动卫星传感器依赖太阳光照，南极冬季长达数月的黑暗期一直被视为遥感观测的盲区，导致我们对这一关键时期海洋初级生产力的认知存在巨大空白。这种数据缺失不仅影响了对南大洋碳汇能力的准确评估，更阻碍了我们理解气候变化如何影响极地生态系统。

《自然·通讯》最新发表的研究通过创新性地运用星载激光雷达技术，首次揭示了南极冬季浮游植物净初级生产力(NPP)被严重低估的加速增长现象。研究团队发现，过去十年间南极冬季NPP以每年约2.2太克碳的速度显著增加，这一发现彻底改变了我们对南大洋碳循环季节动态的传统认知。

研究团队开发了一种名为"双分支两步法"(TBTS)的深度学习模型，通过分析云-气溶胶激光雷达与正交偏振(CALIOP)16年间的观测数据(2006-2023年共16,236条轨道)，成功反演了叶绿素a浓度(Chla)、后向散射系数(b_bp)和衰减系数(K_d)等关键参数。与传统的中分辨率成像光谱仪(MODIS)相比，CALIOP将南极冰盖海域的有效观测覆盖率从12.5%大幅提升至80.7%，特别是在6月观测覆盖率超过50%，7-8月超过80%，彻底解决了冬季观测数据稀缺的难题。

被低估的南极冬季NPP显著增长

空间分析显示，CALIOP观测到的冬季NPP高值区主要集中在季节性海冰区边缘，特别是威德尔海和罗斯海等海冰消退区域。相比之下，MODIS虽然能捕捉相似的空间分布模式，但由于低光照条件限制，严重低估了实际生产力水平。时间序列分析更揭示出令人瞩目的变化趋势：2007-2022年间，CALIOP估算的南极冬季NPP年均值为54.5±8.9 Tg C，是MODIS估算值(8.5±1.4 Tg C)的六倍以上。特别是在2012-2022年间，NPP呈现出显著的加速增长趋势，年增长率达2.24 Tg C (R=0.84, P<0.01)，这与南极冬季海冰范围的持续减少密切相关。

显著的亚区域趋势和季节周期

研究将南极季节性海冰区划分为五个关键亚区域：威德尔海(WS)、南印度洋(SIO)、西南太平洋(SPO)、罗斯海(RS)和别林斯高晋-阿蒙森海(BAS)。分析显示，各区域NPP增长存在显著差异，其中威德尔海和罗斯海增长最为显著，年增长率分别达7 Tg C和5 Tg C。季节周期分析表明，CALIOP数据成功捕捉到南极冬季(6-8月)早期NPP增加的现象，这一发现在MODIS数据中完全缺失，凸显了主动遥感技术在极地环境监测中的独特优势。

南极亚区域NPP季节驱动因素的转变

通过随机森林模型分析环境参数对NPP的贡献度，研究发现南极冬季和夏季的主导驱动因素存在显著差异。冬季主要受物理因素控制，如海冰浓度(SIC)、海表盐度(SSS)和海表温度(SST)等，这些因素通过调节光照可利用性和水体分层影响浮游植物生长。而夏季则转变为营养盐可利用性主导，特别是溶解铁(DFe)、硝酸盐(NO₃)和磷酸盐(PO₄)等关键营养元素的供应成为限制性因素。这种季节转换反映了南极海洋生态系统从物理调控向生物调控的动态变化过程。

南极NPP变化的机制解释

研究采用PCMCI+算法定量分析了气候和环境因素与NPP之间的因果关系。结果显示，南半球环状模(SAM)作为主导气候模态，通过调节海冰分布、混合层深度和光照条件，对南极NPP变化产生重要影响。同时，热带气候现象如厄尔尼诺-南方振荡(ENSO)也通过遥相关作用影响南极海冰动态和营养盐补给。全球气候变暖背景下，海冰减少导致的光合有效辐射(PAR)增加，以及混合层加深带来的营养盐补充，共同促进了南极NPP的显著增长。

生态意义

这项研究从根本上改变了我们对南大洋在全球碳循环中作用的理解。南极冬季NPP的加速增长表明，南大洋作为碳汇的功能比先前认知的更为重要且呈现增强趋势。冬季产生的有机碳通过生物泵作用输出到深海，实现了大气CO₂的长期封存，这一过程显著增强了南大洋抵消人为CO₂排放的能力。

生态影响方面，冬季生物量的持续增加可能改变浮游植物群落结构，进而影响更高营养级的生物组成和生态系统功能。特别是硅藻等关键类群的变化，将对南极磷虾等中间营养级生物产生级联效应，最终影响企鹅、海豹和鲸类等顶级捕食者的生存状况。

关键技术方法

本研究主要采用星载激光雷达(CALIOP)数据结合深度学习模型，开发了双分支两步法(TBTS)来反演海洋参数。利用生物地球化学浮标(BGC-Argo)数据进行验证，采用随机森林模型分析环境驱动因素，并应用PCMCI+算法进行因果关系检验。数据来源包括NASA海洋颜色产品、Copernicus海洋环境监测服务以及国际Argo计划等多平台观测资料。

研究结论与展望

本研究通过创新性地应用星载激光雷达技术，首次系统揭示了南极冬季浮游植物净初级生产力存在被严重低估的加速增长现象。这一发现不仅填补了极地冬季生态观测的重要空白，更重新定义了南大洋在全球碳循环中的角色。研究结果表明，气候变化驱动的海冰消退正在显著改变南极海洋生态系统的季节动态，冬季已成为南大洋碳汇功能增强的关键时期。

未来研究需要重点关注极端气候事件(如海洋热浪、异常风场)对南极初级生产力的影响，并将冬季NPP纳入全球碳循环模型，以更准确地预测极地生态系统对气候变化的响应。这一研究为理解全球变化背景下极地海洋生态系统的演变提供了新的视角和方法论支持，对完善地球系统模型和制定气候政策具有重要科学价值。