《Nature Communications》：Extreme temperature events reshuffle the ecological landscape of the Southern Ocean
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随着全球变暖，极端温度事件频发，但南大洋浮游植物对海洋热浪(MHWs)和海洋冷浪(MCSs)的响应机制尚不明确。本研究利用26年卫星观测数据，系统揭示了MHWs和MCSs对南大洋浮游植物叶绿素a(Chl-a)和粒径结构(PSCs)的对称性影响。研究发现，MHWs在亚热带区域抑制Chl-a(-21.11%)，但在亚南极区促进Chl-a(+22.26%)；MCSs则呈现相反模式。这种区域差异由浮游植物粒径结构的响应介导，MHWs驱动群落向小型化转变，而MCSs则促进大型化。该研究强调了在评估气候极端事件生态影响时，需同时考虑MHWs和MCSs的区域性及生态复杂性。
在全球变暖的背景下，海洋热浪(Marine Heatwaves, MHWs)和海洋冷浪(Marine Cold Spells, MCSs)等极端温度事件正变得越来越普遍。这些事件对海洋生态系统的基础——浮游植物产生了深远影响。南大洋作为全球重要的碳汇和气候调节器，其浮游植物的变化对全球生物地球化学循环至关重要。然而，尽管已有研究关注了长期变暖对浮游植物的影响，但关于这些短期的、剧烈的极端温度事件如何重塑南大洋的生态格局，我们仍知之甚少。特别是，海洋热浪和冷浪对浮游植物的影响是否对称？它们如何影响浮游植物的群落结构？这些问题亟待解答。
为了回答这些问题，中山大学赵俊团队联合国内外合作者，在《Nature Communications》上发表了一项研究。他们利用长达26年的卫星观测数据，系统评估了南大洋浮游植物对海洋热浪和冷浪的响应。研究不仅证实了海洋热浪的已知影响，还首次系统揭示了海洋冷浪的对称性效应，并阐明了其背后的生态机制。
关键技术方法
本研究主要基于多源卫星遥感数据，结合生物地球化学模型和现场观测数据，对南大洋浮游植物对极端温度事件的响应进行了系统分析。具体方法包括：
- 1.
极端事件定义与检测：利用欧洲空间局(ESA)气候变化倡议(CCI)提供的海表温度(SST)数据(1982-2023)，采用Hobday等人(2016)的标准，将海洋热浪(MHWs)定义为海表温度连续5天以上超过气候基线(1991-2020)第90百分位的事件，海洋冷浪(MCSs)则定义为连续5天低于第10百分位的事件。
- 2.
浮游植物参数反演：利用ESA OC-CCI v6.0产品(1998-2023)的遥感反射率数据，结合OC4v6算法反演叶绿素a(Chl-a)浓度，并利用17参数浮游植物粒径结构(PSC)模型估算微型(<2μm)、小型(2-20μm)和大型(>20μm)浮游植物的叶绿素a浓度。
- 3.
环境参数分析：利用Mercator-Ocean全球海洋生物地球化学再分析产品获取硝酸盐等营养盐数据，结合BGC-Argo浮标数据估算混合层深度(MLD)和真光层深度，并计算混合层平均辐照度。
- 4.
数据验证：利用来自PANGAEA和澳大利亚海洋生物地球化学光学数据库的3508个表层高效液相色谱(HPLC)样品数据，对卫星反演的叶绿素a和粒径结构模型进行验证。
研究结果
海洋热浪与冷浪的时空分布格局
研究首先揭示了MHWs和MCSs在南大洋的时空分布特征。MHWs在亚热带区(STZ)和亚南极区(SAZ)最为频繁和持久，特别是在塔斯曼海和澳大利亚东南部海域。而MCSs则呈现出独特的空间分布，在永久开阔海域(POOZ)频率更高，反映了南大洋北部加速变暖而南部区域相对冷却的区域性差异。在季节变化上，MHWs在STZ和SAZ主要发生在南半球的夏季和秋季，而MCSs在POOZ则主要出现在冬季和春季。过去四十年的趋势分析表明，STZ和SAZ受MHWs影响的面积显著增加，而受MCSs影响的面积则减少；但在POOZ，受MCSs影响的面积反而有所增加。
浮游植物对海洋热浪和冷浪的响应
浮游植物对极端事件的响应表现出显著的区域差异。在MHWs期间，亚热带区(STZ)的叶绿素a(Chl-a)异常主要为负值(平均减少21.11%)，而亚南极区(SAZ)和永久开阔海域(POOZ)则主要呈现正值异常(SAZ平均增加22.26%)。MCSs则呈现出几乎完全相反的模式：在STZ，Chl-a显著增加(平均增加32.37%)，而在SAZ和POOZ则受到抑制(SAZ平均减少21.19%)。这种空间差异似乎以南极绕极流(ACC)的锋面为界。此外，随着极端事件强度的增加，Chl-a异常的百分比也随之增加。
不同粒径浮游植物的差异化响应
上述区域格局的背后，是不同粒径浮游植物(PSCs)对极端事件的差异化响应。在MHWs期间，STZ的各类浮游植物均表现出负异常。然而，在SAZ和POOZ，微型浮游植物(picoplankton)表现出广泛的正面响应，而小型和大型浮游植物的响应则相对较弱。统计分析表明，MHWs事件驱动浮游植物群落结构向小型化转变，微型浮游植物的比例显著增加。相反，在MCSs期间，STZ的各类浮游植物均表现出正异常。在SAZ和POOZ，微型浮游植物同样表现出正异常，但大型浮游植物(microplankton)的响应更为显著。MCSs事件驱动浮游植物群落结构向大型化转变，大型浮游植物的比例显著增加。
浮游植物响应的区域差异机制
研究揭示了驱动这些区域差异的潜在机制。在营养盐限制的亚热带区(STZ)，MHWs引起的层化加剧了营养盐限制，并增加了浮游动物的摄食压力，最终导致Chl-a负异常。而在SAZ和POOZ，MHWs通过增强层化和浅化混合层，缓解了光照限制，并可能通过加速海冰融化缓解铁限制，从而促进了浮游植物的生长。MCSs则通过相反的机制产生影响。在STZ，MCSs引起的混合层加深增加了营养盐供应，缓解了硝酸盐限制，促进了浮游植物生长。然而，在SAZ和POOZ，MCSs引起的混合层加深加剧了光照限制，并可能通过海冰形成过程吸收溶解铁，加剧了铁限制，从而抑制了浮游植物生长。
结论与讨论
本研究系统评估了南大洋浮游植物对海洋热浪(MHWs)和海洋冷浪(MCSs)的复杂响应。研究不仅证实了MHWs的已知影响，还首次系统揭示了MCSs的对称性效应。研究发现，浮游植物叶绿素a(Chl-a)浓度在极端高温和低温下表现出对称的异常响应，但其粒径结构(PSCs)的变化则更为复杂。MHWs驱动浮游植物群落向小型化转变，而MCSs则促进群落向大型化转变。这些响应由温度-光照-营养盐动态调控的浮游植物分裂速率和生态机制调控的损失速率共同决定。
该研究强调了在评估气候极端事件的生态影响时，必须同时考虑MHWs和MCSs，并采用区域性和生态学上更为细致的视角。随着全球变暖，极端事件将更加普遍，其对南大洋在全球气候和生物地球化学循环中的作用也将日益增强。理解这种复杂性对于预测这个关键生态系统在快速变化的气候中的未来至关重要。
