极端天气下南极半岛雪藻生境适宜性与生态模型研究：揭示气候变暖对冰雪生态系统的影响

本综述利用贝叶斯加性回归树（BART）模型，结合高分辨率遥感数据与多环境变量，系统评估了南极半岛雪藻（包括绿雪藻GSA和红雪藻RSA）的生境适宜性分布及其对极端气候事件的响应。研究揭示了融雪天数与坡向是影响雪藻分布的关键因子，并预测在气候变暖背景下，低海拔岛屿生境将丧失，而高海拔冰川区域可能成为新的雪藻扩张热点。该研究为极地生态系统响应全球变化提供了关键模型框架与生态学见解。

　　

引言

南极半岛是全球气候变化的敏感指示区，近年来经历了显著的快速升温过程。温度上升导致该区域冰雪融化加剧、极端天气事件频发，并伴随降水模式改变和新裸露地表出现，对极地冰雪生境及其微生物群落构成重大影响。南极沿海雪pack中广泛分布的雪藻群落，尤其是可形成大规模藻华的绿雪藻（GSA）和红雪藻（RSA），是该区域贫营养陆地生态系统的关键组成部分，并在碳循环、反照率调节及雪物理结构改变等方面发挥重要生态功能。然而，目前对南极雪藻华的形成机制、分布规律及其生态位阈值仍缺乏系统性认知。

方法

本研究基于六处南极半岛地区（包括罗伯特岛、纳尔逊岛等）2013–2023年间获取的WorldView系列高分辨率遥感影像，提取GSA与RSA的出现与未出现区域作为训练数据，并采用贝叶斯加性回归树（BART）构建生境适宜性模型。模型纳入七类环境预测变量：坡向、坡度、至海岸距离、至动物群落距离、累积融雪量、融雪天数及地表类型（永久冰雪或季节性覆雪岩层）。融雪相关变量通过GlacierSMBM模型结合ERA5再分析数据与CMIP5未来气候情景（RCP 8.5）生成。模型在8米分辨率下训练，并在100米分辨率下推演整个南极半岛区域的生境适宜性概率分布。

结果

模型验证显示较高准确性，GSA与RSA的TSS值分别为0.80和0.84，AUC值达0.96和0.98。实地验证与遥感观测数据的一致性较高（Cohen’s Kappa：0.73–0.78）。预测表明，南极半岛绝大多数适宜雪藻生长的雪pack分布于南纬66°以北区域，其斑块密度、面积及分布海拔随纬度升高而递减。融雪天数与坡向被识别为最具影响力的环境变量，其中RSA更倾向于出现在北坡及融雪季节较长的区域。GSA与RSA对环境条件表现出异质性偏好，显示其生态位存在多样性。

讨论

雪藻生态位与气候响应：

研究发现，融雪天数是决定雪藻是否出现的核心因素，较长的融雪期尤其利于RSA的生命周期完成与色素积累。坡向通过调节太阳辐射强度影响雪藻分布，北坡因接收更多辐射而更易形成RSA藻华。模型响应曲线中出现多峰分布，提示GSA与RSA内部可能存在物种或功能群组成的差异，如某些绿雪藻种类适应短融雪期机会性生长，而红雪藻中的Chlainomonas spp.则偏好高湿度生境。

分布格局与遥感监测局限性：

南极半岛沿岸低海拔、北向坡地及冰川表面是雪藻华的高发区域。高分辨率遥感影像大幅提升了对小规模藻华与RSA的识别能力，研究区域雪藻华最大面积达3.4 km2，远超以往基于中分辨率影像的估算。然而，模型所预测的适宜生境远大于实际观测到的藻华范围，说明除了环境条件外，扩散限制、随机定居过程及雪藻生态策略亦影响藻华的实际形成。

气候变化与极端事件的影响：

2021年南极半岛夏季异常高温事件导致当年融雪量甚至超过部分区域2100年的预测值，掩盖了长期气候变暖趋势的部分效应。模拟表明，在变暖情境下，高海拔冰川地区雪藻适宜生境将扩大，而低洼小岛则可能因夏季积雪消失而丧失绝大部分生境。近年来极端暖事件频发促进雪藻向冰川区域扩张，可能通过降低反照率进一步加速冰川消融，形成正反馈机制。

模型优势与不确定性：

本研究通过融合高分辨率环境变量与遥感观测，显著提升了对微地形生境（如冰雪覆盖谷地、冰蚀凹地）中雪藻分布的预测能力。然而，模型未考虑雪藻–反照率反馈、营养物质实际可得性及降水模式改变等复杂过程。雪深数据缺失与雪藻次表层生长导致的遥感监测偏差也可能造成对GSA分布的低估。未来的模型改进需整合雪化学参数、藻类生理反馈机制及更精确的区域气候预测。

结论

本研究通过BART生境模型揭示，融雪天数与坡向是控制南极半岛雪藻空间分布的核心环境变量，大部分适宜生境位于南纬66°以北区域。尽管长期气候变化趋势下，雪藻生境总体上可能向南扩展且向高海拔迁移，但近期极端暖事件已显著改变其分布格局，低海拔岛屿生境丧失与高海拔冰川藻华扩张并存。该研究为理解极地微生物生态系统对气候变化的响应提供了关键模型与实证基础，并强调需进一步关注雪藻–冰川反馈机制及多样性与功能群落的生态位分化。