基于最大熵模型（MaxEnt）预测太平洋多金属结核区须鲸属（Balaenoptera）适宜生境变化

《Journal of Marine Science and Engineering》：Prediction on the Suitable Habitat Change of Balaenoptera in Pacific Polymetallic Nodule Areas Based on the MaxEnt Model

　　

随着全球对深海资源需求的日益增长，多金属结核开采已成为获取关键矿物的潜在途径。为识别未来深海采矿活动相关的潜在生态关注区，研究人员基于最大熵模型（Maximum Entropy Model, MaxEnt）预测了太平洋多金属结核区须鲸属（Balaenoptera）物种的适宜生境分布。结果表明，温度、盐度和叶绿素-a浓度等环境变量是须鲸属生境适宜性的主要贡献因子，四种物种的累计贡献率超过70%。温度对B. acutorostrata、B. edeni和B. physalus生境适宜性预测贡献最高，分别为38.2%、46.4%和45.4%；而盐度对B. musculus贡献最高（38.4%）。在当前气候情景下，东太平洋矿区受影响的适宜生境比例分别为：B. acutorostrata 8.52%、B. edeni 54.94%、B. musculus 53.73%、B. physalus 20.74%。未来气候情景下，B. acutorostrata和B. musculus的适宜生境比例呈增加趋势，在SSP1-2.6情景下尤为显著（分别增加3.96%和17.27%）；B. edeni呈相反趋势，SSP1-2.6下减少（-6.14%），SSP5-8.5下增加（4.91%）；B. physalus在两情景下均略减（-0.43%和-0.32%）。上述发现可为未来深海多金属结核开发的环境管理与影响评价提供支持。

研究背景方面，全球能源转型推动镍、钴、锰、铜等关键金属需求上升，太平洋多金属结核（polymetallic nodule）成为潜在替代源。国际海底管理局（International Seabed Authority, ISA）在《开发规章草案》中要求承包者建立环境管理系统（Environmental Management System, EMS）并开展环境影响评价（Environmental Impact Assessment, EIA）与环境风险评估（Environmental Risk Assessment, ERA）。鲸类作为远洋高营养级指示种，其分布可反映生态系统结构变化，但现有物种分布模型（Species Distribution Model, SDM）研究多聚焦气候变化本身，较少将深海采矿等人为扰动与气候驱动耦合分析，且对营养级过程与声学扰动机制考虑不足。为此，研究人员以须鲸属四种鲸类为对象，量化其在太平洋结核区当前与未来气候情景下的适宜生境及与矿区空间重叠，构建“环境变化—生境响应—空间重叠”分析框架，为国际海底治理下的生态风险管理提供间接评估依据。该文发表于《Journal of Marine Science and Engineering》。

关键技术方法上，研究人员从海洋生物地理信息系统（Ocean Biogeographic Information System, OBIS）获取1920–2020年Balaenoptera属四类鲸种出现记录，经去重、坐标校验及0.083°网格空间疏薄（spatial thinning）后保留独立样本；环境预测变量选自全球海洋环境数据集（Global Marine Environment Dataset, GMED）与Bio-ORACLE数据库，涵盖海表温度（Sea Surface Temperature, SST）、盐度（Sea Surface Salinity, SSS）、叶绿素-a（Chlorophyll-a, Chla）、海表流速、深度、坡度，经Pearson相关（r>0.8剔除）降维后保留6个变量并重采样对齐。建模采用MaxEnt 3.4.4（线性+二次+乘积特征，正则化乘数1.0，1万背景点，1000迭代），按70%训练/30%测试划分，以AUC（Area Under Curve）与空间块交叉验证（blockCV，k=5，约500 km六边形块）评估性能；生境适宜性指数（Suitability Index, SI）取逻辑输出，以最小训练存在阈值（Minimum Training Presence, MTP）划适宜区，自然断点法分低/中/高适宜；未来情景采用SSP1-2.6与SSP5-8.5（2090–2100），以多元环境相似性面（Multivariate Environmental Similarity Surface, MESS）检验外推比例。

研究结果部分，3.1节精度评估显示四物种AUC为0.916–0.968，空间交叉验证平均AUC 0.937–0.983、TSS 0.768–0.906，MESS负值为7.68%（SSP1-2.6）与12.61%（SSP5-8.5），模型可靠。3.2节变量重要性表明温度、盐度、Chla三者贡献超70%；响应曲线给出各物种适宜区间：B. acutorostrata（SST 4.36–26.51 ℃，盐度21.92–36.03‰，Chla 0.085–0.325 mg/m³）、B. edeni（21.27–26.92 ℃，32.98–34.20‰，0.041–0.127 mg/m³）、B. musculus（11.12–18.46 ℃，31.83–33.28‰，0.062–0.333 mg/m³）、B. physalus（11.31–16.53 ℃，31.45–32.87‰，0.065–0.228 mg/m³）。3.3节当前生境分布显示高适宜区集中于北太平洋沿岸及赤道东太平洋；东太平洋结核区重叠比例B. acutorostrata 8.52%、B. edeni 54.94%、B. musculus 53.73%、B. physalus 20.74%，西太平洋矿区无重叠。3.4节未来变化显示东太平洋矿区中B. acutorostrata（SSP1-2.6 +3.99%，SSP5-8.5 +0.94%）与B. musculus（+17.49%，+14.10%）扩张，B. edeni在SSP1-2.6减（-6.14%）、SSP5-8.5增（+4.91%），B. physalus略缩（-0.43%，-0.32%）；西太平洋因无重叠故无变化。

讨论部分指出，温度区间非生理阈值而是生态位偏好体现，盐度关联上升流冷咸水，Chla经上行效应（bottom-up）间接指示饵料；未来生境向高纬及离岸偏移反映气候驱动再分布而非直接种群迁移证据。矿区重叠本身非采矿致损直接证据，而是潜在生态关注空间指标；采矿噪声、沉积物羽流（sediment plume）与污染物释放未纳入MaxEnt但构成额外不确定源。出现记录仅存在（presence-only）且属表层环境变量，未能刻画垂直利用与季节移动。

结论部分翻译如下：

为识别未来深海采矿活动相关的潜在生态关注区，研究人员采用最大熵模型（MaxEnt）预测须鲸属（Balaenoptera）物种适宜生境。结果表明，模型准确描述了鲸类分布与多种生态系统因子的关系，为深海生态系统生物—环境互作研究提供可靠技术支持。基于结果得到以下认识：（1）海表温度、海表盐度与叶绿素含量是四种须鲸潜在适宜生境分布的主要环境变量，反映海洋状况、初级生产力与预测生境适宜性的重要关联；其中温度与盐度决定鲸类对海水的基础生理适应，叶绿素浓度间接影响饵料资源分布。（2）当前气候下四物种适宜生境与多金属结核区存在不同程度空间重叠，东太平洋矿区重叠较高，表明未来深海资源开发中需将鲸类预测生境纳入环境管理策略。（3）未来SSP1-2.6与SSP5-8.5情景下，矿区内生境变化物种间分化：B. acutorostrata与B. musculus扩张，B. physalus收缩，说明气候驱动改变生境预测分布，进而给生态管理带来挑战。整体研究建立“环境变化—生境响应—空间重叠”框架，虽未显式纳入噪声、羽流与污染物，但预测图可为多金属结核开发下的生态系统管理、EIA与保护规划提供空间信息支撑。