海院科研动态（148）| 我院本科生摆智敏在Nature子刊上发表南大洋极端温度事件及其生态效应研究成果

论文信息

近日，我院海洋环境遥感团队在Nature Communications上发表题为“Extreme temperature events reshuffle the ecological landscape of the Southern Ocean”的研究论文。我院2021级本科生摆智敏和邓霖副研究员为文章共同第一作者，我院赵俊教授为文章通讯作者，合作者还包括来自英国埃克塞特大学的Robert J.W. Brewin教授、2022级博士研究生何文博和2022级硕士研究生七林春批。

该成果基于2024年省级大学生创新创业训练计划项目《基于遥感的浮游植物对极端天气现象的响应研究》，项目编号为S202410558046，摆智敏为项目第一负责人，指导老师为赵俊教授。

研究背景

海洋热浪（MHWs）和海洋冷浪（MCSs）是近年来海洋中频繁出现的极端温度事件。随着全球变暖，南大洋已成为全球海洋极端事件变化最为显著的区域之一，作为海洋中的初级生产者，浮游植物在碳循环中起着关键作用。尽管已有研究关注南大洋浮游植物对气候变暖的响应，但对短时间尺度的极端事件特征以及浮游植物如何响应、是否在不同海域存在显著差异，仍缺乏系统认识。

针对以上科学问题，该研究整合现场观测、卫星数据、再分析资料和模式数据，结合南大洋叶绿素算法和浮游植物粒级模型，系统评估了南大洋不同区域浮游植物对极端温度事件的响应特征，揭示了浮游植物对极端温度事件的响应机制。

研究结果

      研究结果表明，南大洋浮游植物对海洋热浪和海洋冷浪的响应具有显著的区域差异。海洋热浪发生期间，亚热带区（STZ）浮游植物叶绿素浓度以下降为主，仅有 5.89% 的海域出现正异常；而亚南极区（SAZ）和永久开阔海域（POOZ）分别有 54.64% 和 52.11% 的区域呈现叶绿素增加（图1）。相反，在海洋冷浪期间，亚热带区仅 7.41% 的区域出现负异常，而亚南极区和永久开阔海域叶绿素浓度下降的区域比例显著上升，分别达到 65.67% 和 57.21%（图1）。这种截然不同的空间响应格局在地理上与亚热带锋面的分布高度一致。

图1. (a, c) 海洋热浪期间的平均强度及叶绿素 a 异常百分比。(b, d) 海洋冷浪期间对应的指标。(e) 海洋热浪和冷浪期间，亚热带区、亚南极区和永久开阔海域中叶绿素a异常所占的面积比例。

结合浮游植物粒级模型，该研究将浮游植物按照粒径大小分为三个等级：微微型浮游植物（<2 μm），微型浮游植物（2-20 μm）和小型浮游植物（>20μm）。结果表明，浮游植物粒级对海洋热浪和海洋冷浪的响应存在显著差异。在海洋热浪期间，亚热带区各粒级浮游植物响应相对一致，93.01%–95.06%的区域出现叶绿素 a负异常。而在亚南极区和永久开阔海区，微微型浮游植物在 79.1% 的区域呈现正异常，而微型和小型浮游植物分别在 48.5% 和 51.1% 的区域表现为正异常（图2），反映出微微型浮游植物对高温更敏感、对营养盐需求相对低的生态特性。总体上，极端增温事件促使浮游植物群落向小粒径优势结构转变，并与热浪强度呈显著正相关（R² = 0.41，p < 0.01）。在海洋冷浪期间，浮游植物的响应模式则明显不同。在亚热带区域内，83.7%–94.1% 的面积出现微微型浮游植物正异常；在亚南极和永久开阔海区，微微型浮游植物在86.2%的区域呈现正异常，而微型和小型浮游植物的正异常区域比例分别为58.9%和58.5%（图2）。冷浪事件显著提高了大粒径浮游植物在浮游植物群落中的贡献比例。

图2.  (a–c) 海洋热浪期间，微微型浮游植物（a）、微型浮游植物（b）和小型级浮游植物（c）的叶绿素 a 异常。(d–f) 海洋冷浪期间各粒级浮游植物对应的叶绿素 a 异常。(g–i) 极端温度期间，子区域中浮游植物群落比例异常的箱线图。

南大洋不同海域浮游植物对海洋热浪和冷浪的响应差异，在于光照、温度与营养盐共同调控下的分裂率与损失率之间的平衡变化。在亚热带区域，浮游植物生长主要受硝酸盐限制（图3），海洋热浪增强海水层化，削弱营养盐补给并加剧浮游动物捕食压力，抑制浮游植物生长；而在亚南极区域和永久开阔海域，浮游植物更易受到光照和铁限制。海洋热浪通过增强水体稳定性和光照条件，并在部分区域促进铁供应，从而显著促进浮游植物生长。而海洋冷浪会加深混合层、削弱光照水平，并通过增强海冰的生成加剧铁限制，整体上抑制浮游植物生长。总而言之，极端温度事件并非简单地“利”或“弊”，其生态效应高度依赖区域环境条件和资源限制机制。

图3. （a, b）南大洋硝酸盐与混合层平均辐照度气候态，（c, d）混合层平均辐照度在海洋热浪和冷浪期间的平均异常百分比。

该研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42176173、42476168 和 42406172）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2023A1515110837）以及南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）（项目编号：SML2024SP023、SML2024SP029）和创新团队项目（项目编号：311020004）的资助。

原文链接

https://doi.org/10.1038/s41467-025-68029-0