海洋硅藻是全球生物地球化学循环的关键参与者，但其时空动态及潜在驱动机制仍缺乏系统性认知。研究人员开发了一种新型遥感反演模型，并利用25年全球卫星观测数据对海洋硅藻生物量进行了系统解析。观测结果表明，硅藻分布呈现显著的纬度依赖性特征，在高纬度及近岸水域生物量较高。趋势分析显示，除赤道海域呈下降趋势外，全球大部分海域硅藻生物量呈普遍增长态势，显著增长率介于0.1至1.6×10−5mg m−3每月。该趋势与赤道海域的下降形成鲜明对比，并伴有显著的季节性振荡。因果性分析表明，海表温度(SST)、混合层深度(MLD)和光合有效辐射(PAR)是中纬度海域硅藻动态的主要驱动因子。营养盐，特别是亚热带海域的硝酸盐(NO3−)和硅酸盐(Si)，也发挥着重要作用。虽然大尺度气候指数对全球硅藻异常的解释力有限，但在赤道海域其影响最为显著。这些发现首次全面揭示了全球海洋硅藻动态的多重驱动机制，为其参与海洋生物地球化学循环及响应环境变化的角色提供了关键见解。
研究背景与意义
海洋浮游植物群落作为海洋生物链的基础，支撑着全球约70%的初级生产力，在全球碳循环和气候变化中扮演着核心角色。其中，海洋硅藻贡献了约20%的地球固碳量、25%的年全球氧气释放量以及约40%的海洋初级生产力和颗粒有机碳输出。尽管硅藻生态地位极其重要，但不同于总叶绿素a浓度(TChla)的广泛监测，高质量、大尺度的全球硅藻生物量数据产品依然匮乏。传统的现场观测受限于时空覆盖率，而现有的卫星反演算法在准确性和普适性上仍存在挑战。此外，关于硅藻动态如何响应物理、化学及气候因子的多尺度调控，科学界尚缺乏一幅完整的全景图。为此，研究人员基于25年的长期卫星数据，旨在构建稳健的全球硅藻遥感反演模型，量化其时空演变规律，并揭示不同纬度下的主控驱动因子，这对于预测未来气候变化下的海洋生物地球化学反馈具有重要意义。该研究成果发表于期刊《Earth's Future》。
主要技术方法
研究人员首先整合了1991年至2022年间全球13293个现场浮游植物色素样本，利用化学分类学(CHEMTAX)工具反演得到硅藻浓度作为基准真值。为解决不同水深光学特性的差异，研究依据水深将全球海域划分为开阔大洋(≥200 m)、浑浊近岸(≤50 m)和过渡带(50–200 m)，分别构建了基于遥感反射比波段组合的多线性回归模型，并通过加权合成实现了过渡区域的平滑衔接。在驱动机制分析上，研究采用了基于信息论的梁-克莱曼信息流(Liang-Kleeman Information Flow)方法，计算了归一化信息流(NIF)指标，定量评估了环境因子、营养盐和气候指数对硅藻动态的方向性和强度。
研究结果
3.1 过去25年海洋硅藻的时空动态
基于新建模型的卫星产品显示，全球硅藻空间分布呈现鲜明的纬度依赖格局：低纬度海域(约40°N–40°S)浓度低于0.1 mg m−3，而在高纬度海域浓度显著升高，近岸水域亦表现出高生物量特征。在时间变化上，北半球中高纬度硅藻生物量通常在5月达到峰值，维持至高纬度秋季后下降；南半球则呈现冬季高、春秋季低的相反季节模式。趋势分析表明，过去25年间，除赤道太平洋和大西洋呈现下降趋势外，全球大部分海域硅藻生物量呈显著上升，增长率为0.1至1.6×10−5mg m−3每月。振荡特征分析显示，北半球振幅普遍大于南半球，美国西海岸近岸振幅最大(0.08 mg m−3)；周期上，多数区域为约1年的季节周期，而北太平洋存在约1.5年的年际振荡信号。
3.2 海洋硅藻变化的调控机制
因果性分析揭示了驱动因子的空间异质性。在中纬度(约20°–40°)海域，环境因子的影响最强。海表温度(SST)在广阔的南大洋和北大西洋部分区域表现出显著的稳定效应(负NIF值，约-30%)，意味着其降低了硅藻生物量的不确定性；而混合层深度(MLD)和光合有效辐射(PAR)则主要表现为去稳定效应(正NIF值，高达~30%)，增加了系统的波动性。海表面高度(SSH)的因果联系最弱。营养盐中，硝酸盐(NO3−)主要呈去稳定作用(10–20%)，尤其在亚热带区域显著；硅酸盐(Si)在中纬度多表现为弱稳定效应(<-10%)。与大尺度气候指数的微弱联系不同，这些物理环境因子是控制中纬度硅藻动态的主导因素。
总结与讨论
研究指出，过去25年硅藻趋势呈现出显著的纬度分异：中高纬度的普遍增长与赤道地区的下降并存。这种空间格局印证了气候变化下海洋“变绿”（极地）与“变蓝”（副热带）的重组现象。生理适应实验表明硅藻具有一定的热适应能力，但高排放情景下的模型预测仍警示其可能面临大幅下降的风险。机制上，中高纬度硅藻动态主要受局地物理因子(SST、PAR、MLD)主导，而大尺度气候模态（如厄尔尼诺-南方涛动ONI、南方涛动指数SOI等）的影响相对较弱且具有区域性，暗示局地环境条件过滤了气候强迫的信号。赤道地区的硅藻衰退主要归因于增暖导致的层结加剧和营养盐供应减少。全球硅藻生物量的重新分配将深刻影响海洋生态系统的碳输出效率和氮循环过程。未来的研究需结合分子生物学手段，深入解析复合胁迫下的生理生态响应，以改进地球系统模型对海洋碳循环的预测能力。
