南科大团队发文：机器学习揭示全球珊瑚礁退化已逼近不可逆临界点

近期，南方科技大学海洋科学与工程系展鹏助理教授与东海实验室曾凯副研究员、阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）何嵩研究员合作在全球珊瑚白化预测研究方面取得重要进展，相关成果以“Inevitable Global Coral Reef Decline Under Climate Change-Induced Thermal Stresses” 为题发表于《Communications Earth & Environment》。

珊瑚礁是海洋中生物多样性最高的生态系统之一，为数以亿计的人类提供生计保障。然而，全球变暖导致的海水温度异常日益威胁它们的生存。当海水温度异常升高，珊瑚与共生藻类（Symbiodiniaceae）之间的共生关系极易被破坏，从而引发珊瑚白化。自20世纪80年代以来，全球范围内已多次发生大规模白化事件——尤其是1997–1998年和2015–2016年，累计导致全球超过15%的造礁珊瑚死亡。目前，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）已确认，我们正经历第四次全球性珊瑚白化事件。然而，现有研究缺乏对白化程度与长期生态退化之间临界阈值的定量认识。

为回答这一关键问题，本研究整合全球珊瑚白化数据库与气候模式数据，构建并验证了一种基于数据驱动的多变量机器学习模型。通过遍历搜索选取模型最优超参数组合，最终包含22个热相关、风速和地理特征的关键环境变量，其中，海表温度异常的方差（SSTA_SD）、热应力异常的加热周（TSA_DHW）以及海表温度异常的频率（SSTA_Frequency）是决定珊瑚白化程度的最关键因素，而地理位置与水深等变量同样具有一定影响，反映出不同地区珊瑚对白化的敏感性差异。通过独立的测试数据集验证，模型表现出显著的预测性能。

图1 数据驱动的模型性能和变量重要性评估

将模型应用于1980–2020年全球历史环境观测数据，珊瑚年均白化评估结果显示中太平洋与澳大利亚西北部等地区白化程度较高，而加勒比、珊瑚三角区与南太平洋相对具备较高的生态韧性。结合全球珊瑚礁覆盖率的数据发现，珊瑚白化率与珊瑚退化率之间存在显著正相关关系。研究识别出一个关键阈值——区域珊瑚礁年均白化率达7.9%时，珊瑚礁系统将进入显著退化阶段，这为未来的生态监测与管理提供了量化基准。

图2 全球珊瑚礁区域分布和白化-衰退关系。全球10个珊瑚礁区：东亚海（EAS）、加勒比海（Ca）、澳大利亚（Au）、巴西（Br）、西印度洋（WIO）、南亚（SA）、红海（RS）、太平洋（Pa）、东热带太平洋（ETP）和波斯湾（PG）

本研究进一步将该基于数据驱动的珊瑚白化预测模型应用于气候模式数据（CMIP6），基于三种气候排放情景（SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP5-8.5），模型预测了2020–2100年全球珊瑚白化趋势。结果显示，在所有排放情景下，全球变暖都将导致大范围珊瑚白化，平均年白化程度超过10%。这意味着，如果不采取更强有力的气候行动，珊瑚礁系统退化程度可能在本世纪内跨越不可逆的生态临界点。即便在最乐观的减排路径下，全球多数珊瑚礁仍面临一定退化风险。由于本研究主要将热异常的波动性作为评估珊瑚白化的关键控制因子，而人类活动引发的酸化、捕捞与污染等协同压力可能进一步加剧这一过程。若要保持至少50%的珊瑚礁存活，全球升温需限制在1.2°C以内，且在未来数十年内，珊瑚及其共生藻需提升至少0.5–1°C的热耐受性，才能避免大规模退化。然而，目前尚无证据表明全球珊瑚能实现如此程度的快速适应。

图3 2020-2060年和2060-2100年期间低排放（SSP1-2.6）、中等排放（SSP2-4.5）和高排放（SSP5-8.5）三种气候情景下的年平均珊瑚白化预测

本研究为理解气候变化下的珊瑚生态临界点提供了新的全球视角，为全球珊瑚礁的未来命运提供了量化评估框架，揭示了气候变化下珊瑚白化的关键生态阈值，强调了全球气候政策和区域保育策略的紧迫性，也为识别未来的珊瑚礁“避难所”提供了科学依据。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s43247-025-02790-4

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