《Regional Studies in Marine Science》：Habitat-layer specific spatio-temporal trends of physical and biogeochemical variables in the Black Sea over the past three decades
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黑海物理（温度、盐度、混合层深度）与生物地球化学（溶解氧、pH、净初级生产力）变量的时空变化研究基于CMEMS高分辨率再分析数据，揭示了 pelagic 层次显著升温及区域异质性， demersal 层次生产力分布不均。通过STL分解与空间分析，明确了西北和西部海岸的显著差异，为生态系统模型和气候驱动评估提供了新框架。
伊丽莎白·格蕾丝·坦卡·本吉尔|穆拉特·奥扎伊丁利|费提·本吉尔
土耳其奥尔杜大学奥尔杜分校海洋科学学院
摘要
黑海是一个半封闭的盆地，其特点是水交换受限、水体微咸、垂直分层明显以及深层持续缺氧。河流流入通过输送溶解物质和颗粒物质对黑海的物理和生物地球化学状况产生重大影响。以往的研究主要集中在选定的深度层或有限区域内，而除温度之外的其他变量的长期变化尚未得到充分探讨。在本研究中，利用高分辨率的CMEMS再分析数据集来研究黑海浮游区和底栖区物理（温度、盐度和混合层深度）及生物地球化学变量（氧气、pH值和净初级生产力）的时间和空间变化。采用非参数方法量化了网格单元级别的变化趋势，并通过STL分解分离出季节性和长期成分。同时也分析了盆地尺度的空间模式。研究结果揭示了明显的区域差异，尤其是在西北部和西部海岸。在底栖区，净初级生产力表现出空间上的变化特征，大陆架和上坡区域的数值较高，而向较深区域的趋势较弱。浮游区的变化趋势总体具有空间连贯性且较为稳定，而底栖区的变化趋势则表现出更大的异质性和更高的不确定性，尤其是在西北部大陆架。
引言
黑海因其有限的连通性、微咸的水质、明显的垂直分层以及缺氧的深层水体而成为世界上独特的海域（Cauwet等人，2002年；Oguz等人，2004年；Oguz，2005年）。河流流入通过输送溶解物质和颗粒物质对黑海的物理性质和生物地球化学过程产生重要影响（Cauwet等人，2002年；Oguz等人，2004年）。强烈的垂直分层形成了一个由富氧表层、寒冷的中间层和缺氧的深层组成的分层结构，这限制了垂直混合并影响了生物多样性（Murray等人，1991年；?zsoy和ünlüata，1997年；Miladinova等人，2017年）。深层缺氧区的形成将依赖氧气的生物的分布限制在相对狭窄的垂直范围内，从而增加了系统对自然变化和人为压力的生态敏感性。
黑海被划分为两个不同的水平区域：受河流影响的浅层西北大陆架（<200米）和深层海域（>1500米）。尽管这两个区域在物理和生物上存在差异（McQuatters-Gollop等人，2008年），但中尺度涡流促进了沿岸水体与开阔海域之间的物质交换（Zatsepin等人，2003年）。该系统对气候变化非常敏感，气候变化通过大气强迫和河流径流影响黑海，导致多年到数十年的时间尺度上的水动力变化（Oguz等人，2003年；Oguz等人，2006年；Ginzburg等人，2004年）。自20世纪60年代以来，黑海生态系统经历了可归类为“制度转变”的变化，入侵物种显著改变了食物网结构（Oguz和Gilbert，2007年）。这些变化的主要驱动因素包括过量营养负荷、入侵物种、过度捕捞和气候变化趋势（Agirbas等人，2015年）。这些变化影响了浮游植物群落（Mikaelyan等人，2013年；Agirbas等人，2017年）、浮游鱼类动态（Gücü等人，2016年）、生物多样性以及重要栖息地，增加了系统对压力因素的敏感性（Bologa和Sava，2012年及参考文献）。尽管观察到了一些恢复现象，但年际变化和区域异质性表明需要进行空间分析以更好地理解黑海（McQuatters-Gollop等人，2008年）。
尽管许多研究已经探讨了黑海的物理和生物地球化学过程（Oguz和Malanotte-Rizzoli，1996年；Stanev和Beckers，1999年；Stanev等人，2002年；Mikaelyan等人，2013年；Pakhomova等人，2014年；Cannaby等人，2015年；Miladinova等人，2017年），但大多数研究仅限于特定的垂直层或地理区域（Yunev等人，2007年）。除温度之外的其他变量的变化趋势尚未得到充分研究，也没有实施反映生物量分布的综合性研究。许多研究主要关注温度结构及其季节性和年际变化，而营养盐浓度和溶解氧等参数的演变和空间分布则较少受到关注（Mikaelyan等人，2013年）。
本研究通过分析浮游区和底栖区的精细分辨率数据集，量化了黑海物理和生物地球化学变量的时间和空间变化。物理变量包括温度、盐度和混合层深度（MLD），生物地球化学变量包括氧气、pH值和净初级生产力（NPP）。对时间和空间变化进行了量化，并对浮游区和底栖区进行了比较。
材料与方法
本研究使用了由哥白尼海洋环境监测服务（CMEMS）提供的开放获取数据集。物理变量数据来自NEMOv4.0模型生成的BLKSEA_MULTIYEARPHY_007_004物理再分析数据集（DOI: 10.48670/mds-00356）。生物地球化学变量数据来自BAMHBI模型生成的BLKSEA_MULTIYEAR_BGC_007_005生物地球化学再分析数据集（Grégoire等人，2020年；DOI：
现场温度
在黑海的浮游层，现场温度在整个盆地范围内表现出明显且空间连贯的升温趋势。年变化范围为0.028至0.077°C/年，整个盆地的平均Sen斜率为0.058（±3.3×10^-5）°C/年。所有网格单元均显示出统计学上显著的上升趋势（p<0.05），表明浮游层温度持续升高。平均95%置信区间为0.003°C/年，表明不确定性非常低。
讨论
尽管多项研究继续强调需要进一步的研究和数据来更好地理解黑海的海洋学系统，但已有大量研究集中在确定该地区的升温趋势上（Baltaci和Turk，2024年及参考文献）。这些研究通常仅针对特定的水深或特定的水体。我们的研究超越了Miladinova等人（2017年）提出的长期模型和趋势结果，进行了更全面的研究。
结论
本研究提供了黑海31年来物理和生物地球化学性质的详细时空评估，涵盖了浮游区和底栖区。本研究的主要贡献如下：
首先，量化了浮游区和底栖区的升温趋势，这些区域具有较高的生物活性，揭示了比以往研究更精细的空间变异性。对盐度变化的详细评估进一步证实了……CRediT作者贡献声明
伊丽莎白·格蕾丝·坦卡·本吉尔：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论、概念构建。穆拉特·奥扎伊丁利：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论、概念构建。费提·本吉尔：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、方法论、正式分析、概念构建。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究使用了E.U. 哥白尼海洋服务信息提供的数据。相关产品包括：(i) BLKSEA_MULTIYEARPHY_007_004（物理再分析数据集），(ii) BLKSEA_MULTIYEAR_BGC_007_005（生物地球化学再分析数据集）。作者感谢哥白尼海洋服务提供这些免费可访问的数据，并确认其使用符合该服务的许可条款。在准备本工作时，作者仅使用了各种大型语言模型（LLM）工具。
