斯坦福大学的科学家们在北冰洋发现了一个惊人的变化。浮游植物的大量爆发，极大地改变了北极将大气中的碳转化为生命物质的能力。浮游植物是一种微小的藻类，位于鲸鱼和北极熊所构成的食物链的底部。在过去的十年中，海平面上升已经取代了海冰的减少，成为浮游植物吸收二氧化碳变化的最大驱动力。
2016年7月，巴伦支海的浮游植物爆发使海水表面呈现出乳蓝色。(图片来源:Jeff Schmaltz和Joshua Stevens, LANCE/EOSDIS Rapid Response, NASA)
这项研究发表在7月10日的《科学》杂志上。斯坦福大学地球、能源和安保学院教授凯文·阿里戈是资深作家。环境科学(Stanford Earth)的研究人员说，浮游植物生物量日益增长的影响可能代表了北极地区的“重大制度转变”，该地区的升温速度比地球上任何其他地方都要快。
这项研究以净初级生产(NPP)为中心，这是一种测量植物和藻类将阳光和二氧化碳转化为其他生物可以食用的糖的速度。Arrigo说:“这个比率对生态系统的其他部分有多少食物非常重要。”“这一点很重要，因为这是二氧化碳从大气中排放到海洋中的主要方式之一。”
增稠汤
Arrigo和他的同事发现，1998年至2018年，北极的NPP增加了57%。对于整个海洋盆地来说，这是一个前所未有的生产力飞跃。更令人惊讶的是，虽然NPP的增加最初与海冰的消退有关，但生产力在2009年左右融化放缓后仍在继续攀升。“过去十年NPP的增加几乎完全是由于最近浮游植物生物量的增加，”Arrigo说。
换句话说，这些微小的藻类曾经在整个北极代谢更多的碳，仅仅是因为在更长的生长季节里，由于气候驱动的冰层覆盖变化，它们获得了更多的开放水域。现在，它们变得越来越集中，就像浓稠的海藻汤。
“在一定的水量下，每年都有更多的浮游植物生长，”这项研究的主要作者，斯坦福大学地球系统科学系的博士生Kate Lewis说。“这是第一次在北冰洋报道这种情况。”
左图显示了北冰洋及其大陆架海和盆地。绿色箭头表示流入水流;紫色箭头表示流出的水流。右图显示的是1998年至2018年北冰洋叶绿素的变化速度，以每年每立方米的毫克计算。灰色线条勾勒出次区域。黑色像素表示没有数据。(图片来源:凯特·刘易斯。数据来源:美国国家航空航天局)
新食品供应
浮游植物需要阳光和养分才能生长。但是这些成分在整个水柱中的可用性和混合取决于复杂的因素。因此，尽管近几十年来，北极的研究人员已经观察到浮游植物的大量繁殖进入了超负荷状态，但他们一直在争论这种繁荣会持续多久，会上升到多高。
通过收集北冰洋大量新的海洋颜色测量数据，并建立新的算法来估计浮游植物的浓度，斯坦福大学的研究小组发现，产量的持续增长可能不再像以前怀疑的那样受到营养稀缺的限制。地球科学的唐纳德和唐纳德·m·斯蒂尔教授Arrigo说:“这还只是初期阶段，但现在似乎有更大的营养供应的转变。”
研究人员假设，新的营养物质正从其他海洋流入，并从北极深处席卷而来。刘易斯说:“我们知道北极在过去几年里增加了产量，但似乎这个系统只是在回收储存的同样的营养。”“我们的研究表明事实并非如此。随着新的营养物质进入海洋，浮游植物每年吸收更多的碳。这是出乎意料的，而且对生态有很大的影响。”
解码北极
研究人员能够从卫星传感器和研究巡航所测量的绿色植物色素叶绿素中提取这些见解。但由于北极的光、色和生命之间不寻常的相互作用，这项工作需要新的算法。“北冰洋是世界上进行卫星遥感最困难的地方，”Arrigo解释说。“通过观察海洋的颜色来判断那里有多少浮游植物的算法在世界其他地方都适用，但在北极根本不起作用。”
困难的部分原因在于大量流入的茶色河水携带着溶解的有机物，而遥感器误以为是叶绿素。额外的复杂性来自于浮游植物以不同寻常的方式适应北极极低的光照。刘易斯说:“当你在北冰洋使用全球卫星遥感算法时，你的估计结果会出现严重错误。”
然而，这些遥感数据对于了解海洋盆地的长期趋势至关重要。海洋盆地是世界上最极端的环境之一，对NPP的一次直接测量可能需要破冰船上的一个科学家小组24小时不间断的工作，刘易斯说。她煞费苦心地策划了一系列海洋颜色和NPP测量数据，然后利用编译后的数据库建立了适应北极独特条件的算法。数据库和算法现在都可供公众使用。
这项工作有助于阐明气候变化将如何影响北冰洋未来的生产力、粮食供应和吸收碳的能力。“会有赢家和输家，”Arrigo说。“一个更多产的北极意味着许多动物有更多的食物。但许多已经适应了极地环境的动物发现，随着冰的融化，生活变得更加困难。”
浮游植物的生长高峰也可能与食物网的其他部分不同步，因为冰在一年的早些时候融化。此外，随着北极水域的开放，可能会有更多的航运，而且北极实在太小，无法从世界温室气体排放中占很大一部分。“它吸收的碳比以前多得多，”Arrigo说，“但我们不能依靠它来帮助我们摆脱气候问题。”
合著者格特·范·迪杰肯是斯坦福大学地球系统科学系的科学与工程助理。
这项研究得到了美国宇航局地球与空间科学研究项目和国家科学基金会的支持。
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