“浓汤” –斯坦福大学的科学家在北冰洋发现了“政权转移”

2016年7月，巴伦支海的浮游植物绽放使地表水变成了乳白色。

斯坦福大学的科学家发现，在短短的二十年中，北冰洋中浮游植物的生长速度增加了57％，增强了其吸收二氧化碳的能力。尽管曾经与融化的海冰有关，但现在这种增加是由微小藻类浓度升高推动的。

斯坦福大学的科学家发现了北冰洋的惊人变化。浮游植物的爆发，是位于鲸鱼和北极熊之上的食物网底部的微小藻类，极大地改变了北极将大气中的碳转化为生物的能力。在过去的十年中，浪潮已取代海冰的流失，成为导致浮游植物吸收二氧化碳变化的最大驱动力。

该研究于2020年7月10日发表在《科学》杂志上。斯坦福大学地球，能源与环境科学学院（斯坦福大学）教授凯文·阿里戈（Kevin Arrigo）表示，浮游植物生物量的日益增长的影响可能代表着北极地区的“重大政权转移”，该地区的变暖速度比其他任何地方都要快在地球上。

这项研究集中在净初级生产（NPP）上，净初级生产量是一种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的量度。Arrigo说：“对于其他生态系统而言，这些比率真的很重要。”“这也很重要，因为这是将二氧化碳从大气中抽出并进入海洋的主要方式之一。”

浓汤

Arrigo及其同事发现，1998年至2018年期间，北极地区的NPP增加了57％。对于整个海洋盆地来说，这是前所未有的生产力飞跃。更令人惊讶的发现是，尽管NPP的增加最初与海冰的退缩有关，但即使在2009年融化速度放缓之后，生产率仍继续攀升。“过去十年中NPP的增加几乎完全是由于近期浮游植物生物量的增加所致，” Arrigo说。

换句话说，这些微型藻类曾经在整个北极地区代谢更多的碳，这仅仅是因为由于气候驱动的冰盖变化，它们在更长的生长季节中获得了更多的开阔水域。现在，它们变得越来越浓，就像浓稠的藻类汤一样。

斯坦福大学地球系统科学系的博士生凯特·刘易斯说：“在给定的水量下，每年可以增加浮游植物的生长。”“这是北冰洋上的首次报道。”

左图显示了北冰洋及其架子海和盆地。绿色箭头表示流入电流；紫色箭头表示流出电流。右图显示了1998年至2018年之间北冰洋中叶绿素的变化速率，以毫克每立方米每年计。灰线勾勒出子区域。黑色像素表示无数据。

浮游植物需要光和养分才能生长。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。结果，尽管北极研究人员在最近的几十年中观察到浮游植物的繁花已进入超速运转状态，但他们仍在争论这种繁荣可能持续多长时间以及它可能会上升多高。

通过为北冰洋收集大量新的海洋颜色测量数据并建立新的算法来估计北极浮游植物的浮游植物浓度，斯坦福大学的研究小组发现了证据，表明产量的持续增长可能不再像曾经怀疑的那样受到稀缺营养素的限制。唐纳德（Donald）和唐纳德·M·斯蒂尔（Donald M. Steel）地球科学教授阿里格（Arrigo）表示：“目前仍处于初期，但现在看来已经开始转向增加养分供应。”

研究人员推测，新的营养物质流入是从其他海洋流入并从北极深处蔓延而来。刘易斯说：“我们知道北极在过去几年中增加了产量，但似乎该系统只是在回收相同的养分。”“我们的研究表明情况并非如此。随着新的营养物质进入海洋，浮游植物的碳吸收量逐年增加。这是出乎意料的，并且对生态产生了很大的影响。”

解码北极

研究人员能够从卫星传感器和研究航行所采取的绿色植物色素叶绿素测量中提取这些见解。但是由于北极地区光，色彩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的最困难的地方，”阿里戈解释说。“在世界其他任何地方都可以使用的算法-查看海洋的颜色来判断浮游植物的数量-在北极根本不起作用。”

困难部分源于大量茶色河水的流入，这些河水携带着溶解的有机物，遥感器将其误认为是叶绿素。浮游植物适应北极极低照度的不寻常方式也带来了额外的复杂性。刘易斯说：“在北冰洋使用全球卫星遥感算法时，最终会在估计中出现严重错误。”

然而，这些遥感数据对于了解全球最极端环境之一中整个海盆的长期趋势至关重要，在这种情况下，一次直接测量NPP可能需要一组科学家进行24小时不间断的工作刘易斯说，登上破冰船。她精心策划了一系列海洋颜色和NPP测量值，然后使用编译后的数据库构建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塑造北冰洋的未来生产力，食品供应和吸收碳的能力。“将会有赢家和输家，”阿里戈说。“北极的生产力更高，意味着许多动物的食物更多。但是随着冰的撤退，许多适应了极地环境的动物发现生活变得更加困难。”

由于浮冰在今年早些时候融化，因此浮游植物的生长也可能与其他食物网不同步。此外，随着北极水域的开放，可能会有更多的运输流量，而且北极的规模实在太小，无法从全球的温室气体排放中吸收很多东西。“吸收的碳比以前吸收的碳要多得多，”阿里戈说，“但这并不是我们能够依靠的帮助我们摆脱气候问题的东西。”

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参考：K. M. Lewis，G。L. van Dijken和K.R. Arrigo于2020年7月10日在Science.DOI上发表的文章“浮游植物浓度的变化现在推动了北冰洋初级生产的增加”。
10.1126 / science.aay8380

合著者Gert van Dijken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国家航空航天局（NASA）的地球与太空科学奖学金计划和美国国家科学基金会的支持。