一个以海冰为中心的世界正在极地迅速变化

千百年来,极地海洋的食物链一直与海冰的季节性形成和消退密切相关。现在,随着北极和南极半岛的冰层迅速融化,这个错综复杂的生命网络正在发生重大变化,一些生物受益,另一些则面临风险。

随着北极和南极洲部分地区的海冰迅速融化,以冰为食平台的生物——北极的北极熊和海象,以及南极的企鹅——面临的威胁已经广为人知。

但是,这些全球变暖的标志仅仅是极地海洋生态系统的顶峰,而这些生态系统的基础,最重要的是,建立在一件事情上:广泛的、季节性的海冰形成和消退。随着北极和南极半岛的气温上升速度比地球上其他任何地方都快,越来越多的证据表明,海冰的消融正在改变一个支持从单细胞浮游植物到灰鲸等各种海洋生物的食物链。

这个错综复杂的生命之网——每年春夏海冰的消退和随之而来的浮游植物的繁殖期启动了其每年的繁殖周期——在这个时间点上正面临着深刻的变化,颠覆了许多长期建立的相互作用。一些生物将从这些转变中受益,而另一些将会失败。但有一件事是肯定的:许多形式的极地海洋生物已经进化了数百万年,生活在一个相对稳定的,海冰主导的世界,现在正面临着一个新的,迅速变化的现实。

在海冰主宰的世界里进化了数百万年的生物正面临着一个新的现实。

“这些生态系统对海冰的变化非常敏感,如果你改变,平衡你可能会得到一个完全不同的生态系统,”马丁Montes-Hugo说,大学的海洋学家和遥感专家魁北克研究海冰的影响下降沿南极半岛西部海洋食物网。

该地区南大洋的变化表明,随着海冰融化,极地海洋发生了一系列连锁反应。在过去的60年里,南极半岛西北部的冬季气温上升了11华氏度,海洋表面温度上升了1华氏度——这是一个微小但重要的变化。由于这些增加,海冰现在覆盖南极半岛西部的南大洋的时间比30年前少了近3个月。

长久以来,这一地区的海洋世界每年春天都生机勃勃,海冰消融,将海洋暴露在阳光下。当太阳催化光合作用的过程时,被困在冰里、漂浮在水柱里的海洋藻类或浮游植物突然出现了生命。此外,海冰中融化的淡水在较重的咸水上形成了一个浮力帽,将海藻困在海洋的上层,在那里海藻暴露在阳光下并开花。

这些季节性的浮游植物的繁殖滋养了南极洲周围的整个食物网:像虾一样的磷虾和鱼类以这些浮游植物为食,几乎其他所有动物——从Adélie企鹅到座头鲸——都以磷虾为食,磷虾是甲壳类动物家族的一部分。

然而,现在,Montes Hugo和他的同事们在食物链的底层——浮游植物——发现了重大的变化,这些浮游植物似乎正在向上爬到顶端的捕食者,包括Adélie penguin。Montes-Hugo利用各种记录——包括测量水中叶绿素(浮游植物迹象)的卫星遥感技术——比较了1978年至1986年和1998年至2006年两个时期的浮游植物产量。他总结说,在这30年里,南极半岛西北部的浮游植物产量下降了近90%。

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浮游植物爆发南极洲

美国国家航空航天局
卫星图像显示,围绕南极的南大洋浮游植物大量繁殖。

蒙特-雨果说,下降的主要原因是同一时期海冰的急剧减少。海冰减少意味着两件事。首先,它缩小了淡水层的大小,而淡水层是浮游植物被困在南大洋上层的地方,当它们暴露在阳光下时,就会大量生长。其次,该地区近三个月的海冰持续时间减少意味着海洋表面更容易受到风的影响,风会搅动海水,使上层和下层混合。结果是浮游植物的繁殖量急剧减少,因为藻类被驱使到水柱深处,在那里它们不能暴露在产生繁殖量的太阳能量中。

浮游植物的减少被认为是南极磷虾区域减少的主要原因。磷虾的减少,加上Adé在冬天用作进食平台的海冰的减少,是过去35年里南极半岛西北部Adélie企鹅数量骤降超过80%的主要原因。

在更远的南极半岛,那里的温度要低得多,而变暖却产生了相反的效果。以前,南极半岛更靠南的水域几乎全年都被广泛的海冰覆盖,抑制了浮游植物的生长。但随着该地区变暖,海冰消退,开放水域面积的扩大实际上导致浮游植物产量增加了60%以上,这很可能会促进磷虾和以它们为食的生物的产量。

休·达克罗,美国国家科学基金会的长期生态学研究他说,他和他的同事正在观察另一个与海冰消失有关的重要变化。达克罗,一位海洋生物学家,他是生态环境中心在马萨诸塞州伍兹霍尔的海洋生物实验室。他说,长期以来,南极洲的海洋生态系统相对简单,食物链的环节很少,在各个层次上都由大型物种主导。一种叫做硅藻的大型浮游植物占据了上风,还有南极的大型磷虾。

一位专家说,生态系统肯定会发生大规模的变化,它将走向何方,没有人知道。

然而现在,Ducklow说较小的浮游植物——南极磷虾通常不吃的——变得越来越普遍,他说这与水温上升和海洋分层变化有关。此外,该地区的研究人员还发现,南极磷虾正开始被一种名为樽海鞘的生物所取代。樽海鞘是一种透明的桶形水母状被囊动物,99%是水,因此营养价值很低。达克洛说,这些发展对依赖南极磷虾的企鹅、海豹和鲸鱼来说可能是不祥的预兆。

达克洛说:“这表明,由于海冰的消失,食物链发生了根本的变化。”

Montes-Hugo补充说,“生态系统肯定会发生大规模的变化,它的走向是什么,没有人知道。”

在北极,几乎整个北极盆地的海冰都在迅速消退,科学家们正在发现浮游植物繁殖期以及许多依赖这些繁殖期维生的生物的显著变化。自1979年以来,北冰洋夏季海冰的范围减少了三分之一,多年的厚海冰正在迅速让位于多年的薄冰。

随着海冰消退的速度加快,北极夏季浮游植物的繁殖期也提前了。最近的研究表明,北极海冰的大面积消退正在导致浮游植物产量的增加,因为以前几乎全年都被海冰覆盖的地区现在暴露在更多的阳光下,引发了更强烈的浮游植物繁殖期。(浮游植物的繁殖也依赖于水中的营养物质,比如氮;北冰洋的大部分海域营养匮乏,但随着风搅动无冰的海水,从北极盆地深处带来营养物质,情况可能会发生改变。)

凯文Arrigo他进行的一项研究显示,从1998年到2009年,北极的浮游植物产量增加了20%。研究还表明,在短短13年里,北冰洋的无冰日从87天增加到132天,这延长了浮游植物的生长季节。

但是,海冰消退导致的浮游植物生长的激增,对北冰洋生态系统以及栖息在其中的海洋哺乳动物和海鸟来说,并非全都是好消息。由于浮游植物水华一般海冰撤退峰值大约两周后,前面的花朵意味着鲸鱼和海鸟长时间他们到达北极恰逢浮游动物的高峰期,其人口吃浮游植物,人们可能会发现,他们来得太迟,下降的食物资源。

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正在消退的海冰

照片由Jim Lovvorn提供
成千上万头戴眼镜的凫羚聚集在北极的浮冰上。

“时间上发生了巨大的变化,动物们把繁殖的时间安排在浮游植物大量繁殖的时间上,现在它们将处于不利地位,”阿里格说。“如果你是一只向北迁徙的灰鲸,浮游植物的繁殖期提前了20天,而你想以磷虾和无脊椎动物为食,这些动物的数量增长是由浮游植物的生产力推动的,这不是一件好事。”

最近的一项研究表明,北冰洋部分海域的浮游植物繁殖期高峰在最近几十年里已经提前了50天——这是一种巨大的变化,这些生物经过数千年的进化,在觅食机会最多的时候来到了北极。这种对最佳觅食期的寻找可能解释了为什么一些海洋哺乳动物,包括灰鲸,现在正迁往新的、更北的北极地区。

在这个全球变暖的时代,从蝴蝶到鸟类再到鲸鱼,所有物种都可能发现自己与快速变化的环境不同步,这个时间问题对许多物种来说是一个关键问题。科学家给这种现象起了个名字——配对不匹配动态。

在北极,科学家们也开始认识到,消退的海冰往往会有利于一种物种而非另一种物种。在北白令海和楚科奇海,马里兰大学环境科学中心的海洋学家杰奎琳·格莱布迈尔和她的同事一直在研究这一现象。他们发现,海冰的消失显然对眼镜凫、海象和鬃海豹等物种的混合有害,这些物种依靠海冰作为休息平台,进入丰富的海底,或底栖生物,蛤蜊生态系统生存。

与此同时,海冰的消失似乎是一些鱼类和鲸鱼物种的福音,比如弓头鲸,它们生活在海洋的中层和上层。

这种转变的原因相对简单。早些时候,海冰覆盖海洋的面积更大,时间更长,冷水和海冰的后期消退使以浮游植物为食的浮游动物的数量减少。因此,当浮游植物最终繁盛时,大多数藻类不会被浮游动物吃掉,而是漂流到海底,在那里滋养了一个繁荣的蛤和其他底栖生物群落。眼镜凫和海洋哺乳动物狼吞虎咽地吃着大陆架浅水底部的丰盛食物。

然而现在,Grebmeier说温暖的海域,海洋表面温度的北冰洋地区30年来增长了3.5华氏度——和longer-ice-free时期有大量的浮游动物,然后使用浮游植物才能到达海底。因此,北白令海和楚科奇海许多地区的蛤蜊数量减少了,这给食物链中的鸟类和哺乳动物带来了损失,比如眼镜凫。研究显示,在楚科奇海的许多地区,在北美筑巢的眼镜羽绒的数量已经减少了50%到90%。

格雷布迈尔说:“所以,如果你是一种利用上游水柱的生物,你将是赢家。”“如果你是一个使用底层的有机体,你将是一个失败者。

这些差异很大的影响表明,随着极地生态系统对近年来前所未有的变暖水平作出反应,物种之间发生了复杂的相互作用。伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institute)的海洋地球化学家斯科特·唐尼(Scott Doney)说,“我们开始了解海冰变暖和消融是如何影响个体种群和物种的。”“但它是如何通过食物网扩散的,实际上是一个有待解决的问题。”