南极海冰如何左右浮游植物、海洋生产力与碳输出？2026最新研究

本文来源于海潮天下（Marine Biodiversity）

▲上图：2009年10月，一座巨大的南极冰山漂浮在阿蒙森海（Amundsen Sea）广阔的海面上。阿蒙森海是南极洲冰川消融最为迅速的区域之一，其冰架底部的消融过程直接影响着全球海平面的上升。图源：NASA

【海潮天下·导读】

在南极半岛西侧，海洋浮游生物的生长节律与环境条件的年际变化高度绑定，其中最关键的影响因素之一，就是海冰覆盖时间的物候变化。为了更清晰地揭示二者之间的关系，研究团队依托帕尔默长期生态研究站的固定观测点位，使用一维垂直海洋-海冰-生态系统模型（KPP-Eco-Ice，简称KEI），对南极半岛西侧大陆架区域做了模拟分析，验证了一个关键结论：海冰的物候变化，是塑造南极海洋生态系统动态的核心驱动因素。

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出品 | 海潮天下

如果把南极想象成一片“冰雪世界”，很多人第一反应可能是：那里一片荒凉，生物很少，变化也不大。但实际情况恰恰相反。尤其是在南极半岛西侧这片海域，这里不但不“静止”，反而是全球变化最明显的地方之一。气温在升高，海冰在减少，而这些变化，会一层一层地传递到海洋生态系统里，影响从最微小的浮游植物，到企鹅、鲸鱼这样的大家伙。

先从一个很基础的问题说起：海里的生命是怎么“开场”的？

答案是浮游植物。它们很小，小到肉眼看不见，但作用却非常关键。可以把它们理解成海洋里的“草”。就像陆地上的草养活牛羊一样，浮游植物通过光合作用制造有机物，为后面的整个食物链提供能量。南极的磷虾吃它们，鱼和企鹅再吃磷虾，鲸鱼又吃磷虾或小鱼，一层一层往上传。

▲上图：南极磷虾（Euphausia superba）。图源：Uwe Kils

所以，只要浮游植物出了问题，整个生态系统都会跟着受影响。

那么问题来了：在南极这样一个极端环境里，浮游植物什么时候长、长多少，是谁在控制？

很多研究已经发现，一个关键因素就是海冰。但“海冰影响生态”这句话，说起来简单，里面的具体过程其实很复杂。到底是怎么影响的？影响到什么程度？过去一直缺少比较完整的解释。

2026年4月2日，美国弗吉尼亚大学（University of Virginia）等多家科研机构的研究人员在《地球物理研究杂志：海洋》（Journal of Geophysical Research: Oceans）在线发表了一项研究。他们围绕南极半岛西侧海域，利用长期观测数据和数值模型，系统分析了海冰年际变化如何影响海洋浮游生态系统，尤其是浮游植物的生长节律。

南极海冰。摄影：Joys | 海潮天下（Marine Biodiversity）

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模型在科研中，像“眼睛”一样

这项研究做的事情，可以理解为：把这些零散的线索，用一个更完整的框架串起来。

该研究团队依托的是帕尔默长期生态研究站的观测数据。这个地方相当于南极海洋生态的一个“长期监测点”，已经持续观测了几十年。

先介绍一下帕尔默长期生态研究站（Palmer Long-Term Ecological Research，简称 PAL-LTER）建立于1990年，研究中心位于南极半岛西部的帕尔默站（Palmer Station）。这个研究站的核心任务，是监测和研究海洋冰缘生态系统对气候变化的响应。他们长期追踪海冰的形成、消融时间以及覆盖范围，以此作为理解生态系统波动的基石。这个站还对从微小的浮游植物、硅藻，到南极磷虾，再到顶级掠食者如阿德利企鹅进行全方位的监测。科学家们试图弄清楚，随着海冰减少，这些物种的种群数量和分布是如何发生偏移的。他们每年夏季都会组织科学考察船进行巡航采样，并布设长期的海洋监测浮标（Mooring），以此获取跨越全年的连续数据。

不过有个现实问题——冬天几乎没法采样。海冰一封，船进不去，人也很难作业，所以很多关键过程其实是“看不见”的。

这时候，模型就派上用场了。

▲上图：研究区域及PAL-LTER采样网格图。图中深灰色区域代表陆地，浅灰色区域代表冰架，蓝色等值线表示1000米水深。海岸线与冰架数据源自南极数字数据库（SCAR ADD）（Gerrish等，2024），水深数据则来自全球多分辨率地形合成数据（Ryan等，2009）。论文出处：Czajka, Catherine R., et al.

他们用的是一个叫KEI的模型，可以同时模拟海洋、海冰和生态系统的变化。可以把它想象成一个“虚拟的海洋实验室”：把气温、风、海冰这些条件输入进去，模型就能推演出一年四季海里会发生什么，包括浮游植物什么时候开始增长、什么时候达到高峰等等。

有了这个工具，研究人员就可以把那些平时看不到的过程，一点一点补全。

接下来，他们挑选了几个海冰变化差异比较明显的年份来做对比。有的年份海冰退得早，有的年份退得晚，还有的年份海冰持续时间特别长。比较这些不同情况，就能看出海冰到底在“操控”什么。

从太空俯瞰南极大陆。图源：网络

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海冰变化，如何“牵一发而动全身”影响海洋生态？

结果挺有意思，而且也挺反直觉。

一般人可能会觉得：海冰早点融化，海面更早露出来，阳光也更早照进海里，那浮游植物应该长得更好才对吧？

但模拟结果显示，情况正好相反。那些海冰退得比较晚的年份，浮游植物的总产量反而更高。

图源：网络

为什么会这样？关键在一个词：混合层。

简单说，海水并不是完全静止的。风一吹，表层水会被搅动，和下面的水混在一起。这一层被搅动的水，就叫混合层。如果混合层很深，浮游植物就会被带到深水里；如果混合层很浅，它们就大多待在表层。

而表层和深层最大的区别是什么？是光。浮游植物需要光才能进行光合作用。如果被不断“搅”到深水里，光照就不够，生长自然会受影响。

这时候，海冰的作用就体现出来了。

冬天有海冰的时候，相当于在海面上盖了一层“盖子”。风吹不动水面，混合就被抑制了。等到春天海冰融化，大量淡水进入海面，使表层水更“轻”，不容易下沉，于是形成一个很稳定的分层结构。

换句话说，海冰不仅不会妨碍浮游植物，反而是在“帮它们打基础”。

所以，当海冰退得比较晚时，意味着这个“稳定分层”的条件更充分。一旦阳光回来，浮游植物就能在一个光照充足、相对稳定的环境里快速生长，于是形成一个强烈的“春季大爆发”。

反过来看，如果海冰退得太早，问题就来了。海面提前暴露在风里，混合层不断被搅深。浮游植物一会儿被带到表层，一会儿又被带到深层，光照条件很不稳定。结果就是：虽然有阳光，但利用不上，整体生产力反而下降。

不过，事情也不是这么简单的“好或不好”。因为混合还有一个好处：它能把深层的营养带上来。

▲上图：模拟年份2007-08（a-c）、2008-09（d-f）及2011-12（g-i）中，11月中旬至次年3月中旬的净初级生产力（a、d、g）、叶绿素a（b、e、h）及溶解铁（c、f、i）深度剖面。图中实线代表密度混合层深度（MLD），虚线代表湍流驱动的KPP混合深度。论文出处：Czajka, Catherine R., et al.

在南极海域，氮和磷这些常见营养盐其实不太缺，真正容易成为限制因素的是铁。铁在深层比较多，但在表层很容易被消耗掉。如果没有补充，就会限制浮游植物生长。

这时候，风引起的混合就像“搅拌器”，把深层的铁带到表层。所以就出现了一个很典型的“权衡”：

海冰多、分层强→光条件好，但铁可能不够；

海冰少、混合强→铁供应多，但光条件变差。

浮游植物的生长，就在这两种条件之间“找平衡”。

进一步来看，这种差异还会影响浮游植物“是谁在长”。

这个研究里把浮游植物分成两大类：一类是体型比较小的，另一类是比较大的，比如硅藻。

结果发现，在海冰退得晚、分层稳定的年份，小型浮游植物更占优势；而在海冰少、混合强的年份，大型硅藻更容易占上风。

这个差别听起来好像只是“种类不同”，但其实影响很大。

因为不同类型的浮游植物，对整个生态系统的作用不一样。比如硅藻体型大，更容易被动物吃掉，也更容易形成颗粒下沉，把碳带到深海。换句话说，它们更有利于“碳输出”。而小型浮游植物则更容易在表层循环，被反复利用，不太容易沉下去。

这样一来，海冰变化不仅影响“长多少”，还影响“长什么”，进而影响整个食物链和碳循环。

再往后推一步，这些变化还会传导到更高层级。南极磷虾是一个关键物种，它们的食物主要就是浮游植物。如果浮游植物减少，或者种类变了，磷虾的数量和分布也会受到影响。再往上，企鹅、海豹、鲸鱼都会受到牵连。

也就是说，一点点海冰变化，最终可能影响整个生态系统的结构。

这个研究中还有一个比较细节但很重要的发现：浮游植物的增长节奏，其实和混合层的变化是“同步”的。

每年春天，当混合层开始变浅，浮游植物就开始快速增长；一旦风变大、混合层加深，增长就会被打断，甚至停止。这种“涨--停--再涨”的节律，在不同年份会表现得不一样，而背后的驱动，往往就是海冰和风。

▲上图：海冰融化是极地海洋物理环境发生剧烈变化的自然过程，主要指覆盖在海面上的咸水冰层由于热量吸收而转变为液态水的物态变化。海冰融化的“时机”至关重要。如果海冰退缩过早（早冰年），表层水体失去了冰层的保护，强风会引起深层混合，将浮游植物带入缺乏光照的深水区，反而可能导致初级生产力下降。反之，晚冰年虽然缩短了生长季，但往往能通过更稳定的分层和集中的养分释放，促成更大规模的生物爆发。©赵宇 摄影 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

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海冰变率如何塑造南极半岛生态系统?

过去几十年，南极半岛地区的海冰总体是在减少的，持续时间也在缩短。也就是说，“早退冰”的年份正在变多。

如果按照这项研究的结果来看，这可能意味着：未来浮游植物的总体生产力会下降，同时群落结构也会发生改变。

这不是一个孤立的变化，而是会影响整个南极生态系统的运行方式。

说到底，这项研究想说明的其实很简单：海冰不是一个“背景条件”；它是一个真正的“调控者”。

它通过改变水的结构、光的分布、营养的供应，一步一步的影响浮游植物，再一层一层的传递到整个生态系统。

很多时候，我们看气候变化，容易盯着温度、冰川这些直观指标。但实际上，真正深远的影响，往往藏在这些看不见的生态过程里。当你把这些关系串起来再看，就会有一种比较清晰的认识：南极的变化，不只是“冰少了”，而是整个海洋生命的节奏，正在被重新改写。

感兴趣的海潮天下（Marine Biodiversity）读者可以参看该研究的全文：
Czajka, C. R., Turner, J. S., Stammerjohn, S., Kim, H. H., Schofield, O., Saenz, B. T., & Doney, S. C. (2026). Modeling upper ocean ecosystem dynamics in response to interannual sea-ice variability in the Western Antarctic Peninsula. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 131, e2025JG009428. https://doi.org/10.1029/2025JG009428

01

海冰物候（Sea-ice Phenology）

海冰物候（Sea-ice Phenology）是指海冰季节性变化的特征时间点，主要包括海冰形成的日期、消融的日期以及海冰覆盖的持续时间。在这项研究中，海冰物候的年度差异（如早退与晚退）被证明是驱动表层海洋混合层深度和初级生产力波动的核心物理因素。

02

浮游植物功能群

浮游植物功能群（Phytoplankton Functional Groups）是指根据海洋浮游植物在生物地球化学循环中所扮演的生态角色和生理功能，而非仅仅根据生物分类学，将其划分为不同的群体。这种划分方式通常会考虑生物的体型大小、对特定营养盐的摄取需求（如对硅的需求）、光合作用特性以及在碳循环中的贡献。在极地研究中，常见的划分是将群落分为大型的硅藻和微小型的非硅藻（如隐藻或定鞭藻），这有助于科学家更直观地分析海冰变化、光照波动或营养盐（如铁）的供应如何影响整个海洋食物网的能量流动和碳输出效率。

03

铁限制

铁限制（Iron Limitation）在南极海洋生态系统中，铁通常是限制浮游植物生长的关键微量元素。这个研究发现，虽然强烈的深层混合会恶化光照条件，但它能借助“夹卷”作用将深层富含铁的水体带入表层，从而在一定程度上缓解铁限制，并影响浮游植物的物种组成。

思考题·举一而反三

【思考】南极大陆架的实地考察长期受困于冬季严酷的自然条件，导致人类对该地区生态系统的了解大多局限于夏季。这项研究构建并验证KPP-Eco-Ice模型，填补了观测数据的“季节性空白”。该研究精准触及了当前气候变化的两个核心痛点：海冰消融与碳循环。照例，举一而反三，我们来思考几个小问题（没标准答案，仅供激发好奇、启发思考）。

Q1: 该研究观察到，风力混合在降低光合作用的同时，通过垂直输送缓解了铁限制。那么一个更深层的科学命题可能是，随着南极半岛气旋活动的加强和海冰季节的缩短，该海域是否正在从传统的“光照限制型”向一种动态的“光-营养盐协同波动型”演变？你觉得，这种转变是否存在一个临界点，即当物理混合强度超过某一阈值时，光照缺失的负效应将彻底抵消铁补给的正效应，导致生态系统从“生产力泵”转变为“低营养平衡态”？

Q2：他们搞的KEI模型，是一个优秀的一维工具，成功捕捉了局部的垂直过程，但南极半岛大陆架实际上是一个高度开放的动力系统。你觉得，在气候变暖背景下，日益剧烈的上层环流绕极深层水（UCDW）横向入侵，如何干预一维模型中所预测的垂直混合逻辑？换言之，海冰消融驱动的垂直分层增强，是否会被横向涌入的温暖、富铁水体所打破？这种“垂直过程”与“横向平流”的相互作用，如何界定了一维模型预测能力的物理边界，又该如何定义这种空间尺度耦合中的不确定性呢？

Q3：极地海洋“生物泵”效率在物种演替中将如何演变？小型非硅藻类群与大型硅藻类群在碳沉降速率上存在显著差异。如果南极半岛海域的浮游植物群落结构发生长期转型，这种微观生物组成的变化，将如何改变碳输出效率，进而影响到南极海洋作为全球“碳汇”的功能呢？

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资讯源 | Czajka, Catherine R., et al.(2026)

文 | 王海诗

排版 | 卢晓雨

时间 | 2026年4月

本文参考资料
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2025JG009428

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