南極海冰如何左右浮游植物、海洋生產力與碳輸出？2026最新研究

本文來源于海潮天下（Marine Biodiversity）

▲上圖：2009年10月，一座巨大的南極冰山漂浮在阿蒙森海（Amundsen Sea）廣闊的海面上。阿蒙森海是南極洲冰川消融最為迅速的區域之一，其冰架底部的消融過程直接影響著全球海平面的上升。圖源：NASA

【海潮天下·導讀】

在南極半島西側，海洋浮游生物的生長節律與環境條件的年際變化高度綁定，其中最關鍵的影響因素之一，就是海冰覆蓋時間的物候變化。為了更清晰地揭示二者之間的關系，研究團隊依托帕爾默長期生態研究站的固定觀測點位，使用一維垂直海洋-海冰-生態系統模型（KPP-Eco-Ice，簡稱KEI），對南極半島西側大陸架區域做了模擬分析，驗證了一個關鍵結論：海冰的物候變化，是塑造南極海洋生態系統動態的核心驅動因素。

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出品 | 海潮天下

如果把南極想象成一片“冰雪世界”，很多人第一反應可能是：那里一片荒涼，生物很少，變化也不大。但實際情況恰恰相反。尤其是在南極半島西側這片海域，這里不但不“靜止”，反而是全球變化最明顯的地方之一。氣溫在升高，海冰在減少，而這些變化，會一層一層地傳遞到海洋生態系統里，影響從最微小的浮游植物，到企鵝、鯨魚這樣的大家伙。

先從一個很基礎的問題說起：海里的生命是怎么“開場”的？

答案是浮游植物。它們很小，小到肉眼看不見，但作用卻非常關鍵。可以把它們理解成海洋里的“草”。就像陸地上的草養活牛羊一樣，浮游植物通過光合作用制造有機物，為后面的整個食物鏈提供能量。南極的磷蝦吃它們，魚和企鵝再吃磷蝦，鯨魚又吃磷蝦或小魚，一層一層往上傳。

▲上圖：南極磷蝦（Euphausia superba）。圖源：Uwe Kils

所以，只要浮游植物出了問題，整個生態系統都會跟著受影響。

那么問題來了：在南極這樣一個極端環境里，浮游植物什么時候長、長多少，是誰在控制？

很多研究已經發現，一個關鍵因素就是海冰。但“海冰影響生態”這句話，說起來簡單，里面的具體過程其實很復雜。到底是怎么影響的？影響到什么程度？過去一直缺少比較完整的解釋。

2026年4月2日，美國弗吉尼亞大學（University of Virginia）等多家科研機構的研究人員在《地球物理研究雜志：海洋》（Journal of Geophysical Research: Oceans）在線發表了一項研究。他們圍繞南極半島西側海域，利用長期觀測數據和數值模型，系統分析了海冰年際變化如何影響海洋浮游生態系統，尤其是浮游植物的生長節律。

南極海冰。攝影：Joys | 海潮天下（Marine Biodiversity）

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模型在科研中，像“眼睛”一樣

這項研究做的事情，可以理解為：把這些零散的線索，用一個更完整的框架串起來。

該研究團隊依托的是帕爾默長期生態研究站的觀測數據。這個地方相當于南極海洋生態的一個“長期監測點”，已經持續觀測了幾十年。

先介紹一下帕爾默長期生態研究站（Palmer Long-Term Ecological Research，簡稱 PAL-LTER）建立于1990年，研究中心位于南極半島西部的帕爾默站（Palmer Station）。這個研究站的核心任務，是監測和研究海洋冰緣生態系統對氣候變化的響應。他們長期追蹤海冰的形成、消融時間以及覆蓋范圍，以此作為理解生態系統波動的基石。這個站還對從微小的浮游植物、硅藻，到南極磷蝦，再到頂級掠食者如阿德利企鵝進行全方位的監測。科學家們試圖弄清楚，隨著海冰減少，這些物種的種群數量和分布是如何發生偏移的。他們每年夏季都會組織科學考察船進行巡航采樣，并布設長期的海洋監測浮標（Mooring），以此獲取跨越全年的連續數據。

不過有個現實問題——冬天幾乎沒法采樣。海冰一封，船進不去，人也很難作業，所以很多關鍵過程其實是“看不見”的。

這時候，模型就派上用場了。

▲上圖：研究區域及PAL-LTER采樣網格圖。圖中深灰色區域代表陸地，淺灰色區域代表冰架，藍色等值線表示1000米水深。海岸線與冰架數據源自南極數字數據庫（SCAR ADD）（Gerrish等，2024），水深數據則來自全球多分辨率地形合成數據（Ryan等，2009）。論文出處：Czajka, Catherine R., et al.

他們用的是一個叫KEI的模型，可以同時模擬海洋、海冰和生態系統的變化。可以把它想象成一個“虛擬的海洋實驗室”：把氣溫、風、海冰這些條件輸入進去，模型就能推演出一年四季海里會發生什么，包括浮游植物什么時候開始增長、什么時候達到高峰等等。

有了這個工具，研究人員就可以把那些平時看不到的過程，一點一點補全。

接下來，他們挑選了幾個海冰變化差異比較明顯的年份來做對比。有的年份海冰退得早，有的年份退得晚，還有的年份海冰持續時間特別長。比較這些不同情況，就能看出海冰到底在“操控”什么。

從太空俯瞰南極大陸。圖源：網絡

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海冰變化，如何“牽一發而動全身”影響海洋生態？

結果挺有意思，而且也挺反直覺。

一般人可能會覺得：海冰早點融化，海面更早露出來，陽光也更早照進海里，那浮游植物應該長得更好才對吧？

但模擬結果顯示，情況正好相反。那些海冰退得比較晚的年份，浮游植物的總產量反而更高。

圖源：網絡

為什么會這樣？關鍵在一個詞：混合層。

簡單說，海水并不是完全靜止的。風一吹，表層水會被攪動，和下面的水混在一起。這一層被攪動的水，就叫混合層。如果混合層很深，浮游植物就會被帶到深水里；如果混合層很淺，它們就大多待在表層。

而表層和深層最大的區別是什么？是光。浮游植物需要光才能進行光合作用。如果被不斷“攪”到深水里，光照就不夠，生長自然會受影響。

這時候，海冰的作用就體現出來了。

冬天有海冰的時候，相當于在海面上蓋了一層“蓋子”。風吹不動水面，混合就被抑制了。等到春天海冰融化，大量淡水進入海面，使表層水更“輕”，不容易下沉，于是形成一個很穩定的分層結構。

換句話說，海冰不僅不會妨礙浮游植物，反而是在“幫它們打基礎”。

所以，當海冰退得比較晚時，意味著這個“穩定分層”的條件更充分。一旦陽光回來，浮游植物就能在一個光照充足、相對穩定的環境里快速生長，于是形成一個強烈的“春季大爆發”。

反過來看，如果海冰退得太早，問題就來了。海面提前暴露在風里，混合層不斷被攪深。浮游植物一會兒被帶到表層，一會兒又被帶到深層，光照條件很不穩定。結果就是：雖然有陽光，但利用不上，整體生產力反而下降。

不過，事情也不是這么簡單的“好或不好”。因為混合還有一個好處：它能把深層的營養帶上來。

▲上圖：模擬年份2007-08（a-c）、2008-09（d-f）及2011-12（g-i）中，11月中旬至次年3月中旬的凈初級生產力（a、d、g）、葉綠素a（b、e、h）及溶解鐵（c、f、i）深度剖面。圖中實線代表密度混合層深度（MLD），虛線代表湍流驅動的KPP混合深度。論文出處：Czajka, Catherine R., et al.

在南極海域，氮和磷這些常見營養鹽其實不太缺，真正容易成為限制因素的是鐵。鐵在深層比較多，但在表層很容易被消耗掉。如果沒有補充，就會限制浮游植物生長。

這時候，風引起的混合就像“攪拌器”，把深層的鐵帶到表層。所以就出現了一個很典型的“權衡”：

海冰多、分層強→光條件好，但鐵可能不夠；

海冰少、混合強→鐵供應多，但光條件變差。

浮游植物的生長，就在這兩種條件之間“找平衡”。

進一步來看，這種差異還會影響浮游植物“是誰在長”。

這個研究里把浮游植物分成兩大類：一類是體型比較小的，另一類是比較大的，比如硅藻。

結果發現，在海冰退得晚、分層穩定的年份，小型浮游植物更占優勢；而在海冰少、混合強的年份，大型硅藻更容易占上風。

這個差別聽起來好像只是“種類不同”，但其實影響很大。

因為不同類型的浮游植物，對整個生態系統的作用不一樣。比如硅藻體型大，更容易被動物吃掉，也更容易形成顆粒下沉，把碳帶到深海。換句話說，它們更有利于“碳輸出”。而小型浮游植物則更容易在表層循環，被反復利用，不太容易沉下去。

這樣一來，海冰變化不僅影響“長多少”，還影響“長什么”，進而影響整個食物鏈和碳循環。

再往后推一步，這些變化還會傳導到更高層級。南極磷蝦是一個關鍵物種，它們的食物主要就是浮游植物。如果浮游植物減少，或者種類變了，磷蝦的數量和分布也會受到影響。再往上，企鵝、海豹、鯨魚都會受到牽連。

也就是說，一點點海冰變化，最終可能影響整個生態系統的結構。

這個研究中還有一個比較細節但很重要的發現：浮游植物的增長節奏，其實和混合層的變化是“同步”的。

每年春天，當混合層開始變淺，浮游植物就開始快速增長；一旦風變大、混合層加深，增長就會被打斷，甚至停止。這種“漲--停--再漲”的節律，在不同年份會表現得不一樣，而背后的驅動，往往就是海冰和風。

▲上圖：海冰融化是極地海洋物理環境發生劇烈變化的自然過程，主要指覆蓋在海面上的咸水冰層由于熱量吸收而轉變為液態水的物態變化。海冰融化的“時機”至關重要。如果海冰退縮過早（早冰年），表層水體失去了冰層的保護，強風會引起深層混合，將浮游植物帶入缺乏光照的深水區，反而可能導致初級生產力下降。反之，晚冰年雖然縮短了生長季，但往往能通過更穩定的分層和集中的養分釋放，促成更大規模的生物爆發。?趙宇 攝影 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

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海冰變率如何塑造南極半島生態系統?

過去幾十年，南極半島地區的海冰總體是在減少的，持續時間也在縮短。也就是說，“早退冰”的年份正在變多。

如果按照這項研究的結果來看，這可能意味著：未來浮游植物的總體生產力會下降，同時群落結構也會發生改變。

這不是一個孤立的變化，而是會影響整個南極生態系統的運行方式。

說到底，這項研究想說明的其實很簡單：海冰不是一個“背景條件”；它是一個真正的“調控者”。

它通過改變水的結構、光的分布、營養的供應，一步一步的影響浮游植物，再一層一層的傳遞到整個生態系統。

很多時候，我們看氣候變化，容易盯著溫度、冰川這些直觀指標。但實際上，真正深遠的影響，往往藏在這些看不見的生態過程里。當你把這些關系串起來再看，就會有一種比較清晰的認識：南極的變化，不只是“冰少了”，而是整個海洋生命的節奏，正在被重新改寫。

感興趣的海潮天下（Marine Biodiversity）讀者可以參看該研究的全文：
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）是指海冰季節性變化的特征時間點，主要包括海冰形成的日期、消融的日期以及海冰覆蓋的持續時間。在這項研究中，海冰物候的年度差異（如早退與晚退）被證明是驅動表層海洋混合層深度和初級生產力波動的核心物理因素。

02

浮游植物功能群

浮游植物功能群（Phytoplankton Functional Groups）是指根據海洋浮游植物在生物地球化學循環中所扮演的生態角色和生理功能，而非僅僅根據生物分類學，將其劃分為不同的群體。這種劃分方式通常會考慮生物的體型大小、對特定營養鹽的攝取需求（如對硅的需求）、光合作用特性以及在碳循環中的貢獻。在極地研究中，常見的劃分是將群落分為大型的硅藻和微小型的非硅藻（如隱藻或定鞭藻），這有助于科學家更直觀地分析海冰變化、光照波動或營養鹽（如鐵）的供應如何影響整個海洋食物網的能量流動和碳輸出效率。

03

鐵限制

鐵限制（Iron Limitation）在南極海洋生態系統中，鐵通常是限制浮游植物生長的關鍵微量元素。這個研究發現，雖然強烈的深層混合會惡化光照條件，但它能借助“夾卷”作用將深層富含鐵的水體帶入表層，從而在一定程度上緩解鐵限制，并影響浮游植物的物種組成。

思考題·舉一而反三

【思考】南極大陸架的實地考察長期受困于冬季嚴酷的自然條件，導致人類對該地區生態系統的了解大多局限于夏季。這項研究構建并驗證KPP-Eco-Ice模型，填補了觀測數據的“季節性空白”。該研究精準觸及了當前氣候變化的兩個核心痛點：海冰消融與碳循環。照例，舉一而反三，我們來思考幾個小問題（沒標準答案，僅供激發好奇、啟發思考）。

Q1: 該研究觀察到，風力混合在降低光合作用的同時，通過垂直輸送緩解了鐵限制。那么一個更深層的科學命題可能是，隨著南極半島氣旋活動的加強和海冰季節的縮短，該海域是否正在從傳統的“光照限制型”向一種動態的“光-營養鹽協同波動型”演變？你覺得，這種轉變是否存在一個臨界點，即當物理混合強度超過某一閾值時，光照缺失的負效應將徹底抵消鐵補給的正效應，導致生態系統從“生產力泵”轉變為“低營養平衡態”？

Q2：他們搞的KEI模型，是一個優秀的一維工具，成功捕捉了局部的垂直過程，但南極半島大陸架實際上是一個高度開放的動力系統。你覺得，在氣候變暖背景下，日益劇烈的上層環流繞極深層水（UCDW）橫向入侵，如何干預一維模型中所預測的垂直混合邏輯？換言之，海冰消融驅動的垂直分層增強，是否會被橫向涌入的溫暖、富鐵水體所打破？這種“垂直過程”與“橫向平流”的相互作用，如何界定了一維模型預測能力的物理邊界，又該如何定義這種空間尺度耦合中的不確定性呢？

Q3：極地海洋“生物泵”效率在物種演替中將如何演變？小型非硅藻類群與大型硅藻類群在碳沉降速率上存在顯著差異。如果南極半島海域的浮游植物群落結構發生長期轉型，這種微觀生物組成的變化，將如何改變碳輸出效率，進而影響到南極海洋作為全球“碳匯”的功能呢？

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資訊源 | Czajka, Catherine R., et al.(2026)

文 | 王海詩

排版 | 盧曉雨

時間 | 2026年4月

本文參考資料
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2025JG009428

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