１北冰洋環(huán)境的快速變化

北冰洋有著地球上最為獨特的海洋生境：極晝和極夜更替、寬闊陸架環(huán)繞的深海盆、海冰的長消循環(huán)變化、以及中心海域常年海冰覆蓋等。數(shù)十年來、尤其是最近５年，隨著全球變暖的加劇，北冰洋的環(huán)境正在發(fā)生著快速變化。

北極正在升溫，１９８０年以來北極的年平均升溫要比地球的其他地區(qū)高出１倍，而２００５年以來北極表面氣溫比１８８０年有歷史記錄以來的任何時候都高［１］。北極最大的地表氣溫升溫出現(xiàn)在秋季、夏末海冰消失的海域，表明這些海域在夏季吸收了比以往更多的熱量。多余的能量在秋季以熱量的形式散發(fā)，進(jìn)一步促進(jìn)了北極低層大氣的升溫。目前對海冰與氣候間的反饋強度還無法很好地定量，導(dǎo)致對北極海冰和環(huán)境變化的幅度和速率預(yù)測存在極大的不確定性。

北極夏季海冰覆蓋面積以每１０年９．３％的速率遞減（圖１）。２０１１年９月９日海冰面積達(dá)到了年度最小值（４．３３×１０６　ｋｍ２），為有歷史記錄以來的次低值，僅比２００７年歷史最低值多了０．１６×１０６　ｋｍ２，比１９７９—２０００年平均值低了３１％（２．０８×１０６　ｋｍ２）。過去的５個夏季（２００７—２０１１）北冰洋經(jīng)歷了由衛(wèi)星記錄數(shù)據(jù)以來的５個最低值（圖１），顯示該海域夏季融冰加速，其中最大的變化在于北冰洋海冰向中心海盆退縮，而加拿大北極群島間的海冰則逐漸消失。２００９—２０１１年夏季海冰主要分布在北冰洋中心區(qū)、格陵蘭島東側(cè)和加拿大北極群島的北部邊緣，并且阿拉斯加和西伯利亞北部的弧狀冰緣的海冰覆蓋不再致密。２０１０年夏季中國第４次北極考察觀測的結(jié)果顯示，北冰洋中心海域（８０°Ｎ以北）海冰的覆蓋率僅為７成［２］，即使是在北極點附近仍可見大片的無冰海域（圖２，見彩插一），這與以往夏季冰緣和海冰蓋內(nèi)部都是致密的冰結(jié)構(gòu)形成鮮明反差。海冰的實際變化速率遠(yuǎn)高于２００７年政府間氣候變化委員會（ＩＰＣＣ）的模型預(yù)測，北冰洋在未來的３０～４０年內(nèi)、甚至在２０３５年左右就將出現(xiàn)夏季無冰的狀態(tài)［１，３］。

在海冰面積減少的同時，海冰的厚度也在減薄，２０１０年中國第４次北極考察期間測得的北冰洋中心區(qū)（８５°Ｎ以北）海冰厚度僅為１．４～１．６　ｍ［２］。多年冰（ｍｕｌｔｉ－ｙｅａｒ　ｉｃｅ）在近些年損失明顯，并且海冰越厚消失的速率越快。最近十年間多年冰的消失速率為此前３０年的３倍［４］，而始于２００５年的４年以上老冰的損失仍在繼續(xù)，并在２０１１年夏季達(dá)到最小值，約為１９８２—２００５平均值的１９％［５］。

近年來北極海冰最小覆蓋面積的顯著減小和陸地淡水輸入的增加導(dǎo)致了北極溫鹽躍層的明顯變化，夏季鹽躍層得到進(jìn)一步加強，而海冰的減少也增加北冰洋對太陽光能量的吸收。北冰洋最為明顯的增溫出現(xiàn)在２００７年夏季，從２００８年至今夏季升溫并沒有明顯的年際變化。相比２０世紀(jì)７０年代，近年歐亞海盆區(qū)鹽度上升而加拿大海盆鹽度下降，波弗特渦（Ｂｅａｕｆｏｒｔ　Ｇｙｒｅ）海域則出現(xiàn)了最大的淡水異常。２００８年３～４月份對加拿大海盆和馬卡若夫海盆的觀測顯示，淡水總量增加了８　５００　ｋｍ３，導(dǎo)致海表動力學(xué)形態(tài)以及波弗特渦表面地轉(zhuǎn)流和淡水輸運的重大變化［６］。

與此同時，受大氣中ＣＯ２濃度增加和海冰融化的影響，在北冰洋中心區(qū)次表層［７］、楚科奇海陸架區(qū)［８］和加拿大北極群島外流北極水［９］中都發(fā)現(xiàn)了海洋酸化現(xiàn)象。無冰海域面積的增加提高了海洋對大氣中ＣＯ２的吸收，而上層海洋的淡化降低了堿度、無機碳和鈣離子的濃度。楚科奇海夏季浮游植物高產(chǎn)量驅(qū)動有機碳的向下輸送，沉降至海底的有機物分解ＣＯ２將增加海水次表層的ＣＯ２分壓，并導(dǎo)致海水ｐＨ值下降，這種季節(jié)性的生物影響進(jìn)一步放大了海洋因吸收人類排放的ＣＯ２造成海洋酸化的影響［８］。

２北冰洋生態(tài)系統(tǒng)特征

圖３（見彩插一）為北冰洋生態(tài)系統(tǒng)示意圖。北冰洋主要由生長在冰底的冰藻和水體中的浮游植物通過光合作用吸收ＣＯ２和提供生態(tài)系統(tǒng)的初級產(chǎn)量，為浮游動物提供食物來源。春季冰緣浮游植物水華（ｐｈｙｔｏｐｌａｎｋ－ｔｏｎ　ｂｌｏｏｍ）是北冰洋初級生產(chǎn)的主要貢獻(xiàn)者。浮游動物作為食物被魚類攝食，而魚類為海豹等高營養(yǎng)級動物提供食物來源。北極鱈是北冰洋食物網(wǎng)的一個關(guān)鍵物種，這一豐富的魚類是浮游生物和大型動物間的主要紐帶。北極陸架區(qū)存在一個豐富的底棲生物區(qū)系（圖４，見彩插一），而最近包含大量全球底棲生物量分布的評估也證實了原有的結(jié)論，即北極陸架海域的生物量要高于低緯海域。冰藻、浮游植物和其他生物碎屑沉降至海底，為底棲動物提供食物來源。

北冰洋生態(tài)系統(tǒng)與中、低緯度海洋生態(tài)系統(tǒng)最顯著的差異在于：北冰洋因海冰的常年存在，支撐了一個與冰密切相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)。北冰洋全年有冰的歷史延續(xù)了至少８０萬年，造就了一個適應(yīng)冰區(qū)環(huán)境的生態(tài)系統(tǒng)，例如：冰藻能在低溫的冰內(nèi)生存并在浮游植物很低的季節(jié)為浮游動物提供寶貴的食物來源，有的浮游植物種類能在極夜完全無光的冰下水體環(huán)境通過混合營養(yǎng)（吸收水體中的溶解有機碳而不是傳統(tǒng)意義上的通過光合作用吸收ＣＯ２）的方式而生存；北極鱈的血液中存在抗凍蛋白，防止低溫下血液的凝結(jié)和確保在冰區(qū)運動自如；北極熊、海象、環(huán)紋海豹和北極露脊鯨等北極標(biāo)志性海洋哺乳動物依托海冰平臺產(chǎn)崽、休息和遷移；北極熊毛色與冰雪環(huán)境一致，確保能在冰雪環(huán)境中隱蔽自己，而黑色的皮膚則能盡可能多地吸收陽光的熱量；獨角鯨、白鯨和北極露脊鯨能在冰下活動，并能在廣袤的海冰蓋中尋找到冰裂隙進(jìn)行呼吸；環(huán)紋海豹和髯海豹通過在海冰打呼吸孔呼吸并上冰休息；海象在海底捕食的間隙依托浮冰進(jìn)行休息。

值得一提的是，由于海冰的覆蓋導(dǎo)致海洋藻類無法獲取足夠的陽光進(jìn)行光合作用，北冰洋中心區(qū)被認(rèn)為是地球上產(chǎn)量最低的海域，初級產(chǎn)量僅為１４　ｇ／（ｃｍ２•ａ）。在海冰覆蓋期間，冰藻產(chǎn)量起著重要的貢獻(xiàn)，可為大洋和底棲生物區(qū)系提供重要的食物來源，同時冰藻在春季的釋放可以成為浮游植物水華的種子［１０］。冰藻產(chǎn)量對總產(chǎn)量的貢獻(xiàn)在陸架海域最低（１０％），而在北冰洋中心區(qū)可超過５０％［１１］。