海冰消失驱动北冰洋氮生物地球化学的体制转变

这对正在变化的北极为何重要

北冰洋正在迅速变暖，海冰的缩减常被视为气候变化的直观标志。但在水面之下，另一种不那么明显的变化正在进行：支撑北极海洋生物的基本营养物正在重新分配。本研究表明，北极已经越过一个临界点：氮——作为关键的植物营养物之一——在大部分区域已变得短缺。这样一种沉默的转变可能重塑在北极水域中繁盛的生物种类，以及海洋从大气中吸收碳的能力。

北极表层水的新图景

研究者利用穿越格陵兰与斯瓦尔巴之间的弗拉姆海峡的重复船舶调查数据，整理出一份持续20年的寒冷极地表层水的温度、盐度和营养盐记录。大约在2009年前后，他们观测到模式出现明显断裂：这些表层水的平均硝酸盐浓度从约3个单位下降到低于2，且近零值出现的频率显著增加。与此同时，不同营养盐之间的平衡也发生了变化。氮与磷的比值下降，而硅与氮的比值上升，表明在这些水域中，限制植物生长的主要因素已由光转向氮。

海床上的隐形工作

研究团队将这一转变追溯到西伯利亚外广阔、浅水的陆架，尤其是楚科奇海和东西伯利亚海。当微小的植物在表层水中生长并死亡时，它们的残骸沉降并被海床泥中的微生物分解。在低氧、有机物丰富的沉积物中，这些微生物使用硝酸盐代替氧气，并将其转化为氮气——这一过程被称为底栖反硝化，会永久性地从海洋中移除可用氮。通过把各陆架的植物生产估算与以往研究的反硝化测量联系起来，作者重建了自20世纪90年代末以来海床氮损失的变化。他们的计算表明，西伯利亚陆架的氮移除在二十年间大约翻了一番，其中增长最大的是随着海冰退缩而生产力激增的楚科奇陆架。

携带变化化学指纹的洋流

事情并未在陆架止步。表层洋流将这些被改造的水体横扫整个北极并最终流出弗拉姆海峡。为了追踪这段旅程，研究者使用计算模型将虚拟水团从弗拉姆海峡向后追踪十年。2009年之前，许多这样的水团大部分时间位于咸海（Kara Sea）陆架上，那里的氮损失较为温和。2009年后，沿陆架边缘的环流加速，流入弗拉姆海峡的更大一部分水体曾流经强烈反硝化的楚科奇和东西伯利亚陆架。因此，极地表层水的化学“指纹”发生了变化：更多到达北极中部和弗拉姆海峡的水在到达之前就已经被剥离了硝酸盐。

从光受限到营养受限的海域

在卫星时期的早期，北极植物生长的增加与海冰融化后形成的开阔水域面积密切相关，表明光是主要的限制因素。新的分析显示，这种关系在大约2009年后瓦解。在楚科奇海的流入陆架上，随着冰退和来自太平洋的水带来新鲜营养盐，生产力仍在上升。然而在下游，即东西伯利亚海、拉普捷夫海和咸海以及进入北极中部的区域，尽管开阔水域增多，植物生长却停滞甚至下降。这一模式与观测到的硝酸盐下降一致，表明一种新的体制已形成：固定氮的供应，而非阳光，现在成为限制大部分北冰洋生产力的上限。

这对北极生命意味着什么

综合观测与建模结果表明，北冰洋的营养循环已经跨过类似临界点的转变。少数关键陆架上的底栖反硝化现在移除的氮量可与来自太平洋的硝酸盐总输入相当，使北极内部长期处于氮匮乏状态。在这些低氮条件下，更能高效利用稀缺营养盐的小型浮游植物往往会取代富含硅的大型硅藻，食物网可能转向更多的内部循环而减少向深层的输出。这样的变化已在楚科奇海和弗拉姆海峡等区域被报告。尽管大气沉降或固氮微生物等其他氮源可能变得更重要，但它们不太可能抵消当前的损失。对于普通观察者来说，信息很明确：随着北极海冰消失，其海洋生态系统的无形基础正在悄然重构，对远北生命将产生长期影响。

引用: Santos-García, M., Ganeshram, R.S., Oziel, L. et al. Sea ice loss drives a regime shift in Arctic Ocean nitrogen biogeochemistry. Commun Earth Environ 7, 442 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03569-x

关键词: 北冰洋, 海冰消失, 氮循环, 底栖反硝化, 初级生产力