海冰消失如何光合作用光谱？对极地浮游植物有什么影响？

在全球变暖的背景下，北极和南极的海冰正以惊人的速度减少，然而海冰的消退不仅影响海平面上升、反照率等，还会彻底改变阳光进入海洋的方式，进而影响区域的浮游植物，但是这种影响具体是什么样的呢？最近，Nature上一项新的研究，首次系统揭示了海冰消失如何重塑水下光照环境，并影响极地浮游植物群落。

海冰消失如何影响光谱和浮游植物？

海冰和海水对光的处理方式截然不同，海冰根据积雪或融池情况，能反射20%-90%的阳光，而开放水域海水仅反射约5%-10%。此外，海冰中的气泡和盐囊会强烈散射光线，这种散射几乎对所有波长均一，相比之下，海水的散射更偏向短波长的蓝光。

液态水水分子H₂O化学键会以特定频率振动，产生振动谐波，吸收光谱在可见光区有多个小峰，对应不同谐波。514nm的绿光对应H₂O的6次谐波，将蓝光（449–514 nm）和绿光（514–605 nm）生态位分开。605 nm的橙光对应H₂O5次谐波，分隔绿光和橙光生态位。因为冰的晶体结构抑制了分子振动，这些液态水中的吸收峰在海冰中几乎消失。

因此，海冰下的光环境更接近阳光的原始光谱，而开放水域的光谱则相当于被“切割”成几个狭窄的波段。

那么，海冰融化如何影响光谱呢？为了研究这个问题，研究团队使用Hydrolight-Ecolight 6.0模型，模拟了不同场景下的水下光谱，对比了北极、波罗的海和南极的实测光谱进行验证，然后古亭太阳入射光，仅改变冰层厚度有色溶解有机物的浓度。

研究发现，海冰覆盖下水体光谱更宽，海冰融化后开放水域光谱则窄化，光谱半高宽从海冰的280nm降至140nm。在寡营养海域，25%光层下冰覆盖光谱覆盖400–600 nm，而开放水域仅420–500 nm。

同时，海冰消失导致光谱蓝移，这种变化在寡营养海域尤为明显，平均波长从550 nm降至472 nm，偏移78nm；而高营养海域偏移较小，从605 nm降至582 nm。

而冰藻和冰下浮游植物如硅藻、定鞭藻等的色素组合适合广谱光，含叶绿素a/c和岩藻黄素，吸收400–550 nm；而液态水的吸收峰划分出离散的光谱生态位，会选择特定色素的浮游植物，如绿藻纲和隐藻。

海冰减少将促使浮游植物群落从广谱色素类群如硅藻转向窄谱适应类群如绿藻纲。目前，这种变化在加拿大海盆已观测到硅藻减少和绿藻纲增加。

图：海冰和海水的吸收和散射特性不同🔽

a海冰（灰线）和海水（蓝线）的光散射光谱。海冰的散射系数（b ice ）随气泡和盐水夹杂物的数量而变化。这里我们显示了b ice  = 20 m −1的值，代表北极海冰的内层。b纯冰（实灰线）和纯液态水（实蓝线）的光吸收光谱。垂直虚线表示液态水（蓝色）和冰（灰色）的 H2O 分子振动模式的谐波。c 、 d本文比较了两种情况：冰盖下与开阔水域的辐照度光谱；请注意，冰盖区域的反照率高得多，散射比开阔水域更强。我们假设冰盖由三层组成：SSL 表面散射层、DL 排水层、IL 内部层。

❓思考题：海冰消失会导致水下光照发生什么变化？

A.光照强度变弱，颜色变红
B.光照强度不变，但光谱变宽
C.光照强度增强，光谱向蓝光偏移
D.光照完全消失，深海变黑

参考文献：Monika Soja-Woźniak, Tadzio Holtrop, Sander Woutersen, Hendrik Jan van der Woerd, Lars Chresten Lund-Hansen & Jef Huisman ，Loss of sea ice alters light spectra for aquatic photosynthesis. Nature Communications volume 16, Article number: 4059 (2025) ，doi.s41467-025-59386-x