寡营养海域对浮游植物有什么影响？25年卫星观测新见解

亚热带环流区分布在赤道和亚热带高压带之间的广阔海域，主要由地球自转、风应力和大陆分布等因素共同塑造形成，在这些环流区，信风和西风导致表层海水在埃克曼输送作用下汇聚，形成永久性的分层，深度可达1公里。这种强烈的水层阻碍了深层营养盐向表层的输送，导致这些水域极端贫营养，生物生产力低下。近日，一项新的研究，通过分析1998-2022年共计25年的卫星海洋颜色和海表温度数据，对全球五大亚热带环流区的浮游植物生物量和生理适应性进行了全面评估，结果到底是什么样的呢？

随着海洋变暖，亚热带环流区正在扩张，同时表层水体的叶绿素浓度不断降低，引发了对这些寡营养区浮游植物动态的担忧，为了全面了解亚热带环流区浮游植物的长期变化，研究团队整合了1998-2022年多项卫星观测数据，包括海洋颜色、海表温度、混合层深度等数据，并计算了浮游植物碳生物量，并通过叶绿素与碳生物量的比值θ，以区分叶绿素变化究竟反映了生物量的真实变化，还是浮游植物生理适应的结果。

研究将环流区划分为三个营养级亚区，其中寡营养区的Chl≤0.1 mg/m³，超寡营养区Chl≤0.07 mg/m³和高寡营养核心区Chl≤0.04 mg/m³，以叶绿素a浓度不超过0.1 mg/m³的寡营养标准阈值计算，亚热带环流区约占全球海洋表面积的26%，这种精细划分有助于更准确地理解不同营养水平水域的变化规律。

25年的数据表明，所有环流区的高寡营养核心区都在扩张，同时伴随着海表温度的升高，平均增幅1.54%。北太平洋环流区的高寡营养核心区扩张速度惊人，达到每年约44.51%，受影响最严重。在北大西洋环流区，高寡营养区面积显著增加，每年3.83%，叶绿素明显下降；南大西洋环流变化相对较小，高寡营养区面积略有增加，每年0.63%；南太平洋环流寡营养区和超寡营养区面积轻微减少，高寡营养核心区也呈现增加趋势，每年0.23%；印度洋环流高寡营养区面积显著增加，每年增加4.65%。

研究还发现这些环流区都呈现出明显的季节变化，如北半球环流在夏季寡营养扩张，冬季则相反，南半球环流则呈现与北半球换牛相反的季节变化。

图：1998年至2022年25年间，五个亚热带环流中不同叶绿素阈值区域的年平均分布🔽

黄点表示叶绿素最小值的位置，该位置是使用原始空间分辨率（0.04°）的叶绿素数据集在每个环流的超贫营养核心内确定的。环形图表示以不同叶绿素阈值为特征的子区域对每个环流总面积的贡献，每个环流的叶绿素浓度不超过0.1毫克/立方米。

通过分析叶绿素与碳生物量的变化情况，研究一个关键的发现就是，在所有环流区最寡营养的核心区，虽然都观察到叶绿素下降，但浮游植物的碳生物量却保持相对稳定，也就是说，叶绿素的减少主要反映的是浮游植物对持续变暖的生理适应，而非生物量的实际下降，这种生理适应在北大西洋环流区尤为明显，那里观察到叶绿素显著下降，但碳生物量呈现轻微增加。

为什么会出现叶绿素下降而生物量却能保持稳定？这可能与浮游植物的光适应性有关，浮游植物能够根据环境条件如营养盐、温度和光照来调节体内的叶绿素含量，在营养盐缺乏、光照充足的环境下，浮游植物会减少叶绿素的合成，提高光合作用效率。

研究显示，所有环流区的高寡营养核心区都显示出θ值下降趋势，表明浮游植物正在生理上适应变化的环境条件，θ值在北大西洋和印度洋环流区下降最为显著，分别达到0.7%和0.25%/年，显示出明显的生理适应现象。这种适应机制也解释了为什么在表层水温显著上升的情况下，浮游植物生物量仍能保持稳定。

此外，在海表温度在贫营养区普遍上升，但是混合层深度和光合有效辐射变化不显著，叶绿素与海表温度、混合层深度和光合有效辐射之间的相关性较弱。而浮游植物碳生物量与海表温度和光合有效辐射的相关性高于与混合层深度的相关性，也就是说混合层深度并非这些系统中浮游植物生物量的主要驱动因素。

这样研究颠覆了长期以来的认知，叶绿素不是生物量的可靠指标，至少在寡营养海域，其变化更多反映生理适应而非种群动态。虽然寡营养区扩大，但叶绿素降低而浮游植物生物量保持稳定，区域的碳汇功能未必减弱，可能需要重新评估。

❓思考题：亚热带环流区的叶绿素浓度下降，但浮游植物的碳生物量保持稳定，这说明什么问题？

A.浮游植物正在死亡
B.浮游植物减少了光合作用
C.浮游植物通过生理适应减少叶绿素，但生物量不变
D.卫星数据有误，实际生物量在下降

参考文献：Volta, Chiara, et al. “Phytoplankton dynamics in subtropical gyres: New insights into biomass and physiology from 25 Years of satellite observations.” Geophysical Research Letters 52.12 (2025): e2024GL111817.https://doi.org/10.1029/2024GL111817