北极生态系统海洋光照变化：气候变暖驱动光照增强加剧物种生存危机

《Nature Communications》：Climate change impacts on ocean light in Arctic ecosystems

本研究针对气候变化下北极海冰消融导致海洋光照剧增的生态后果尚未明晰的问题，通过整合CMIP6多模型与光谱辐射传输模型（RTM），量化了未来臭氧、云层、海冰、叶绿素a等多因子对北极海域光照吸收与反射的影响。结果显示，至2100年白令海北部、楚科奇海和巴伦支海可见光（PAR）将增加75–160%，夏季水温上升与浮游植物减少将抑制北极鳕鱼（Boreogadus saida）生长存活，而大西洋鳕（Gadus morhua）和明太鱼（Gadus chalcogrammus）等温水物种北扩受限。该研究首次系统揭示光照变化与温度协同驱动北极生态系统“寒带化”，为预测极地物种栖息地变迁提供关键理论依据。

　　

随着全球气候变暖的加剧，北极地区正经历着前所未有的环境剧变。海冰覆盖面积急剧缩减，使得原本被冰层遮蔽的海洋表层暴露在阳光下，导致北极海域的光照条件发生根本性改变。光照是海洋生命活动的核心驱动力，调控着浮游植物的光合作用、物种分布以及视觉捕食行为，然而在以往的气候变化生态影响评估中，光照因子的作用常被低估。北极海域作为对气候变化最敏感的区域之一，其生态系统的未来走向备受关注。尤其关键的是，光照增强是否会通过改变水温、浮游生物物候等环节，进一步影响北极特有物种（如北极鳕鱼）的生存，并促进温带物种的北迁？这一系列问题亟待系统解答。

为揭示北极光照变化的生态效应，由Trond Kristiansen领衔的国际研究团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。研究团队创新性地耦合了CMIP6（第六次国际耦合模式比较计划）多模型数据与光谱辐射传输模型（RTM），定量分析了臭氧、云层、海浪、海冰、雪层及叶绿素a等因子对北极海域光照反射与吸收的协同影响。研究聚焦于白令海北部、楚科奇海和巴伦支海两大高生产力海区，通过对比两种气候情景（SSP2-4.5和SSP5-8.5）下16组CMIP6模型组合的输出，预测了光合有效辐射（PAR，400–700 nm）和紫外辐射（UV-B，280–315 nm）的长期变化趋势，并结合实验室获得的鱼类生理响应函数，评估了光照与温度协同作用对三种典型经济鱼类（北极鳕鱼、明太鱼、大西洋鳕）卵孵化率、幼体生长及栖息地适宜性的影响。

研究的关键技术方法包括：基于CMIP6多模型集合（如MPI-ESM1-2-LR、CanESM5等）提取海冰浓度（siconc）、叶绿素a（chl）、臭氧柱总量（toz）等12类环境变量；利用光谱辐射传输模型（RTM）计算直接辐射（DNI）与散射辐射（DHI），并量化海表反照率及冰-雪-水柱的光谱衰减；通过权重集成法降低模型不确定性；结合实验室观测数据构建鱼类卵存活率与幼体生长速率的热响应曲线。

光合有效辐射（PAR）变化及其驱动因素

研究发现，海冰与雪盖的减少是北极光照增加的主因。至2100年，北极海域年均开放水域面积将从1980年的50–55%增至70–95%，导致PAR在两大海区增长75–160%（SSP2-4.5情景下增幅50–77%）。

云覆盖度保持稳定（82–87%），表明其非PAR变化的主要驱动因子。季节性分析显示，4–9月光照增幅显著，而冬季变化微弱。SSP5-8.5情景下，白令海北部与楚科奇海在2050年后出现PAR跃升，暗示海冰崩溃触发的临界点效应。

UV-B辐射变化

尽管臭氧层恢复使大气层顶UV-B入射量小幅下降（SSP5-8.5情景下-10%至0），但开放水域扩大导致水体表层UV-B透射率大幅增加70%。

这对表层浮游生物及鱼卵发育可能构成DNA损伤风险。

叶绿素a变化

CMIP6模型显示，叶绿素a年均值变化存在较大不确定性（白令海北部与楚科奇海-3.7%至+2.5%，巴伦支海+7.7%至+11.7%），但物候偏移显著：春季水华提前，夏季（7–9月）叶绿素a丰度下降10–50%，可能导致饵料供给与幼鱼需求脱节。

环境变化对浮游鱼类的生态影响

北极鳕鱼卵孵化适宜温度仅0.2°C，巴伦支海冬季水温上升1.2–2°C使其孵化率从85%降至63–73%。

幼体虽耐受-1–12°C，但夏季水温持续超标（>4.5°C）与饵料减少将抑制其能量储备。光照阈值（0.1 W/m²）分析表明，冬季-春季适宜视觉捕食的月份从2.5–3个月延至4.5–5个月，但夏季-秋季高温期延长2–3个月，导致北极鳕鱼在秋季能量需求增加时面临光照不足的捕食压力。

相反，明太鱼与大西洋鳕的卵孵化与幼体生长在变暖中受益，其栖息地向北扩张。

讨论与结论

本研究揭示光照变化通过“冰-海洋反照率反馈”加速北极放大效应，引发三重生态危机：北极鳕鱼卵孵化率下降、饵料物候错配加剧、栖息地丧失（预计2060年后巴伦支海与白令海北部适宜生境萎缩）。

与此同时，温水物种北迁进一步挤压北极鳕生态位，推动北极生态系统“寒带化”。该研究强调，光照作为长期被忽视的气候变化因子，其与温度的协同作用将深刻重塑极地海洋食物网结构，为制定北极生态保护政策提供科学依据。