跨北极洋表层环境梯度的季节性逆转及新型浮游植物藻华风险评估框架

《Journal of Hydrology》：Seasonal reversals in surface environmental gradients and a novel phytoplankton bloom risk assessment framework in the trans-Arctic Ocean

　　

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  呈现了1271个测站的高分辨率数据集，记录了横跨北冰洋的晚夏至初秋季节转换过程。
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  解析了太平洋-北极地区前所未有的33倍溶解无机氮（DIN）增长现象，其驱动因素为增强的太平洋流入和混合过程。
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  揭示了西北极海域表层温度和盐度梯度显著的季节性反转特征。
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  开发了融合营养盐浓度与Redfield比值匹配的新型浮游植物水华风险评估框架。

引言

全球气候变化正以前所未有的速度改变着海洋生态系统，其中北冰洋的增温速率是全球平均水平的2.3至4.0倍（Rantanen等，2022；Shu等，2022；IPCC，2023），这一普遍现象被称为北极放大效应（Cohen等，2014；England等，2021）。海冰快速消退、河流径流增加、永久冻土融化、降水格局变化以及海洋环流模式的改变，深刻重塑了北极表层水文特征和生物地球化学循环（Doney等，2012；Wu等，2025；Cai等，2026；Crawford等，2026）。这些变化导致了营养盐可利用性的显著偏移、浮游植物群落结构的改变以及初级生产力的波动，并对北极海洋食物网产生了级联效应（Wassman等，2011；Lewis等，2020；Bindoff等，2022；Gou等，2025；Wang等，2025）。随着北冰洋持续快速增暖，理解环境属性的时空动态及其生态学后果已成为关键的科学优先事项（Rantanen等，2022；Shu等，2022）。然而，在广袤而偏远的北极盆地中对表层理化异质性进行高分辨率刻画的研究仍然稀缺，阻碍了对生物地球化学响应和生态系统脆弱性的稳健预测。这一知识空白凸显了整合观测方法的迫切需求——这些方法能够捕捉关键驱动因素（如营养盐化学计量学）的精细空间和时间变异性，从而在加速的气候变化背景下，更准确地评估浮游植物水华风险和更广泛的食物网影响（Treacy和Eslamian，2022）。

西北极海域受三大水团相互作用的控制：经白令海峡进入的营养盐丰富的太平洋入流水体（Jones等，1998；Woodgate和Peralta-Ferriz，2021；Clement-Kinney等，2022）、经弗拉姆海峡进入的大西洋来源水团（Oziel等，2020），以及由大型北极河流补给的低盐西西伯利亚沿岸水（Semiletov等，2020）。现有的观测研究大多聚焦于单一区域——要么关注太平洋-北极陆架（Grebmeier和Maslowski，2014；Wood等，2015；Zhuang等，2021），要么关注欧亚盆地（Duarte等，2021；Tuerena等，2022），而跨越完整陆架至盆地梯度的高分辨率跨盆地调查则十分有限。特别是，从晚夏到初秋的季节转换期——此时海冰消退停止、太阳辐射减弱、河流径流减少、太平洋入流达到季节峰值——尽管是营养盐积累和浮游植物水华发展的关键阶段，却严重缺乏采样（Woodgate等，2012；Hennon等，2022）。

浮游植物水华是北极海洋食物网的基础组成部分，支撑着高营养级并驱动碳向深海的输出（Ardyna等，2020；Ardyna和Arrigo，2020；Lewis等，2020）。尽管光照可利用性在历史上被认为是北极浮游植物生长的主要限制因素（Hill等，2018；Lewis等，2019），但越来越多的证据表明，随着海冰覆盖减少和生长季延长，营养盐限制正变得日益普遍（Haddon等，2024）。在海洋生态系统中，浮游植物通过光合作用固定无机碳，同时吸收溶解态无机营养盐，包括硝酸盐（NO₃^–）、亚硝酸盐（NO₂^–）、铵盐（NH₄⁺）、磷酸盐（PO₄^3-）和硅酸盐（SiO₃^2-），用于合成蛋白质、核酸、三磷酸腺苷（ATP）、磷脂以及硅藻的硅藻壳等必需细胞组分（Redfield，1958；Sterner和Elser，2002；Tremblay等，2012）。因此，这些无机营养盐（氮、磷和硅）的环境浓度直接决定了浮游植物生物量的上限（Elser和Hessen，2007）。特别是，营养盐化学计量比（N:P:Si比）已成为调控水华规模、物种组成和营养传递效率的关键因素（Glibert等，2018；Makareviciute-Fichtner等，2020）。然而，目前大多数针对北冰洋的浮游植物水华风险评估仅依赖绝对营养盐浓度，未整合与经典Redfield比值（N:P:Si = 16:1:15）的化学计量匹配（Redfield，1958；Brzezinski，1985；Kim等，2023），导致对水华高发区域的预测不一致且往往不准确。

本研究旨在通过提出以下假设来填补上述知识空白：北冰洋表层环境属性的时空异质性主要由水团混合和陆地河流输入驱动，而浮游植物水华风险更多地取决于营养盐化学计量与Redfield比值的匹配程度，而非绝对营养盐浓度。为检验该假设，本研究的范围包括：(1) 刻画北冰洋温度、盐度和营养盐（DIN、PO₄^3?、SiO₃^2?）的空间分布格局；(2) 量化这些参数的季节变化；(3) 识别营养盐分布的主要环境驱动因素；(4) 开发并验证一个新型浮游植物水华风险评估框架。本文提出了两项核心创新：(1) 观测创新——通过获取西北极陆架-盆地连续带最广泛的高分辨率表层环境数据集（跨越6个水文区域的1271个测站），填补了采样不足的晚夏至初秋转换期的关键观测空白；(2) 方法学创新——提出融合化学计量学的浮游植物水华风险评估框架，能够稳健地识别水华高发区域，并优于传统的仅依赖浓度的方法（图1，图2）。

本研究存在若干界定性局限，界定了其解释范围。首先，所提出的水华风险评估框架仅基于固定深度3米处采集的表层水化学测量数据，未同步进行现场浮游植物生物量定量或物种级分类组成分析。因此，所定义的风险区代表的是基于营养盐的水华潜力，而非经实证确认的水华事件。其次，仅进行表层采样的设计未能捕捉分层北极陆架环境中广泛存在的营养盐垂向异质性或次表层叶绿素最大值。在未来的研究中，将结合物种特异性浮游植物对观测到的化学计量梯度的响应，以及理化变量和生物变量的全深度垂向剖面数据，以进一步验证和完善该评估框架。尽管存在这些局限，本研究的发现将推进对北极生物地球化学动力学的理解，并为应对气候变化下的基于生态系统的管理提供科学依据。

章节摘要

野外采样与测量

2025年8月8日至10月3日，在"?索三号"（Tansuo San Hao）破冰船上，横跨北冰洋开展了两个纬向跨盆地断面（出港和回港）调查。该采样窗口覆盖了晚夏至初秋的季节转换期，这是一个关键但采样不足的阶段，其特征为海冰退缩、太阳辐射减弱、河流排放格局变化以及太平洋-北极入流强度的演变。该时段并非定义为区域干旱期——陆地

北极海域理化特征动态

环境参数在北极海域呈现出显著的地纬度梯度（图3，图4；表S1-S2）。在出港航次（晚夏）期间，太平洋-北极地区（PAR）记录到最高的平均海表温度（6.3 ± 2.1℃），其次为东西伯利亚海（ESS，3.7 ± 1.3℃）、楚科奇陆架（CSS，1.9 ± 1.3℃）、陆架-盆地过渡区（SBR，1.2 ± 1.1℃）、楚科奇高原（CP，0.9 ± 0.2℃）和欧亚盆地（EB，?0.4 ± 0.4℃），与预期的

讨论

本研究提供了迄今为止最全面的西北极陆架-盆地连续带表层水文属性和营养盐化学计量学的跨盆地调查，涵盖了晚夏至初秋转换期的全部6个水文区域（图1）。观测到的理化梯度季节反转现象以及太平洋-北极地区前所未有的33倍DIN激增（图3，图4，图5）与以往区域性的

结论

本研究提供了两项不同的科学贡献。首先，首次对西北极陆架-盆地连续带晚夏至初秋的营养盐化学计量学进行了高分辨率跨盆地刻画，记录并从机制上解释了表层理化梯度的季节反转现象。这些发现填补了关键的观测空白，深化了对北极生物地球化学季节性的理解。其次，所开发的融合化学计量学的

合规与伦理

通讯作者声明，所有作者均不存在任何利益冲突。

CRediT作者贡献声明

王超峰：文稿撰写——审稿与编辑、监督指导、项目管理、经费获取、数据整理、概念构思。李博：文稿撰写——初稿撰写、形式化分析、数据整理。杜恒昌：文稿撰写——初稿撰写。付龙文：文稿撰写——审稿与编辑、项目管理、调查研究、概念构思。黄思娴：文稿撰写——初稿撰写。张宇航：形式化分析。常新源：文稿撰写——初稿撰写。周娟灵：调查研究。王晓雨：

未引用参考文献

Paruggia，2006；Semiletov等，2000。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（批准号：42206258和42276248）、国家重点研发计划（批准号：2024YFC2813200、2023YFC2808500和2023YFC2808600）以及山东省自然科学基金（批准号：ZR2022QD022）的资助。我们同样感谢TS3-5航次以及"?索三号"（Tansuo San Hao）船长和全体船员提供的支持。最后，我们衷心感谢建设性和富有洞察力的

王超峰 | 李博 | 杜恒昌 | 付龙文 | 黄思娴 | 张宇航 | 常新源 | 周娟灵 | 王晓雨