浮游生物与气候
概述：浮游生物的全球重要性
与陆地被大量不可动的植物占据不同，海洋的主体原理海底并充满着只有在显微镜下才可见的漂流初级生产者。这些生物被称为浮游植物，他们被同样渺小的浮游动物所捕食。“浮游生物”一词来时古希腊语，意为“漂流”。虽然许多浮游植物（借助于纤毛的援助）和浮游动物都可以游动，但它们都抵制不了洋流对它们的影响。虽然很多浮游生物都是只能在显微镜下可见，但有些也能生物（如水母）的直径也能达到两米，体重达200公斤。浮游生物落高度多样化，几乎包含所有的门目。
环境变化
与陆地植物相似的是，浮游植物在阳光照射下进行光合作用，吸收CO2并释放O2。这就意为着浮游植物为了生存必须生活在可以被太阳照射到得海洋上层并且获得充足的氮、磷等营养物质。每天，浮游植物几乎进行着地球上近一半的光合作用，以CO2的形式吸收了1亿多吨的碳，并释放5000多万吨的氧气。
浮游植物的光合作用几乎直接或间接的维持了整个海洋生物的生命。浮游植物是鱼苗、一些小
的表层寄居鱼类（如沙丁鱼）、近海岸滤食性动物（如蚌类、牡蛎等）的主要食物来源。但是，能量向高营养水平传递的主要通道是通过浮游动物（海洋中主要的掠食者）。一个浮游动物体，如桡足类，它们几乎是世界上最庞大的多细胞动物，其数量可能超过昆虫数量3个数量级。浮游生物养活了食物网中众多生物：鱼类，海鸟，企鹅，海洋哺乳动物以及海龟。浮游动物的尸体和粪粒慢慢的沉入冰冷阴暗的海底，养活了海底寄居的海绵，海葵，螃蟹和鱼类。
浮游植物影响着人类的健康。当一些物种大规模繁殖并产生毒素后，它们对自然生态系统和人类来说就会变成一个问题。这些大规模的繁殖被称为赤潮。在赤潮泛滥期间，浮游动物中的许多物种以及以浮游植物为食的贝类就有把这些毒素吸入体内。吃掉这些有毒的浮游动物和贝类的鱼类、海鸥和鲸鱼将会对它们的生存产生威胁。这些毒素也会对人类造成头晕、腹泻或者麻痹性贝类中毒，导致水产养殖甚至野生渔场的被迫关闭。
虽然浮游生物体积一般较小，但是通过对碳循环的作用，它们在气候变化的速度和程度上发挥着重要的作用。海洋之所以具有CO2存储器的能力，很大程度上是因为浮游生物的“生物泵”作用。浮游植物通过光合作用的吸收减少了海洋表面CO2的浓度，因此大气层中会有更多
的CO2溶入表层海水。这个过程持续不断的将CO2注入海洋，人类活动产生近一半的CO2都通过这个过程分布在了海洋中。浮游生物在生物泵中起到更大的作用是因为当浮游植物没有被吃掉或者被浮游动物吃掉后产生粪粒时，浮游植物吸收的CO2就沉入海底。这样碳元素就被锁定在这些沉淀物中。
浮游植物帮助塑造气候同样可以通过增加太阳光线的反射量。一些浮游植物能产生二甲基锍丙酸，它是二硫化物的初期形式。这些二硫化物从海洋中蒸发，与大气中的硫发生氧化作用，然后产生云凝结核。这导致更多的太阳光线被反射入太空，使气温降低。
如有没有浮游生物所起的这些作用，我们的海洋将变的荒凉，被污染，几乎没有生命存在，而且地球将对人类活动产生的大量CO2失去很大弹性。
气候变化的指示灯
由于很多原因，使浮游生物成为气候变化理想的指示灯。首先，浮游生物是变温生物，所以它们的一些生理过程，如营养吸收、光合作用，呼吸作用，生殖生长都对温度很敏感。如果气温上升10度，它们的速度会上升为原来的2倍甚至3倍。所以，全球变暖在一定程度上影响
了浮游生物的生活节奏。第二，表层水变暖使它的密度降低，使水体更加稳定。这是水体的分层性更加稳定，所以要把深层营养丰富的海水混合到表层海水中需要更多的能量。正是这些营养物质使太阳照射的海洋表层的生物生产活动活跃起来。因此全球变暖很可能增加海洋的稳定性，并且在热带海洋的大面积水域减少了其养分含量和初级生产力。在陆生系统中，温度与养分含量间没有那么直接的关系。第三，很多浮游生物物种的生命都很短，所以，环境变化与浮游生物动力之间有着紧密的耦合。虽然陆生植物有着长达若干年的寿命，但浮游生物一般只能生活几天或者几星期。所以，当气候发生变化，陆生植物需要很长时间才能反映出这种变化，而浮游生物能够迅速的做出反映。第四，浮游生物整合海洋气候，海洋和大气的物理条件来驱动浮游生物的生产率。气候和浮游生物的数量及生命长短有着直接的联系。第五，浮游生物可以表现出在分布上的剧烈变化，因为它们是可以自由漂移的，而且它们的整个生命过程可能都在不断的漂移中。所以，它们能快速的通过扩张或缩小它们的分布范围来应对温度和洋流的变化。而且，因为浮游生物的分布是由洋流决定，所以，它们的散布较少依赖于其他的生物而更多的是由于物理过程。相反，陆生植物扎根于它们所在的土地，并且它们的分布经常受约束于传粉者地分布。第六，与其他的海洋生物和介于高潮线和低潮线之间的有机生物不同，很少浮游生物被用来商业交易，所以它们长期的变化更容易被
归因于气候的变化。最后，几乎所有的海洋生物都有着一个浮游阶段，因为洋流为它们的广泛散布提供了理想的机制。证据表明，对于气候变化，这些处于浮游阶段（被称为季节性浮游）的生物比终生浮游生物更敏感。
浮游生物的所有这些属性使它们成为气候变化的理想指示灯。气候变化通过海洋酸化、气候指标的调节对浮游生物产生影响，这种影响表现在单个物种或落的分布，重要生命周期事件的时间，落的丰度和结构。由于这种敏感性和它们的全球重要性，气候对浮游生物的影响在它们生存的整个生态系统都能感觉的到。
分布的变化
在所有的海洋和陆地落中，浮游生物表现出了对全球变暖的一些最迅速且范围最大的变化。在陆地上，动植物对气温变暖的一个普遍倾向是向两极生长。最明显的例子可能是在北大西洋。在过去50年里，很多暖温带生物已经向极低移动了1000公里的距离。同时，亚北极的物种已经撤回到更高纬度。虽然这些易位与这些区域的温度上升了1℃有关，它们也有可能与欧洲大陆架边缘的强暖流有关。这些变化已经对北海的食物网造成了巨大的影响。这个冷水团中有着大量的生物量并被一些大物种占据着。因为这个冷水团在向北移动的过程中相
对较温暖，它的主要物种被中华哲替代。移到靠北位置的水团具有很少的生物量，且物种数不多。除非一些受过专业训练的眼睛，一般来说，这些中华哲是不容易区分的。这对鳕鱼来说很关键，一种北海的最重要的鱼类，因为鳕鱼在春天产卵。因为鳕鱼卵孵化成幼鱼后需要进一步的生长，因此需要良好的食物条件，其中就包括这些大型的桡足类浮游生物。如果没有充足的桡足类生物，这些幼鱼的死亡率就会很高，产量也就会很低。在最近几个较温暖的年份里，这个桡足类浮游生物很罕见，鳕鱼的捕获几乎到了崩溃的边缘。
物候上的变化
物候，或者说是像迁移和开花一样的重复季节性活动的时令，对全球变暖是十分敏感的。在陆地上，很多春天的时间发生的较早。如英国燕子的归来，美国蝴蝶的出现，或者日本樱花的开放等。最近证据表明，浮游生物的生物气候学变化要比陆地上的生物剧烈很多。在北海，底栖棘皮动物的幼虫出现的时间要比50年前早6个星期，而这仅仅是气温上升不到1℃时的反应。在棘皮动物中，温度能刺激它们生理的生长和幼虫的繁殖。其他季节性浮游生物，如鱼类，蔓脚类动物，十足类动物的幼虫也对气温变暖有着类似的反应。
浮游生物数量高峰期的时候，海水中的营养物质也会比较高。在北海，每年浮游生物大量繁
殖的时间比50年前提前了：浮游植物提前了约23天，桡足类动物提前了10天左右。浮游植物和浮游动物繁殖提前的幅度不同有可能导致连续的营养水平与初次生产和二次生产的异步之间产生不匹配。在温带海洋系统中，海洋初次和二次生产充分向高营养水平（如被商业鱼类获取的那些）转换在很大程度上依赖于连续生产高峰的暂时同步。这种扰乱了草食动物和植物间的暂时同步性的异步性，在其他的生物系统中也同样出现，尤其是在淡水浮游动物和硅藻，大山雀和毛毛虫，蜘蛛和毛毛虫，松白条尺蠖蛾和栎树萌芽等。
剧烈的生态系统反响在气候变化驱动的生态气候中也同样出现在北太平洋。这里有一种桡足类动物，Neocalanus plumcbrus，占据的浮游动物数量的大部分。它的垂直分布和发展既具有明显的季节性也会导致晚春期间浮游动物生物量地年度峰期。在过去50年中，年度峰值出现的时间已经发生了巨大的改变，最大生物量出现的时间温暖年份要比寒冷年份早60天左右。这个时间上的改变是温暖年份早期浮游生物更快的生长和强化的生存能力作用的结果。浮游动物量地峰值期间引起了海鸟幼仔的迅猛生长。在英国哥伦比亚海域，是这类海鸟的最大殖民地，它们对Neocalanus有着很大的捕食需求。在寒冷年份，在食物和哺育期有着良好的同步性。然而，在温暖年份，春天来的更早，海鸟的哺育期和Neocalanus的供给期间的重合时间很短，这就导致了食物和捕食者数量之间的不匹配。这也使温暖年份和寒冷年份小海
雀的生殖表现趋于一致。如果小海雀不能够适应这种食物条件的变化，那么全球变暖将会对它的生存造成很大的压力。
数量上的变化
长期变暖对浮游生物在数量上的变化最显著的例子是加利福尼亚洋流中的有孔虫。这种浮游生物落对长期气候变化具有很高的研究价值，因为相对于高营养水平生物的捕食来说，它对水文条件的反应更加敏感。因此，它的时间动态性能相对简单的与气候变化联系在一起。有孔虫也被很好的保存在了沉淀物中，一个连续的观察时间系列可以被拓展至数百年前。加利福尼亚洋流的记录显示热带和亚热带物种数据有着明显的增加，这也反应了气候变暖的趋势，在20实际60年代以后这种变化更加剧烈。有孔虫记录的变化不仅表现了过去几十年间加利福尼亚洋流中热带和亚热带物种数的增加，也表现了暖温带藻类、浮游动物、鱼类和海鸟的减少。
相对于分布和生物气候学上的变化，浮游生物在分层数量上的变化似乎更难归因于气候变化，但是会产生更大的生态系统影响。北大西洋的一个例子表明了气候变化对浮游生物分层及数量变化上的作用。在这个地区，当冷区变暖后，浮游植物的数量会增加很多，可能是因
为高温提高了新陈代谢的速度以及加强了分层的表象。但是当暖区变的更暖时，这种变化变的不是那么明显，可能是因为暖水阻止了深水区丰富的营养物质上涌。该地区浮游植物对气候变化作出的反应影响了该区的食物网。当浮游植物生长繁盛的时候，草食性和肉食性浮游动物的数量都会增加。这种区域性的变化意味着将来鱼类的数目也会发生变化，因为浮游生物了数量变化能够影响该区鱼类数量的承载力。气候变化也就因此影响了该地区渔业的发展。
虽然证据不是很确凿，但一些证据已表明赤潮发生的频率正在增加。主要的嫌疑是水体的富营养化，尤其是由于人类活动导致氮磷的高度集中。但是最近从20世纪后50年北海的证据中表明全球变暖也起到了很大的作用。除了南挪威的海域，北海的大部分海水都没有发现赤潮发生频率的增长，而南挪威的海水中出现了浮游生物的大繁殖。导致层理明显的一个首要原因是高温和融水的低盐度引起的。在南北海，前45年引发赤潮两个物种的大量繁殖都是因为海水变暖的缘故。这项工作是为了支持这么一个观点，就是在气候变化的情景下，更高的温度和更多的融水径流将会增加赤潮发生的频率。
因为很多研究都集中在了北半球，所以大多数证明气候变化能引起浮游生物数量上变化的证
据都在北半球，但是，在南极洲附近的水域也有一个很有力的例子。在过去的30年间，由于增高的海水温度和气温的影响，在南海中磷虾的生物量存在一个底线。在很多海域，磷虾已经被小的凝胶状滤食性动物取代，像樽海鞘等，它们占据了南海中生产力较低，较温暖的海域。磷虾的减少是增高的海洋温度对海冰影响的结果。这一方面是由于海冰能保护磷虾防止其被捕食，另一方面是由于生活在海冰底部的藻类是磷虾的重要时候来源。由于海水变暖，自1970年以来，冬季海冰的面积和持续时间都会减少，这就导致了磷虾的大幅度减少。由于磷虾是须鲸、企鹅、海鸟、鱼类和海豹的重要食物来源，所以它们的减少对南海食物链有着严峻的影响。