南极的地质学家——企鹅

摘要：在这地球的“尽头”，矗立着人类自然探索历程上的一座丰碑：麦克默多站，位于南极点的南极科考站。麦克默多站的科学家们观察到，每年4月25日左右，阿德利企鹅（Pygoscelis adeliae）会从南向北迁徙，以适应即将到来的冬季（南半球的冬季为6-8月）海冰扩张

南极的地质学家

企鹅

在这地球的“尽头”，矗立着人类自然探索历程上的一座丰碑：麦克默多站，位于南极点的南极科考站。麦克默多站的科学家们观察到，每年4月25日左右，阿德利企鹅（Pygoscelis adeliae）会从南向北迁徙，以适应即将到来的冬季（南半球的冬季为6-8月）海冰扩张带来的食物短缺问题。为记录这一自然现象，4月25日被确立为世界企鹅日。

图1 世界企鹅日

图2 秘鲁企鹅

企鹅属于企鹅目（Sphenisciformes）企鹅科（Spheniscidae），是一类不会飞的鸟类。它们主要分布在南半球。不同于人们的刻板印象，并非所有企鹅都生活在南极。实际上，环企鹅属的秘鲁企鹅（洪堡企鹅，Spheniscus humboldti）、南美企鹅（麦哲伦企鹅，Spheniscus magellanicus）与南非企鹅（非洲企鹅/斑嘴环企鹅，Spheniscus demersus）分布在纬度较低的温带地区，至于加岛企鹅（加拉帕戈斯企鹅，Spheniscus mendiculus）的分布则更接近赤道；完全生活在极地的只有帝企鹅（Aptenodytes forsteri）及阿德利企鹅两种。

在此我们仅探讨南极企鹅与南极的故事。

企鹅见证了南极绕极流的诞生

早年的南极大陆并非今天这般模样。南极洲曾是超级大陆冈瓦纳的一部分，气候温暖，覆盖森林（化石证据显示存在蕨类、针叶树甚至恐龙）。距今约1.8亿年前，冈瓦纳大陆逐渐解体，南极洲南移，企鹅目与它们的近亲鹱形目走上了不同的演化道路。

企鹅的祖先，威玛努企鹅（Waimanu），首先在六千万年前的新西兰出现，那时地球刚经历了恐龙大灭绝，大量的生物重新洗牌，其中出现了碧丝巨鸟企鹅（Kumimanu biceae）、怀帕拉横谷企鹅（Crossvallia waiparensis）等多种多样的巨型企鹅。它们中的一支进化出了远洋跋涉的能力，并在距今约4000万年前的南极半岛与南美洲的分离事件后，登陆了南极半岛，久居在了这片崭新的大地上。

图3 威玛努企鹅，帝企鹅，碧丝巨鸟企鹅，怀帕拉横谷企鹅体型图

南极半岛与南美洲逐渐分离后，南大洋逐渐形成。南大洋是世界第五个被确定的大洋, 是世界上唯一完全环绕地球却未被大陆分割的大洋, 由南太平洋、南大西洋和南印度洋各一部分, 连同南极大陆周围的威德尔海、罗斯海、阿蒙森海、别林斯高晋海等组成。

在南大洋, 除南极沿岸一小股流速很弱的东风漂流外, 其主流就是自西向东运动的南极绕极流(Antarctic Circumpolar Current, ACC) 。ACC的别名是西风漂流, 它是南大洋最为重要的环流。ACC位于南半球35°S—65°S区域, 与西风带平均范围一致;南极大陆附近的海水密度小于外部海域, 由此生成由西向东的地转流, 因此ACC是西风漂流与地转流合成的环流。ACC是南大洋中最显著的流动, 也是世界上唯一环绕全球的海流。虽然其流速并不是很快, 平均流速为15 cm·s–1左右, 但随深度减弱很慢, 而且厚度很大, 因此具有巨大的流量。通过德雷克海峡的年平均流量估计为100—150 Sv (1 Sv=106m3·s–1) , 堪称世界海洋最强流。

图4 南极绕极流

乘着南极绕极流，一部分企鹅迁徙到非洲、澳大利亚等地，奠定了今天企鹅种群的分布局面，而南极大陆上的企鹅们，则见证了南极冰盖从无到有，逐渐发展到如今的局面。

图5 企鹅迁徙路线

企鹅也见证了南极冰盖的形成

早期的南极大陆还没有冰盖覆盖，然而自从南美洲与南极半岛分离，德雷克海峡形成，南极绕极流出现，隔绝暖流，南极开始降温。此时始新世的全球变暖事件终结，大气CO₂浓度下降（从~1000 ppm降至~600 ppm），全球气温大幅下降，南极洲沿海首次出现冰川。

冰川出现后，冰盖也逐渐形成。冰川是规模较小的流动冰体，通常存在于山地或谷地中，受地形限制流动；而冰盖是覆盖大陆或广阔地区的巨大冰层（面积超过5万平方公里），厚度可达数千米，不受地形约束。冰盖对全球海平面和气候的影响远大于冰川。

图6 冰川（上）；冰盖（下）

冰盖最早在横贯南极山脉地区形成，随后向低地扩展。约1400万年前，南极冰盖接近现代规模，东南极冰盖（基岩高于海平面）稳定存在，西南极冰盖（基岩低于海平面）波动较大。

东南极和西南极的冰盖差异也反映在企鹅种群的分布上。西南极（南极半岛及附近海域）受暖流影响，冬季海冰较少，海域生产力高，磷虾丰富，能够支撑庞大企鹅种群。虽然西南极面积较小，但却生活着大量的企鹅，60%以上的阿德利企鹅和绝大多数帽带企鹅（Pygoscelis antarctica）分布于此。南极半岛的乔治王岛、南设得兰群岛等地有密集繁殖群，单地可达数万繁殖对。东南极（包括罗斯海，威尔克斯地等）的企鹅种类和数量较少但分布广泛，以帝企鹅和阿德利企鹅为主，原因是东南极冬季海冰更厚、温度更低，适合耐寒物种生存，如帝企鹅依赖稳定海冰繁殖。

图7 以横贯南极山脉为分界线，靠近印度洋部分为东南极，靠近太平洋部分为西南极

近年因气温上升，西南极部分区域（如南极半岛北部）的阿德利企鹅数量下降，而巴布亚企鹅（Pygoscelis papua）（适应无冰环境）向北扩张。东南极受气候变化影响较小，企鹅种群相对稳定（但局部区域如托滕冰川附近因冰架崩解受影响）。

企鹅——认识南极的钥匙

由于企鹅与南极的紧密联系，对企鹅的研究很大程度上推进了人类认识南极的进程。

古生物研究表明，最早登陆南极半岛的企鹅在温暖的始新世演化出了巨大的体型，诞生了史上体型最大的企鹅：卡氏古冠企鹅（ Palaeeudyptes klekowskii）。这一化石证据充分说明了南极曾经历一段时间的温暖时期，大批体型巨大的生物得以繁荣。

图8 卡氏古冠企鹅

对企鹅的食物中氮/磷的比例研究也助推了对南极生态的认识。企鹅的主要食物为磷虾和鱼类，当磷虾占食物的比例上升，其胃容物中的磷比例上升；当鱼类占食物的比例上升，则氮比例上升。对企鹅食物的研究有力支撑了对南极生态的研究，同时间接证明了人类活动对鲸类等生物的影响（因为鲸与企鹅属于竞争关系，通过对企鹅食源的分析可以推断鲸鱼数量的变化）。

就连企鹅的粪便都大有研究价值。根据近年来的监测结果，生态环境学家发现企鹅数量出现明显的波动，企鹅数量的增多或减少可能与目前剧烈的气候变化有密切的关系，是理想的环境变化的“生物指示计”。在企鹅聚居区，大量企鹅粪便的堆积会形成一层厚厚的粪土层，粪土层具有海洋沉积、湖泊沉积、生物沉积三重属性，通过对不同厚度粪土层中Sr，F，P，Se等元素含量的分析，可以推断企鹅种群数目的代际变化，从而揭示南极的温度变化、降水量等重要气候指标。

图9 一只小企鹅喷射出它的便便

例如，有科研人员对采自拜尔斯半岛的一根长55 cm的企鹅粪土沉积柱进行了元素和同位素地球化学分析，并与长城站区阿德雷岛、东南极戴维斯站加德纳岛企鹅粪土沉积物的标型元素特征比较，发现上述三个地区的标型元素组合大体上一致，反映了整个南极地区企鹅粪土沉积物生物标型元素组合的共性。研究结果为进一步恢复南极地区的企鹅种群数量演化，及其对气候变化的响应提供了可能。

与此同时，企鹅粪便富含来自海洋的氮、磷等元素，这些元素在贫瘠的南极大陆滋养了地衣和苔藓等生物。企鹅每天往返海洋与栖息地的固定路线上，排泄物中的虾青素（来自磷虾）经氧化形成永久着色，形成“粉雪”奇观。每平方米粉雪中含有2.8万只线虫、4000只缓步动物（水熊虫），生物密度是普通雪地的170倍。也就是说企鹅粪便滋养了许多的微生物，为南极的生态平衡作出不可磨灭的贡献。