近年來(lái),全球氣候變化是一個(gè)日益火熱的話題。其中,全球變暖作為全球氣候變化的一個(gè)典型后果,更是引起了人們的廣泛關(guān)注。近日,香山科學(xué)會(huì)議第S68次學(xué)術(shù)討論會(huì)聚焦地球系統(tǒng)與全球變化,對(duì)全球氣候變化的特征、影響和機(jī)理,以及全球氣候變化的適應(yīng)與應(yīng)對(duì)等課題進(jìn)行了深度探討。
全球變暖對(duì)海洋缺氧區(qū)的影響,是近年來(lái)科學(xué)家們孜孜以求的前沿課題。近期,研究人員的一項(xiàng)新研究顯示,在漫長(zhǎng)的歷史長(zhǎng)河中,海洋有過(guò)不同的溫暖時(shí)期,而在這些溫暖時(shí)期,海洋缺氧區(qū)縮小了。相關(guān)成果近日發(fā)布在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。
(資料圖片僅供參考)
什么是海洋缺氧區(qū)?其形成機(jī)制是什么?全球變暖是如何影響海洋氧氣條件的?海洋缺氧區(qū)大小的變化對(duì)海洋生物、海洋生態(tài)系統(tǒng)有什么影響?科技日?qǐng)?bào)記者就這些問(wèn)題采訪了相關(guān)專家。
海洋缺氧區(qū)指溶解氧濃度較低的海域
什么是海洋缺氧區(qū)?要弄懂這一概念,首先需要理解什么是溶解氧。
“溶解氧就是溶解在水中的氧氣。”中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院副教授、中國(guó)海洋大學(xué)海洋碳中和創(chuàng)新研究中心副主任馮玉銘解釋說(shuō),“在正常海域中,水體中溶解氧的濃度一般為每升7毫克或8毫克,甚至更高。”
“當(dāng)水體中溶解氧的濃度長(zhǎng)期低于每升2毫克時(shí),這片海水區(qū)域即被稱為海洋缺氧區(qū)或海洋低氧區(qū)。如果溶解氧的含量繼續(xù)降低,長(zhǎng)期維持在每升0.5毫克標(biāo)準(zhǔn)以下,我們則認(rèn)為這片海域?qū)儆跇O度缺氧區(qū)或無(wú)氧區(qū),好氧生物就無(wú)法在這片海域生存了。新研究中提到的海洋缺氧區(qū)即是溶解氧含量長(zhǎng)期在每升0.5毫克以下的海域。”馮玉銘說(shuō)。
海洋缺氧區(qū)又包括近岸海域缺氧區(qū)和廣闊大洋缺氧區(qū)。有研究認(rèn)為,近岸海域缺氧區(qū)主要源于快速增長(zhǎng)的人類活動(dòng)。人類生產(chǎn)和生活排放出的氮、磷等污染物會(huì)通過(guò)各種途徑匯入海洋。“氮、磷污染物中含有海水中浮游植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素。它們的增多就好比是給海水中的浮游植物‘施肥’,浮游植物在這些‘肥料’的刺激下快速生長(zhǎng)并大量繁殖。當(dāng)過(guò)度繁殖的浮游植物和以浮游植物為生的其他浮游生物死亡后,其尸體會(huì)沉入海底,在微生物的作用下發(fā)生礦化,礦化過(guò)程將消耗大量的氧氣。”馮玉銘告訴記者,尤其是水下低光、弱光甚至無(wú)光層,無(wú)法靠光合作用補(bǔ)充被消耗的氧氣,耗氧速度更快,水體在幾周甚至幾天內(nèi)就可能缺氧。因此,在近岸海域缺氧區(qū),缺氧現(xiàn)象發(fā)生在海水的底層。
“不同于近岸海域,廣闊大洋的缺氧現(xiàn)象大約存在于海面下200米至1000米的中層海水中。這一區(qū)域的表層、下層海水中的氧氣含量都很豐富,唯獨(dú)中層海水形成一片缺乏氧氣的‘空腔’。”馮玉銘表示。
全球變暖會(huì)導(dǎo)致海洋缺氧區(qū)形成
一般來(lái)說(shuō),海水溫度越高,能夠溶解的氧氣就越少。因此,全球變暖會(huì)為海洋缺氧區(qū)的形成“推波助瀾”。此外,全球變暖導(dǎo)致海水表層增溫更高,而深水的增溫更慢,這會(huì)使得海水上下的層結(jié)
更強(qiáng),不利于表層和深水區(qū)的物質(zhì)交換。氧氣向下的輸送會(huì)更加困難,讓海洋缺氧更加嚴(yán)重。
大洋環(huán)流也是導(dǎo)致海洋缺氧區(qū)的重要誘因。“洋流將上層富含氧氣的海水帶入海洋中層和底層,這一過(guò)程類似于抽油煙機(jī)的工作過(guò)程,也被稱為海洋通風(fēng)。在全球變暖的背景下,海洋通風(fēng)整體上是減弱的,因此更少的氧氣被帶入到海洋內(nèi)部。”馮玉銘解釋說(shuō)。
馮玉銘表示,生物地球化學(xué)過(guò)程也會(huì)對(duì)海洋中氧氣的含量產(chǎn)生影響。變暖的海水會(huì)使微生物耗氧分解有機(jī)物的速率加快,促進(jìn)海洋中氧氣的消耗,從而導(dǎo)致海洋缺氧區(qū)的擴(kuò)大。
海洋缺氧區(qū)擴(kuò)大會(huì)對(duì)海洋生物和海洋生態(tài)系統(tǒng)造成什么影響?“溶解氧含量的多少,會(huì)對(duì)生活在海洋中的好氧生物產(chǎn)生巨大影響。”馮玉銘告訴記者,海洋缺氧區(qū)的溶解氧含量接近于零,對(duì)于生活在海洋中的好氧生物而言,這樣的海域無(wú)異于生命的禁區(qū)。
海洋缺氧區(qū)縮小,會(huì)對(duì)海洋生物、海洋生態(tài)造成影響嗎?馮玉銘表示,一般來(lái)說(shuō),含氧量越高,就越容易促成生物繁殖和生物體型的擴(kuò)增。這在古生物學(xué)上存在很多支撐證據(jù)。但這是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程,短時(shí)間內(nèi)作用并不顯著。
“過(guò)于限制缺氧區(qū)的存在會(huì)嚴(yán)重影響地球氮循環(huán),導(dǎo)致厭氧的反硝化過(guò)程被遏制,使得海洋氮營(yíng)養(yǎng)鹽收支平衡失調(diào),這可能造成嚴(yán)重的海洋生態(tài)系統(tǒng)崩潰??梢?jiàn),海洋中的物理和生化反饋過(guò)程之間是彼此緊密相關(guān)的,很多復(fù)雜機(jī)制會(huì)給出我們反直覺(jué)的結(jié)果。”馮玉銘解釋說(shuō)。
“客觀來(lái)講,海洋缺氧區(qū)的出現(xiàn)是正常現(xiàn)象。但近些年來(lái),人類活動(dòng)對(duì)海洋生態(tài)造成了干擾。無(wú)論海洋缺氧區(qū)面積擴(kuò)大或縮小,都會(huì)打破海洋生態(tài)系統(tǒng)原有的平衡,從而產(chǎn)生負(fù)面影響。”馮玉銘表示,近年來(lái),各國(guó)科學(xué)家都在密切關(guān)注全球變暖對(duì)海洋缺氧區(qū)的影響。除了氣候?qū)W家、海洋學(xué)家,政府管理部門、立法者、公民也應(yīng)關(guān)心海洋、愛(ài)護(hù)海洋,努力減少人類活動(dòng)對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響。
新研究揭示歷史上海洋缺氧區(qū)縮小原因
在此次新研究中,科學(xué)家團(tuán)隊(duì)采取溫度“重建”的方法,通過(guò)檢測(cè)海底沉積物巖芯里的有孔蟲,來(lái)讀取海洋過(guò)去的氧氣含量,確定海洋缺氧區(qū)的范圍。
“浮游有孔蟲會(huì)吸收氮等化學(xué)元素,而氮的同位素比率又取決于環(huán)境條件。在缺氧條件下,海洋中會(huì)發(fā)生一個(gè)被稱為細(xì)菌反硝化的過(guò)程,在這個(gè)過(guò)程中,細(xì)菌將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為分子氮。這些細(xì)菌更喜歡吸收氮的輕同位素14N,排斥氮的重同位素15N,因此15N便會(huì)過(guò)量地容留在海洋中。當(dāng)反硝化作用活躍時(shí),15N的比率明顯提高。因此,科學(xué)家們可以通過(guò)測(cè)量這一點(diǎn)來(lái)確定早期缺氧區(qū)的范圍。”馮玉銘表示,“15N的比率越高,證明反硝化作用越強(qiáng),則意味著此區(qū)域?yàn)槿毖鯀^(qū)。”
新研究中,科學(xué)家團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)有孔蟲氮同位素研究表明,在出現(xiàn)于1700萬(wàn)—1400萬(wàn)年前的中中新世氣候適宜期(MMCO)和出現(xiàn)于5300萬(wàn)—5100萬(wàn)年前的早始新世氣候適宜期(EECO)這兩段海洋溫暖期,東熱帶北太平洋水柱中的反硝化作用大大減少。這意味著,在歷史上的這兩段溫暖時(shí)期,海洋中的氧氣是充足的。
在新研究中,科學(xué)家團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn),在MMCO和EECO兩段暖期,高緯度和低緯度之間的溫差比現(xiàn)在小很多。全球變暖和高低緯溫差減弱都有助于減弱熱帶風(fēng),從而減少富含營(yíng)養(yǎng)鹽的深層海水的上涌,這導(dǎo)致海水表層生物生產(chǎn)力降低,因此,沉入深海的浮游生物的尸體相應(yīng)減少,礦化作用減弱,無(wú)需消耗更多的氧氣,從而緩解了缺氧的趨勢(shì)。
新研究還提出了另外一種可能性:在歷史上漫長(zhǎng)的溫暖時(shí)期,南大洋表層水與深海之間的交換水(深海傾覆)可能加速,從而導(dǎo)致整個(gè)海洋內(nèi)部含氧量增加。
關(guān)鍵詞: