近年來，全球氣候變化是一個日益火熱的話題。其中，全球變暖作為全球氣候變化的一個典型后果，更是引起了人們的廣泛關(guān)注。近日，香山科學(xué)會議第S68次學(xué)術(shù)討論會聚焦地球系統(tǒng)與全球變化，對全球氣候變化的特征、影響和機理，以及全球氣候變化的適應(yīng)與應(yīng)對等課題進行了深度探討。
全球變暖對海洋缺氧區(qū)的影響，是近年來科學(xué)家們孜孜以求的前沿課題。近期，研究人員的一項新研究顯示，在漫長的歷史長河中，海洋有過不同的溫暖時期，而在這些溫暖時期，海洋缺氧區(qū)縮小了。相關(guān)成果近日發(fā)布在國際學(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)大小的變化對海洋生物、海洋生態(tài)系統(tǒng)有什么影響？科技日報記者就這些問題采訪了相關(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。”中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院副教授、中國海洋大學(xué)海洋碳中和創(chuàng)新研究中心副主任馮玉銘解釋說，“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期低于每升2毫克時，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，長期維持在每升0.5毫克標(biāo)準(zhǔn)以下，我們則認為這片海域?qū)儆跇O度缺氧區(qū)或無氧區(qū)，好氧生物就無法在這片海域生存了。新研究中提到的海洋缺氧區(qū)即是溶解氧含量長期在每升0.5毫克以下的海域。”馮玉銘說。
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)。有研究認為，近岸海域缺氧區(qū)主要源于快速增長的人類活動。人類生產(chǎn)和生活排放出的氮、磷等污染物會通過各種途徑匯入海洋。“氮、磷污染物中含有海水中浮游植物生長所必需的營養(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’的刺激下快速生長并大量繁殖。當(dāng)過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，其尸體會沉入海底，在微生物的作用下發(fā)生礦化，礦化過程將消耗大量的氧氣。”馮玉銘告訴記者，尤其是水下低光、弱光甚至無光層，無法靠光合作用補充被消耗的氧氣，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。
全球變暖會導(dǎo)致海洋缺氧區(qū)形成
一般來說，海水溫度越高，能夠溶解的氧氣就越少。因此，全球變暖會為海洋缺氧區(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，這會使得海水上下的層結(jié)
更強，不利于表層和深水區(qū)的物質(zhì)交換。氧氣向下的輸送會更加困難，讓海洋缺氧更加嚴重。
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，這一過程類似于抽油煙機的工作過程，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。
馮玉銘表示，生物地球化學(xué)過程也會對海洋中氧氣的含量產(chǎn)生影響。變暖的海水會使微生物耗氧分解有機物的速率加快，促進海洋中氧氣的消耗，從而導(dǎo)致海洋缺氧區(qū)的擴大。
海洋缺氧區(qū)擴大會對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，會對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，對于生活在海洋中的好氧生物而言，這樣的海域無異于生命的禁區(qū)。
海洋缺氧區(qū)縮小，會對海洋生物、海洋生態(tài)造成影響嗎？馮玉銘表示，一般來說，含氧量越高，就越容易促成生物繁殖和生物體型的擴增。這在古生物學(xué)上存在很多支撐證據(jù)。但這是一個長期的過程，短時間內(nèi)作用并不顯著。
“過于限制缺氧區(qū)的存在會嚴重影響地球氮循環(huán)，導(dǎo)致厭氧的反硝化過程被遏制，使得海洋氮營養(yǎng)鹽收支平衡失調(diào)，這可能造成嚴重的海洋生態(tài)系統(tǒng)崩潰。可見，海洋中的物理和生化反饋過程之間是彼此緊密相關(guān)的，很多復(fù)雜機制會給出我們反直覺的結(jié)果。”馮玉銘解釋說。
“客觀來講，海洋缺氧區(qū)的出現(xiàn)是正常現(xiàn)象。但近些年來，人類活動對海洋生態(tài)造成了干擾。無論海洋缺氧區(qū)面積擴大或縮小，都會打破海洋生態(tài)系統(tǒng)原有的平衡，從而產(chǎn)生負面影響。”馮玉銘表示，近年來，各國科學(xué)家都在密切關(guān)注全球變暖對海洋缺氧區(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、愛護海洋，努力減少人類活動對海洋生態(tài)系統(tǒng)的負面影響。
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)家團隊采取溫度“重建”的方法，通過檢測海底沉積物巖芯里的有孔蟲，來讀取海洋過去的氧氣含量，確定海洋缺氧區(qū)的范圍。
“浮游有孔蟲會吸收氮等化學(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，海洋中會發(fā)生一個被稱為細菌反硝化的過程，在這個過程中，細菌將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為分子氮。這些細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便會過量地容留在海洋中。當(dāng)反硝化作用活躍時，15N的比率明顯提高。因此，科學(xué)家們可以通過測量這一點來確定早期缺氧區(qū)的范圍。”馮玉銘表示，“15N的比率越高，證明反硝化作用越強，則意味著此區(qū)域為缺氧區(qū)。”
新研究中，科學(xué)家團隊通過對有孔蟲氮同位素研究表明，在出現(xiàn)于1700萬—1400萬年前的中中新世氣候適宜期（MMCO）和出現(xiàn)于5300萬—5100萬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期，海洋中的氧氣是充足的。
在新研究中，科學(xué)家團隊還發(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，無需消耗更多的氧氣，從而緩解了缺氧的趨勢。
新研究還提出了另外一種可能性：在歷史上漫長的溫暖時期，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)致整個海洋內(nèi)部含氧量增加。
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