全球变暖如何影响海洋生命？新研究揭示历史上海洋缺氧区缩小原因

海洋缺氧区的出现是正常现象。但近年来，人类活动对海洋生态造成了干扰。无论海洋缺氧区面积扩大或缩小，都会打破海洋生态系统原有平衡，产生负面影响。

——冯玉铭中国海洋大学海洋碳中和创新研究中心副主任

近年来，全球气候变化是一个日益火热的话题。其中，全球变暖作为全球气候变化的一个典型后果，更是引起了人们的广泛关注。近日，香山科学会议第S68次学术讨论会聚焦地球系统与全球变化，对全球气候变化的特征、影响和机理，以及全球气候变化的适应与应对等课题进行了深度探讨。

全球变暖对海洋缺氧区的影响，是近年来科学家们孜孜以求的前沿课题。近期，研究人员的一项新研究显示，在漫长的历史长河中，海洋有过不同的温暖时期，而在这些温暖时期，海洋缺氧区缩小了。相关成果近日发布在国际学术期刊《自然》上。

什么是海洋缺氧区?其形成机制是什么?全球变暖是如何影响海洋氧气条件的?海洋缺氧区大小的变化对海洋生物、海洋生态系统有什么影响?科技日报记者就这些问题采访了相关专家。

海洋缺氧区指溶解氧浓度较低的海域

什么是海洋缺氧区?要弄懂这一概念，首先需要理解什么是溶解氧。

“溶解氧就是溶解在水中的氧气。”中国海洋大学环境科学与工程学院副教授、中国海洋大学海洋碳中和创新研究中心副主任冯玉铭解释说，“在正常海域中，水体中溶解氧的浓度一般为每升7毫克或8毫克，甚至更高。”

“当水体中溶解氧的浓度长期低于每升2毫克时，这片海水区域即被称为海洋缺氧区或海洋低氧区。如果溶解氧的含量继续降低，长期维持在每升0.5毫克标准以下，我们则认为这片海域属于极度缺氧区或无氧区，好氧生物就无法在这片海域生存了。新研究中提到的海洋缺氧区即是溶解氧含量长期在每升0.5毫克以下的海域。”冯玉铭说。

海洋缺氧区又包括近岸海域缺氧区和广阔大洋缺氧区。有研究认为，近岸海域缺氧区主要源于快速增长的人类活动。人类生产和生活排放出的氮、磷等污染物会通过各种途径汇入海洋。“氮、磷污染物中含有海水中浮游植物生长所必需的营养元素。它们的增多就好比是给海水中的浮游植物‘施肥’，浮游植物在这些‘肥料’的刺激下快速生长并大量繁殖。当过度繁殖的浮游植物和以浮游植物为生的其他浮游生物死亡后，其尸体会沉入海底，在微生物的作用下发生矿化，矿化过程将消耗大量的氧气。”冯玉铭告诉记者，尤其是水下低光、弱光甚至无光层，无法靠光合作用补充被消耗的氧气，耗氧速度更快，水体在几周甚至几天内就可能缺氧。因此，在近岸海域缺氧区，缺氧现象发生在海水的底层。

“不同于近岸海域，广阔大洋的缺氧现象大约存在于海面下200米至1000米的中层海水中。这一区域的表层、下层海水中的氧气含量都很丰富，唯独中层海水形成一片缺乏氧气的‘空腔’。”冯玉铭表示。

全球变暖会导致海洋缺氧区形成

一般来说，海水温度越高，能够溶解的氧气就越少。因此，全球变暖会为海洋缺氧区的形成“推波助澜”。此外，全球变暖导致海水表层增温更高，而深水的增温更慢，这会使得海水上下的层结

更强，不利于表层和深水区的物质交换。氧气向下的输送会更加困难，让海洋缺氧更加严重。

大洋环流也是导致海洋缺氧区的重要诱因。“洋流将上层富含氧气的海水带入海洋中层和底层，这一过程类似于抽油烟机的工作过程，也被称为海洋通风。在全球变暖的背景下，海洋通风整体上是减弱的，因此更少的氧气被带入到海洋内部。”冯玉铭解释说。

冯玉铭表示，生物地球化学过程也会对海洋中氧气的含量产生影响。变暖的海水会使微生物耗氧分解有机物的速率加快，促进海洋中氧气的消耗，从而导致海洋缺氧区的扩大。

海洋缺氧区扩大会对海洋生物和海洋生态系统造成什么影响?“溶解氧含量的多少，会对生活在海洋中的好氧生物产生巨大影响。”冯玉铭告诉记者，海洋缺氧区的溶解氧含量接近于零，对于生活在海洋中的好氧生物而言，这样的海域无异于生命的禁区。

海洋缺氧区缩小，会对海洋生物、海洋生态造成影响吗?冯玉铭表示，一般来说，含氧量越高，就越容易促成生物繁殖和生物体型的扩增。这在古生物学上存在很多支撑证据。但这是一个长期的过程，短时间内作用并不显著。

“过于限制缺氧区的存在会严重影响地球氮循环，导致厌氧的反硝化过程被遏制，使得海洋氮营养盐收支平衡失调，这可能造成严重的海洋生态系统崩溃。可见，海洋中的物理和生化反馈过程之间是彼此紧密相关的，很多复杂机制会给出我们反直觉的结果。”冯玉铭解释说。

“客观来讲，海洋缺氧区的出现是正常现象。但近些年来，人类活动对海洋生态造成了干扰。无论海洋缺氧区面积扩大或缩小，都会打破海洋生态系统原有的平衡，从而产生负面影响。”冯玉铭表示，近年来，各国科学家都在密切关注全球变暖对海洋缺氧区的影响。除了气候学家、海洋学家，政府管理部门、立法者、公民也应关心海洋、爱护海洋，努力减少人类活动对海洋生态系统的负面影响。

新研究揭示历史上海洋缺氧区缩小原因

在此次新研究中，科学家团队采取温度“重建”的方法，通过检测海底沉积物岩芯里的有孔虫，来读取海洋过去的氧气含量，确定海洋缺氧区的范围。

“浮游有孔虫会吸收氮等化学元素，而氮的同位素比率又取决于环境条件。在缺氧条件下，海洋中会发生一个被称为细菌反硝化的过程，在这个过程中，细菌将硝酸盐转化为分子氮。这些细菌更喜欢吸收氮的轻同位素14N，排斥氮的重同位素15N，因此15N便会过量地容留在海洋中。当反硝化作用活跃时，15N的比率明显提高。因此，科学家们可以通过测量这一点来确定早期缺氧区的范围。”冯玉铭表示，“15N的比率越高，证明反硝化作用越强，则意味着此区域为缺氧区。”

新研究中，科学家团队通过对有孔虫氮同位素研究表明，在出现于1700万—1400万年前的中中新世气候适宜期(MMCO)和出现于5300万—5100万年前的早始新世气候适宜期(EECO)这两段海洋温暖期，东热带北太平洋水柱中的反硝化作用大大减少。这意味着，在历史上的这两段温暖时期，海洋中的氧气是充足的。

在新研究中，科学家团队还发现，在MMCO和EECO两段暖期，高纬度和低纬度之间的温差比现在小很多。全球变暖和高低纬温差减弱都有助于减弱热带风，从而减少富含营养盐的深层海水的上涌，这导致海水表层生物生产力降低，因此，沉入深海的浮游生物的尸体相应减少，矿化作用减弱，无需消耗更多的氧气，从而缓解了缺氧的趋势。

新研究还提出了另外一种可能性：在历史上漫长的温暖时期，南大洋表层水与深海之间的交换水(深海倾覆)可能加速，从而导致整个海洋内部含氧量增加。(记者王健高 实习记者宋迎迎)

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