前沿科学命运共同体海洋与气候

　　时间: 2022年03月31日 11:02　来源: 宣传部
　　（作者：海南大学 郑立伟 郑旭峰 高树基）历经46亿年的演化，地球在岩石圈、水圈、大气圈、冰冻圈与生物圈的交互作用下，造就了当今的海洋生态系统。海洋系统对于人类与地球生物的存续发展至关重要，然而人类对于地球自然状态的干扰极有可能把海洋生态系统推向不稳定态，影响自身生存。
　　为应对气候变化，联合国成立政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC），评估气候变化对社会、经济的影响并提出应对对策。我国提出＂关心海洋、认识海洋、经略海洋＂＂构建海洋命运共同体＂的理念，也为各方共同努力实现全球海洋治理和海洋可持续发展贡献了中国智慧。
　　海洋系统如何调节地球气候
　　海洋包括北冰洋、太平洋、大西洋、印度洋和南大洋以及它们的边缘海，覆盖地球表面积的71%，涵盖极地到赤道气候区，是地球系统的关键组成部分，为丰富的海洋生物提供了栖息地，贡献了地球上约50%的初级生产力，是人类重要的食物来源，与人类生存息息相关。
　　海水的热容量是空气的4倍，储存了大量地表的热量，海水巨大的体量使得其以溶解态形式存储了高于大气中二氧化碳（CO2）库储50倍的无机碳。通过海气界面，海洋与大气交换热量、水和生物地球化学相关的气体（如O2和CO2）。而在海洋中，经由风驱动的大洋环流和极地的热盐环流将这些物质和能量在全球海洋中重新进行水平与垂直分布。例如，西边界流将物质与热量从热带转移到高纬地区，在传输过程中，海水释放热量到大气导致温度降低，密度变大，将表层高浓度的CO2带入更深层的海洋[1]。在风的驱动下，海洋环流也会在某些地区（如东赤道上升流区）从深层带来富营养的冷水（上升流），从而使深海和大气之间的热量、O2和CO2发生交换。因此，海洋可以在季节、年际乃至千年尺度上调节地球气候。
　　事实上，海洋对地球气候的影响可以追溯到地球形成的早期。大约38亿年前，地球表面被岩浆所覆盖，完全不适合生物生存，直至地球开始冷却，地壳凝固，降雨开始发生，海洋逐步形成。在大约30亿年前，海洋出现光合细菌释放氧气，改变大气组成成分，至大约24亿年前，大气中的甲烷（CH4）和CO2逐步下降而O2逐渐上升，这可能导致了地球进入为期2亿年的雪球状态。
　　在漫长的地质历史中，地球经历了多次冷暖气候交替，气候深刻影响了生命的起源、繁盛、衰减和灭绝。近300万年以来，大气组分趋于稳定，进入冰河期。而近100万年以来，地球气候以规则周期多次出现冰期—间冰期循环，这被证明与地球绕太阳的轨道变化有关，地球接受净太阳辐射的多寡与两级赤道接受辐射的差异驱动了低纬/高纬、大气海洋的热交换以及CO2等气体交换。当太阳、月球和其他行星改变它们的相对位置时，地球的轨道会摆动，从而影响太阳入射到地球的能量。当北半球的夏季日照量低于某个临界值（如图1所示），冬天的积雪不会在夏天完全融化，随着积雪增加，冰盖开始增长，从而进入冰期，反之进入间冰期。
　　图1 气候系统的临界值效应
　　然而，在末次冰河时代，地球发生了20多次短期快速的气候变化事件。这些事件与冰期—间冰期旋回的不同之处在于，它们可能不涉及全球平均温度的大幅变化。在这些事件中，格陵兰岛和南大洋的变化不是同步的，而南大西洋和北大西洋的变化方向相反，即所谓＂跷跷板＂效应。这意味着，由海洋洋流主导的在气候系统内对热量进行重新分配，就能足够触发临界点以引起气候快速变化，而不需要全球辐射平衡发生重大变化。这些案例表明，地球气候系统本身的自然变率复杂，不同时间尺度的气候临界点也各不相同，而海洋很可能在短期气候突变中扮演重要角色。
　　基于古气候记录和模型研究，科学家发现，如果单纯考虑地球气候系统的自然变率，地球将在未来1500年内进入冰期[2]。然而，自工业革命以来，人类活动通过矿物燃料燃烧、水泥生产、农业和土地利用等已导致温室气体在大气中积累。截至2021年，全球平均大气CO2浓度超过410 ppm，地球大气层至少在过去100万年没有经历过这一水平。
　　大气中的CO2会吸收地球的红外线辐射，相当于给地球覆盖一层毛毯，导致了全球年均温度上升了1.3  左右，使得地球气候显著偏离了其自然变化趋势。海洋以其巨大的热容量吸收了全球总CO2的30% 40%以及人类释放温室气体所捕获热量的93%[3]，延缓了全球暖化。科学家评估如果没有海洋的吸热，地球平均温度将高达50  [4]。
　　然而，海洋在吸收大量CO2和热量、缓和全球暖化的同时，自身的理化属性与环流结构也发生了变化，造成了海水暖化、酸化、层化加剧，缺氧恶化等后果，深刻改变了海洋的生态系统过程及其反馈，并引发一系列级联反应[3]（如图2所示）。
　　图2 气候变化与人为活动、生态系统之间的级联反应
　　海洋变暖正在多个营养水平上影响海洋生物和渔业，对粮食生产和人类社会产生影响，IPCC报告也强烈呼吁人类需要及时采取缓解和适应措施。但目前我们对气候变化如何影响海洋生态系统的认识要滞后于陆地生态系统，这是由于海洋本身巨大的体量和复杂性，还有部分原因是海上观测较为困难，导致长期观测少于陆地。
　　全球气候变化对于海洋生态系统的影响有多个驱动力，包括人造活性氮、CO2以及其引起的酸化与暖化。
　　气候变化怎样影响海洋生态
　　海洋初级生产力是海洋碳循环的关键过程，是海洋生态系统的基石。它经由上层食物网周转后往深海传输的生物泵，不仅是重要的碳汇，也是深海底栖生态系统的食物来源。因此，厘清海洋初级生产力与气候变化的关联对理解海洋应对气候变化的响应至关重要。
　　尽管人为的CO2增加可能刺激海洋初级生产力，然而研究发现，随着海洋的增温及海水层化的加剧，某些海域的垂直混合减弱会使得深层营养盐向浅层海洋的供应减少，可能会造成上层海洋初级生产力下降[5]。当暖化与酸化效应叠加时，情况可能会变得更为复杂。例如，对632个已发表的实验结果进行荟萃分析，研究人员发现温带非钙质浮游植物的初级生产力随着温度和CO2的增加而增加，而热带浮游植物由于酸化而降低了生产力[6]。此外，暖化也会导致浮游植物个体变小[7]，不利于生物泵碳汇的输出。上述研究表明，海洋生产力对气候变化的响应复杂，存在区域性差异，需要站在全球的尺度上进行综合评估。
　　为了更全面评估海洋生产力变化，目前科学家采用卫星遥感将海水颜色与浮游植物生物量进行关联，合并了多个卫星在2002—2015年期间观测的结果，其显示高纬度区域的净生产力有所提高而低纬区域有所下降[8]。但目前IPCC对这个研究结果的评价为可信度低，原因在于卫星推导的净生产力与现场原位观测的数据之间存在较大出入，并且卫星观测数据覆盖年份还太少，不足以区分这种生产力变化是自然变率还是人为变率所引发。因此，研究的当务之急在于降低生产力替代性指标的不确定性。
　　气候变化对海洋显著影响之一是，它对珊瑚、海草、红树林、盐沼和海冰等物种形成的栖息地的影响。虽然一些常住物种可能对这些栖息地没有严格要求，但对于部分物种来说，如果栖息地被移走，它们就会消失。例如，温度升高导致的珊瑚大规模白化和死亡，已经降低了生活在珊瑚礁上的鱼类和其他生物的丰富度和密度[9]。
　　近岸的被子植物如红树林、海草和盐沼群落，也面临着来自海水面上升、极端气候事件不断升级的威胁。全球湿地面积相对于工业化前下降了近50%[10]，除了人为砍伐外，海水面上升是红树林消退的主要原因之一[11]。海水面抬升还会导致红树林后撤，从而侵占近岸盐沼地区，对盐沼的生态系统造成冲击。受暖化的影响，海草床在低纬度地区的分布也在收缩[11]。
　　暖化导致的海冰消融也是极区生态系统多样性面临的重大威胁之一。例如，春季融冰在决定浮游植物勃发的时间上起着重要作用，并因此影响极地海洋食物网的变化。海冰作为一个临时或永久的平台，对各种鸟类和哺乳动物的捕食、繁殖或迁徙活动也起着至关重要的作用。然而模型预计，到2100年极区海冰可能减少70%，这对依赖海冰的南极生物（如企鹅和海豹）的生存是严重的威胁[12]（如图3所示）。
　　图3 南极海冰（黑色点是在海冰上活动的企鹅）
　　海洋变暖带来何种危害
　　动物的新陈代谢具有温度依存性。随着气候变暖，群落间的捕食关系等生态过程可能会随之改变。研究发现，呼吸作用比光合作用对温度变化更敏感，因此，与初级生产者相比，食物网中消费者的能量需求受到温度升高的影响更大[13]。中尺度培养实验结果显示，当温度从21  上升至27  ，消费者对初级生产者的捕食大大增强，会降低总食物网生物量、植物生物量与动物生物量的比例[14]。研究人员对大西洋浮游植物群落结构的大尺度调查也发现了类似的规律[7]。
　　海洋环境的变化也会对无脊椎动物和海鸟等各种海洋生物的生命史特征产生直接影响。变温动物的发育速率随温度呈指数增长，这对包括幼虫扩散、种群连通性、局部适应和物种形成在内的一系列生态属性产生重要影响，而发育时间的缩短也可能导致发育中的幼虫生物与食物可用性之间的物候不匹配[15]。当气候变化对初级生产力与生物的代谢速率产生同步影响时，从沿海到远洋生态系统的海洋食物网将有可能发生重大改变。
　　海洋生物的生理特性决定了它们对温度的耐受范围和敏感度[16]。来自古生物记录和当代的生理学实验都表明，当温度超出生物热耐受范围时会影响代谢、生长、繁殖，从而影响海洋生物的地理分布格局，迫使生物去寻找和选择适宜的生存环境[17-18]。
　　在上层海洋生态系统中，物种分布的冷界以每10年51 33 km向高纬扩展，这种生存环境迁徙几乎在所有海洋中都能观测到，并且与温度变化高度相关[19]。这可能引发的后果是热带生物向高纬扩张，降低热带海洋生物多样性，同时挤占了原先高纬生物的栖息地，对高纬生物之间的捕食与互作关系造成干扰并引发级联反应。
　　人类活动如何减轻影响
　　在可预计的未来，人为活动及其引起的气候变化仍将持续影响海洋生态系统。而模型预测，未来20年的海洋仍将继续吸收存储热量和CO2[20]。面对持续增强的人为活动和气候变化双重强迫，海洋生态系统的承受阈值是多少、突破阈值后会发生什么，我们仍无法预测。
　　从科研的角度，我们首先要更全面细致地了解海洋。目前对洋流、表面热通量、O2、无机碳、浮游植物生物量和多样性等海洋关键变量的观测，尚未覆盖全球或尚未达到检测变化所需的精密度或准确性[21]。同时，海洋和冰冻圈观测数据集的时间跨度很短，许多参数没有覆盖工业化前时期至今的全部变化幅度，这也意味着在直接观测中还不能有把握地证实一些预期的变化。此外，目前反映生态系统变化的测量往往是针对具体地点或物种的，对海洋生态系统长期变化的评估仍然需要更多研究投入。
　　全球海洋需要数百年到数千年的时间才能＂周转＂一次，较长的周转时间意味着海洋在应对地球表面的快速气候变化往往存在滞后性，即使在外部强迫稳定之后，它们也将以固有惯性继续变化。这种惯性意味着，即使我们采取了限制全球暖化的行动，一些海洋和冰冻圈的变化在与人类社会相关的时间尺度上（几十年到几个世纪）基本上是不可逆转的[22]。因此，人类社会应迅速达成共识，从科研、政策、社会、经济等多个维度出发，尽可能在短时间内减轻人为活动对海洋生态系统及气候的影响。
　　中国作为负责任的大国，在应对气候变化方面走在世界前头。国家主席习近平在2020年第七十五届联合国大会上提出，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。要达到这个目标，我们必须以科技创新为先导，调整能源结构，开发蓝色经济，以负责任的态度可持续地开发利用海洋资源。
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　　作者简介
　　郑立伟，海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室副研究员，国家博士后创新人才支持计划入选者（2017年）。
　　长期从事陆海界面碳氮的源汇过程研究。相关研究成果发表在Earth and Planetary Science Letters，Paleoceanography，Journal of Geophysical Research 等杂志上。
　　郑旭峰，海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室研究员，中国科学院创新促进会成员，广东省科技创新青年拔尖人才（2020年），曾参加2019年国际大洋钻探计划南极IODP382航次。
　　长期从事北太平洋、南大洋古海洋洋流重建与气候变化研究，相关研究成果在Nature Communications，Earth and Planetary Science Letters，Journal of Geophysical Research等杂志上。
　　高树基，厦门大学、海南大学国家级人才特聘教授（2011年至今），国家自然科学基金委员会创新研究群体学术带头人（2018—2023年）。专长以稳定同位素为主要手段研究上层海洋复杂氮动力学过程。相关研究结果在国际期刊发表200余篇SCI论文，其中以通信及第一作者在Nature Climate Change，Nature Communication，Geology等国际期刊发表60多篇论文，文章总被引超过9000次，H-index 54。