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      天天滾動:在歷史暖期,海洋缺氧區竟曾縮小
      發布時間:2022-10-13 09:37:49 文章來源:科技日報
      在歷史暖期,海洋缺氧區竟曾縮小

      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注。近日,香山科學會議第S68次學術討論會聚焦地球系統與全球變化,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與應對等課題進行了深度探討。

      全球變暖對海洋缺氧區的影響,是近年來科學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,海洋缺氧區縮小了。相關成果近日發布在國際學術期刊《自然》上。


      (資料圖片僅供參考)

      什么是海洋缺氧區?其形成機制是什么?全球變暖是如何影響海洋氧氣條件的?海洋缺氧區大小的變化對海洋生物、海洋生態系統有什么影響?科技日報記者就這些問題采訪了相關專家。

      海洋缺氧區指溶解氧濃度較低的海域

      什么是海洋缺氧區?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。”中國海洋大學環境科學與工程學院副教授、中國海洋大學海洋碳中和創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。”

      “當水體中溶解氧的濃度長期低于每升2毫克時,這片海水區域即被稱為海洋缺氧區或海洋低氧區。如果溶解氧的含量繼續降低,長期維持在每升0.5毫克標準以下,我們則認為這片海域屬于極度缺氧區或無氧區,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。

      海洋缺氧區又包括近岸海域缺氧區和廣闊大洋缺氧區。有研究認為,近岸海域缺氧區主要源于快速增長的人類活動。人類生產和生活排放出的氮、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就可能缺氧。因此,在近岸海域缺氧區,缺氧現象發生在海水的底層。

      “不同于近岸海域,廣闊大洋的缺氧現象大約存在于海面下200米至1000米的中層海水中。這一區域的表層、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。

      全球變暖會導致海洋缺氧區形成

      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的形成“推波助瀾”。此外,全球變暖導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

      更強,不利于表層和深水區的物質交換。氧氣向下的輸送會更加困難,讓海洋缺氧更加嚴重。

      大洋環流也是導致海洋缺氧區的重要誘因。“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。在全球變暖的背景下,海洋通風整體上是減弱的,因此更少的氧氣被帶入到海洋內部。”馮玉銘解釋說。

      馮玉銘表示,生物地球化學過程也會對海洋中氧氣的含量產生影響。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,從而導致海洋缺氧區的擴大。

      海洋缺氧區擴大會對海洋生物和海洋生態系統造成什么影響?“溶解氧含量的多少,會對生活在海洋中的好氧生物產生巨大影響。”馮玉銘告訴記者,海洋缺氧區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。

      海洋缺氧區縮小,會對海洋生物、海洋生態造成影響嗎?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。這在古生物學上存在很多支撐證據。但這是一個長期的過程,短時間內作用并不顯著。

      “過于限制缺氧區的存在會嚴重影響地球氮循環,導致厭氧的反硝化過程被遏制,使得海洋氮營養鹽收支平衡失調,這可能造成嚴重的海洋生態系統崩潰。可見,海洋中的物理和生化反饋過程之間是彼此緊密相關的,很多復雜機制會給出我們反直覺的結果。”馮玉銘解釋說。

      “客觀來講,海洋缺氧區的出現是正常現象。但近些年來,人類活動對海洋生態造成了干擾。無論海洋缺氧區面積擴大或縮小,都會打破海洋生態系統原有的平衡,從而產生負面影響。”馮玉銘表示,近年來,各國科學家都在密切關注全球變暖對海洋缺氧區的影響。除了氣候學家、海洋學家,政府管理部門、立法者、公民也應關心海洋、愛護海洋,努力減少人類活動對海洋生態系統的負面影響。

      新研究揭示歷史上海洋缺氧區縮小原因

      在此次新研究中,科學家團隊采取溫度“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,確定海洋缺氧區的范圍。

      “浮游有孔蟲會吸收氮等化學元素,而氮的同位素比率又取決于環境條件。在缺氧條件下,海洋中會發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。當反硝化作用活躍時,15N的比率明顯提高。因此,科學家們可以通過測量這一點來確定早期缺氧區的范圍。”馮玉銘表示,“15N的比率越高,證明反硝化作用越強,則意味著此區域為缺氧區。”

      新研究中,科學家團隊通過對有孔蟲氮同位素研究表明,在出現于1700萬—1400萬年前的中中新世氣候適宜期(MMCO)和出現于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,科學家團隊還發現,在MMCO和EECO兩段暖期,高緯度和低緯度之間的溫差比現在小很多。全球變暖和高低緯溫差減弱都有助于減弱熱帶風,從而減少富含營養鹽的深層海水的上涌,這導致海水表層生物生產力降低,因此,沉入深海的浮游生物的尸體相應減少,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,從而導致整個海洋內部含氧量增加。

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