氣候變化下的深海世界

張文韜/編譯

氣候變化下的深海世界

張文韜/編譯

深海吸收了大量的熱量和二氧化碳，是應(yīng)對氣候變化的重要緩沖，但在水溫升高、海洋酸化、脫氧作用和糧食投入改變的聯(lián)合壓力下，海洋的生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱。由此引起的變化可能會威脅到海洋的生物多樣性，危害海洋的關(guān)鍵功能，不利于保持健康的地球生態(tài)和人類生活。目前，針對將發(fā)生的深海物理和生態(tài)反饋的理解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。明確承認(rèn)深海能減緩氣候變化并將其納入聯(lián)合國氣候變化框架公約（UNFCCC）的規(guī)劃，有助于發(fā)展深海研究和觀測，保護(hù)深海生態(tài)系統(tǒng)的完整性和功能。

地球上大部分生命的棲息地不是陸地。90%以上適于生命居住的地方是海平面以下200米的深海。在這個疆域遼闊的王國里，有著與陸地完全不同的生態(tài)系統(tǒng)，通過吸收大氣中的熱量和CO2來調(diào)節(jié)地球氣候。深海能緩解溫室效應(yīng)，但在此過程中，海水溫度升高、酸化、含氧量減少。這些變化危及海洋的可持續(xù)產(chǎn)出、生物多樣性和生物資源供應(yīng)。深海生物多樣性的潛在損失可能抑制適應(yīng)能力，并減少物種、基因、生物分子的種類。深海的調(diào)節(jié)能力能減緩氣候變化，同時回收利用陸地生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)物質(zhì)，出產(chǎn)食物，提供經(jīng)濟(jì)和社會效益。但是，探索廣闊的深海耗資巨大，其大部分物種尚不可知。在深海中，大部分氣候變化的影響將仍然是未知數(shù)，只有在其脆弱的生態(tài)系統(tǒng)上才能反映出來。

與陸地和近岸海洋不同，深海生態(tài)系統(tǒng)擁有一些特性，形成自己應(yīng)對氣候變化的響應(yīng)機(jī)制。基于衛(wèi)星測繪和機(jī)器人的研究表明，海底地形非常復(fù)雜。海底山脈、峽谷、深海熱泉和甲烷冷泉等深海棲息地，是生物多樣性和生物總量的熱點地區(qū)，集中了光合作用和化學(xué)合成的能量，是重要商業(yè)資源的來源地。

不僅如此，在缺乏營養(yǎng)的海水下，也存在廣闊的深海棲息地。在這些地方，時間幾乎靜止不動。經(jīng)過數(shù)百萬年才能形成土豆大小的錳結(jié)核，生物生長緩慢，受到人為干擾后完全恢復(fù)可能需要百年以上。海洋表面的熱量、氧、CO2以及顆粒有機(jī)碳（POC）通過海洋環(huán)流和混合作用與深海生態(tài)系統(tǒng)相通，深海生態(tài)系統(tǒng)由此與氣候變化直接相連。在這類深海環(huán)境中，動物能活幾百年（魚）到幾千年（珊瑚群）。壽命長久、環(huán)境穩(wěn)定，決定了這里的適應(yīng)能力有限，從海底變化到魚類產(chǎn)量或碳封存變化產(chǎn)生可檢測的變化可能需要很長時間。目前全球海洋總面積一半以上的水域不在任何

圖1.深海中的人類活動與氣候變化。該圖說明了人類目前和計劃中的海洋開發(fā)活動，這些活動與廢物處理將在海水中引入二氧化碳，從而在海洋的不同深度引起溫度、pH以及氧化等方面的變化。在大陸邊緣和半深海區(qū)，人為原因和氣候壓力將最大限度重疊，而在深海中的變化將危及全球國家管轄范圍內(nèi)，不同的監(jiān)管機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)管理水中的生物資源和海底礦產(chǎn)資源，而對于在氣候變化下的易受到損害的生物多樣性，其保護(hù)政策尚處于真空期。

圖2.與氣候壓力相互作用的勝利者與失敗者。（A）由于海水變暖，帝王蟹入侵南極帕爾默半島附近深海。（B）最近在大西洋沿岸，水溫升高促進(jìn)海底的甲烷釋放，冷泉生物群增多。（C）地中海峽谷中，冷水珊瑚礁容易受到水溫變暖和酸化的影響。（D）在東太平洋邊緣，具有缺氧耐受能力的洪堡魷魚（莖柔魚）分布范圍變廣，與缺氧海域的擴(kuò)張范圍一致。[圖片來源：（A）K.赫爾曼和C·史密斯攝，美國國家科學(xué)基金會LARISSA和根特大學(xué)HOLANT項目。（B）Deepwater Canyons 2013-Pathways to the Abyss攝，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）探索與研究辦公室，美國地質(zhì)調(diào)查局。（C）N.Le Bris攝，生態(tài)地球化學(xué)海底環(huán)境實驗室（LECOB），UPMC基金會。（D）R·斯塔爾（LECOB）攝，NOAA-科德爾·貝克國家海洋保護(hù)區(qū)]

海水升溫

在氣候相關(guān)的時間尺度（通常為幾十年）上，缺乏深海的長期水文和生物多樣性數(shù)據(jù)。不過重復(fù)的海洋測量已經(jīng)能估算深海盆地中10年間水溫升高的情況，每10年，全球海洋水溫平均升高0.1°C。然而，不同的深海盆地具體情況也各有不同。例如，在北極和大洋南部，有記錄的升溫率要高得多。

大多數(shù)深海物種生活在非常穩(wěn)定的水溫條件中，水溫升高1℃，甚至不到1℃就可能向物種施加壓力，導(dǎo)致物種分布發(fā)生變化，改變物種相互作用。在南極帕爾默半島附近，升溫閾值是1.4℃，超過闋值后，石蟹就會入侵，這種貪婪的捕食動物出現(xiàn)是水底無脊椎動物的滅頂之災(zāi)。在地中海，自然升溫的海水會達(dá)到13°至14°C，這個溫度將接近深水珊瑚的承受閾值。在半封閉式海洋盆地里，劇烈的深水對流活動使水溫升高過程快速而不均勻，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的快速變化且很難預(yù)測。

在半深海區(qū)（200至2000米）上部，水溫升高還會分解天然氣水合物，從大陸邊緣釋放更多的甲烷。氣候引起的暖流移動（如墨西哥灣流）可能從海底釋放出數(shù)億噸甲烷冰，超過了能氧化甲烷的滲透微生物和動物生物群的緩沖能力。

酸化

過量吸收大氣中的CO2、水體中有機(jī)物的氧化都是全球中等深度水域酸化的原因；隨之而來的是，富含CO2的海水通過溫鹽環(huán)流造成北大西洋迅速酸化。對目前深海中的由酸化引起的生物學(xué)后果還缺乏直接觀察，深海生物研究也還很少，因為要想在實驗室中保持深海生物存活很不容易。CO2濃度增加會減少鈣質(zhì)殼體生物在多個生長階段的適宜棲息地范圍，因為能腐蝕（不飽和的）碳酸鈣的水層深度將向上移動?？茖W(xué)家特別關(guān)注酸化對深海珊瑚的影響，珊瑚的三維碳酸鈣結(jié)構(gòu)就像巨大的花園，滋養(yǎng)高度多樣化的生物群落，為經(jīng)濟(jì)魚類提供關(guān)鍵棲息地。在不飽和碳酸鈣的自然水域中很少有深海珊瑚生長，表明這些基礎(chǔ)物種生長所需的能量消耗在這些條件下增高。

脫氧作用

變暖的海洋含氧量更少。溫暖的海洋比較容易分層，因為溫水比冷水密度小，密度梯度增加會減少垂直混合作用。溫暖海水中氧的溶解度降低，同時溫差分層增加，這樣的組合效應(yīng)造成大面積水域含氧量減少，稱為脫氧作用。在水深200至700米的海水中，脫氧作用具有重大影響，50年來，它已經(jīng)在東太平洋和印度洋熱帶和亞熱帶海域形成大片自然缺氧帶。全球自然形成的低氧區(qū)（最小含氧區(qū)或OMZs）不斷擴(kuò)張，已導(dǎo)致不能在水底生活的、海洋中層的、長嘴魚類等多種生物的棲息地壓縮，同時如洪堡魷魚等缺氧耐受性品種的棲息地擴(kuò)張。氧對海洋生物多樣性有巨大的控制力，能影響物種的進(jìn)化、生理、繁殖、行為和物種之間的相互作用。就如同厄爾尼諾——南方濤動（ENSO）所引起的氧含量變化所示。除歷史核心數(shù)據(jù)，目前還很少有長期研究把氧含量下降與深海海底現(xiàn)存生態(tài)系統(tǒng)的變化聯(lián)系起來。

有機(jī)物通量和流體力學(xué)

海水分層增加不僅限制深水區(qū)的空氣流通，也減少了深海對海水表面的營養(yǎng)供給，深海是有機(jī)物重復(fù)利用的場所?？茖W(xué)家推斷，浮游植物產(chǎn)量減少將導(dǎo)致流到深海的POC通量變少，特別是在中低緯度地區(qū)。在大面積貧營養(yǎng)水域內(nèi)，本已缺乏食物的深海平原可能會進(jìn)一步失去有機(jī)物供給，從而降低底棲生物量、改變呼吸作用和生物擾動速度。從全球來看，在10年至1個世紀(jì)的時間尺度上，預(yù)測表明了類似的趨勢，影響了80%的生物多樣性熱點地區(qū)，如峽谷或海山。但地區(qū)差異明顯，如東北太平洋等上升流水域下方的深海，在10年周期上POC通量增加。此外，這一過程對氣候比較敏感，由大氣過程（風(fēng)暴引起的對流，中尺度渦，高密度瀑布流）調(diào)控的短期事件會加速表面和深水域之間交換。這些事件可以通過干擾棲息地和增強(qiáng)的POC通量影響深海底棲生物，控制著深海生態(tài)系統(tǒng)維持漁業(yè)生產(chǎn)和提供重要的調(diào)節(jié)性服務(wù)的能力。

“削減和停止二氧化碳排放毫無疑問是防御的第一道防線，但是……深海將繼續(xù)經(jīng)受累積排放的影響。”

應(yīng)激源相互作用

正如在淺水區(qū)一樣，深海生態(tài)系統(tǒng)中氣候壓力間的相互作用是復(fù)雜的。例如，氣候變暖加上酸化預(yù)計將使南澳大利亞邊緣不再適合深海珊瑚棲息。半深海區(qū)的OMZs正在擴(kuò)大，人為產(chǎn)生CO2酸化進(jìn)一步增強(qiáng)，因為同樣的過程消耗氧（呼吸作用）釋放出二氧化碳。中層水域脫氧面積不斷擴(kuò)大，上層海域變暖和酸化，組合作用使海洋中垂直回游魚類和磷蝦等物種的棲息地不斷減少。它們擠在狹窄的海底峽谷，只在晚上游到海洋表面獲取食物和氧氣，增加了被天敵捕獲的可能性。對于大多數(shù)深海物種，氧應(yīng)激縮小熱容差和pH/CO2容差或降低鈣化率的可能性還有待檢驗。但最近的研究表明，生態(tài)系統(tǒng)的工程師——Lopheliapertusa珊瑚正受到明顯的威脅。Lopheliapertusa是一種深水珊瑚，是很多其他物種的棲息地。

在過去的進(jìn)化歲月中，物種不斷適應(yīng)各種氣候壓力，所以今天在海洋中我們可以看到各種適應(yīng)壓力的生物。但是對于大多數(shù)深海物種，沒有關(guān)于變化范圍、生理變化、生活史的改變，或迅速進(jìn)化適應(yīng)深海氣候變化的具體資料。

人類對食品、能源和原材料的需求不斷增長，在大陸邊緣和許多海山中開展了過度捕撈、地形改造、石油和天然氣開采、廢物處理等活動，并正在計劃礦產(chǎn)開采。海洋中的許多區(qū)域因此將遭遇劇烈升溫、pH下降和缺氧，也會經(jīng)歷人為壓力的增加。在北大西洋、地中海和澳大利亞南部海域的深海珊瑚棲息地可能會受到最大的影響，因為氣候變化和深海海底捕撈的直接影響都主要作用在此。氣候和人為干擾集中，影響不斷積累，將可能改變深海生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)有狀態(tài)和功能，減少海洋所提供的資源。

減緩和適應(yīng)

如何緩解氣候變化在海洋深處造成的影響？減少和停止CO2排放毫無疑問是防御的第一道防線，但在未來幾年深海將繼續(xù)經(jīng)受累積排放的影響。使用地質(zhì)工程來緩解深海的變化有很多風(fēng)險難以控制，手段包括用鐵元素使海表面營養(yǎng)化、海洋堿化（在上升流區(qū)的表面海水中加石灰石，以減少二氧化碳含量）或在深海注入二氧化碳。目前來說，任何改變深海和海洋表面性質(zhì)的行動，都不可避免地會影響深海動物密度和養(yǎng)分的分布。地質(zhì)工程的影響將疊加在深海中已經(jīng)發(fā)生改變的食物供應(yīng)上。

減輕氣候變化對深海影響的方法確實很有限。目前所采用的方法，一是用空間規(guī)劃限制直接的人為干擾，例如通過建立深水海洋保護(hù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)，可能有助于為瀕危物種及其棲息地提供庇護(hù)，并能降低累積的壓力；二是用保護(hù)措施以減少來自海底拖網(wǎng)捕魚、尾礦處理、石油和天然氣開采等活動的物理和化學(xué)擾動，緩解生物棲息地喪失和降低物種及其生態(tài)功能滅絕的幾率，尤其要保護(hù)海底采礦區(qū)，這些區(qū)域所發(fā)生的水溫升高、酸化和脫氧現(xiàn)象最為嚴(yán)重。

為了應(yīng)對未來氣候變化，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》必須認(rèn)識到深海的重要性，應(yīng)該更多地關(guān)注預(yù)測和報告深海的緩解作用和產(chǎn)生的影響，在公約中明文承認(rèn)深海的脆弱性和重要性，同時調(diào)配相應(yīng)的資金來進(jìn)行成本高昂的深海觀測和生態(tài)系統(tǒng)研究。對于深海過程及其功能的調(diào)查將能建立起全球的碳預(yù)算和反饋模型，為開發(fā)利用深海有關(guān)資源的決策提供信息。然而，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》只是國家協(xié)議，64%的海洋不屬于任何一個國家管轄，因而將不會被公約自動覆蓋。沒有國家對保護(hù)這部分海域生態(tài)系統(tǒng)的緩解潛力和恢復(fù)能力負(fù)有明確責(zé)任。目前，關(guān)于氣候、生物多樣性和可持續(xù)發(fā)展的法律條約談判正在進(jìn)行，將有助于在全球范圍內(nèi)建立對深海生態(tài)系統(tǒng)長期的觀察和監(jiān)測。范圍將包括所有因為氣候而發(fā)生改變的海域，無論是否在特定國家管轄范圍內(nèi)。在未來幾十年中，這些觀測數(shù)據(jù)對于決策者和地球生物圈大多數(shù)物種來說，都是至關(guān)重要的。

[資料來源：Science][責(zé)任編輯：粒灰]