天气渐凉,难熬的酷暑与我们渐行渐远。可是想起今年夏天频繁的极端高温,恐怕大家仍然心有余悸。


许多人不知道的是,这一年的7月不仅被世界气象组织“官宣”了有气象记录以来气温最高的一个月,有时海水的温度也高得吓人。今年7月13日,美国弗罗里达的海水温度被爆出超过了30℃,去游泳的人说,海水像温泉一样,游泳完全不能降温消暑了。


2023年5月至7月每日海面温度异常(相对于1991~2020年)▼


人都快受不了了,比人更敏感的生物怎么办呢?我们请到了中国科学院海洋所的张武昌研究员给大家解释,全球变暖对浮游生物这一海洋食物金字塔的基石造成了怎样的影响。


研究员表示,全球变暖导致的生态变化,已经成了全球变化研究的核心问题和终极问题。而对他们海洋生态学学者来说,全球变暖怎样影响海洋浮游生物也是个至关重要的问题。


冷知识:痞老板Plankton就属于海洋浮游动物中的桡足类(痞老板:已疯勿cue)


“哪凉快哪呆着去”


浮游生物指的是生活在水里、游泳能力较弱的生物,游速一般还达不到“秒速5厘米”(5cm/s)。世界上最大的浮游生物是南极磷虾(除胶质化浮游动物例如水母、海樽外),最小的是病毒。


浮游生物分类▼


当环境不再适合生存,物种就会大规模迁徙,这句话不仅针对我们日常朝夕相处的飞禽走兽,对于海里小小的浮游生物来说也是如此。


全球变暖的过程中,增加的热量里90%以上被海水吸收。海里所有层次的水温都在升高,但是并不均匀,最上面的表层变暖最为严重。与19世纪中叶相比,海洋表面的温度已经升高了1.5°C,大致与地表大气的升温幅度旗鼓相当。


近一个世纪以来海面温度都在波动上升中▼


海洋生物承受了太多▼


而且,跟我们生活的大气层一样,海里也有海洋热浪,只不过袭来的不是热腾腾的大气,而是热滚滚的海水。有时候,发生海洋热浪的海域能比正常年份温度高出3~5℃



可以想象,当面对难以忍受的高温来袭,海里的生物当然也不可能坐以待毙,而是会往纬度更高、温度更低的方向奔逃,浮游生物也是一样。


温度是影响浮游生物分布最重要的因素,调节着浮游生物的各种生理活动。在适宜的范围内,温度越高,它们体内的生化反应就越快。但如果温度太高或太低,这种反应速率反而会减慢。


不幸的是,浮游生物对过热的水温适应力远远不及过冷,被称为负偏态。也就是说,对浮游生物而言,过热的海水比过冷的海水糟糕得多,全球变暖是一件比变冷更可怕得多的事情。



正常情况下,浮游生物的分布呈现九带式格局:主要包括赤道条带、2个中心区条带、2个亚极区条带、位于中心区和亚极区之间的2个过渡区条带和位于南北半球的2个极区条带。


(横屏)海洋浮游生物地理分布的九带式分布格局▼


从亚热带到两极的海域,科学家都观察到了浮游生物由低纬、高温区域往高纬、低温区域迁移的现象。


在北大西洋,长期监测显示,热带亚热带的浮游动物已经向北扩散。而在南极大陆附近,磷虾虽然没法“上岸”,但分布的中心也在向更高纬度的南极大陆靠近。


浮游生物在1960~2019年期间的区域丰度变化▼


学者佐佐木和丹姆二人研究了海洋升温对桡足类生物的变化。桡足类是海洋浮游动物的主要类群。他们发现,在所有桡足类生物中,生活在海岸附近或者河口的种类最容易被高温“胁迫”,因为不能沉到更深的水层中躲避高温。


不同栖息地桡足类生物热耐受性示意图▼


逃不过热浪?要么适应要么死


浮游生物的游泳速度很慢,所以在海洋热浪面前非常脆弱。在浮游生物生活的每块条带里,纬度更低、更靠近赤道的浮游生物可能在一波海洋热浪之后尸横遍“海”,如死神的镰刀一般,风扫落叶式卷走一片生命。


直到2020年以后,才开始有人研究浮游植物死于热浪的现象。学者塞缪尔斯发现,南大洋硅藻原本生活温度低于2.5℃,如果温度升高到7.5℃或者9.2℃并且持续9天,这种硅藻会死亡过半。


热浪带来的温度上升对浮游生物来说可能是致命的▼


此外,科学家还发现了一个有趣的现象:同一海区的桡足类能够耐受的最高温度(高温临界温度)与生物个体的大小成反比。也就是说,这种生物个头越大,就越不容易活过海水升温。因此,个头越大的浮游生物,能够存活的温度范围就越小,也就越容易灭绝。


一些桡足类生物,长得怪有趣的(还是痞老板的原型,图:wiki)▼


桡足类的临界高温和其体长的关系▼


对于北冰洋的优势物种极北哲水蚤来说,北冰洋的升温甚至带来了局部地区的灭绝,因为它的幼体对升温非常敏感,一次升温能让一片海域内年轻的极北哲水蚤夭折殆尽。


极北哲水蚤,就是这货,其饱含脂肪,在北冰洋是大型生物优质的饵料和能量来源(图:NOAA)▼


好消息是,情况不总是这么悲观,浮游生物的高温耐受性也可以被“自然驯化”,耐高温的能力可以随着环境做出调整和改变。例如来自不同海域的近岸桡足类汤氏纺锤水蚤能耐受的温度范围在22~38°C之间,克氏纺锤水蚤能耐受的温度在28~42°C之间,等等。


与此同时,海水变暖使得海里的春夏开始的时间提前,而秋冬开始的时间延迟。海洋生物为了适应这些变化,生活的节奏也改变了很多。


在北冰洋的白海,1961~2018年期间,5~6月的平均温度升高了3℃,春天开始的时间提前了19天,夏天到来的时间提前了27天,无冰期提前了22天,夏天持续的时间增加了35天。


研究中站点温度和桡足类物种丰度的季节动态▼


相应地,当地的浮游生物极北哲水蚤开始出现的时间提前了25天,消失的时间提前了15天,而挪威小毛猛水蚤开始出现的时间提前了21天。


其他种类也都有不同程度的变化。


除了调查资料之外,实验室内的升温培养也可以帮助了解物候的变化。在实验室里,科学家发现,温度越高,极北哲水蚤产卵开始的时间会越提前,与0°C相比,3℃ 和6°C的培养条件下,它们产卵时间分别提前了17天和24天,产卵的持续时间分别减少了8天和30天。


后果是什么?


有一句话叫“牵一发而动全身”。小小的浮游生物深受全球变暖影响,而后续一系列连锁反应又是如此之大,以至于已经上了岸的人类也无法忽视,其中最直接的影响就是它下游的食物链。


大鱼吃小鱼,小鱼吃虾米,海洋浮游生物是海洋食物网的基础(举个大白鲨的食物链为例,图:sciencefacts)▼


首先是浮游植物的减少。海洋整体在变暖,但并不均匀,表层海水升温幅度比深层大得多,海水各层的物理条件差得越来越多,被称为“层化加剧”。


海洋不是一个均匀的水体,其随深度的不同密度也会发生变化▼


然而,海水中的营养盐主要来自海洋深层,层化加剧使得深层营养盐更难到达海洋表层,所以依赖这些营养物质的浮游植物处境也不太妙。一项研究显示,在过去60年中,西印度洋的浮游植物数量已下降20%。


研究以叶绿素浓度作为浮游植物生物量的指标,可以看到1950到2005年的60年间西印度洋的叶绿素分布呈负趋势▼


然后,以这些浮游植物为食的浮游动物也跟着减少,而且比浮游植物还惨。大体来说,温度升高对动物的促进作用比植物和微生物更加明显,所以升温之后浮游动物的食量也会比以前还大。


更糟糕的是,温度升高还会导致食物链传递能量的效率更低,而且越是接近食物链顶端的生物,摄取营养的效率降低得就越多。可想而知,浮游动物减少的数量只能比浮游植物更多。


2019年有模型研究表明,在高二氧化碳排放情境下,将来浮游植物生物量平均会减少6%,而浮游动物则平均减少14%。


接下来你一定已经猜到了——以浮游生物为食的海洋动物跟着减少,渔业捕捞也大受影响。据联合国气候小组2019年的一份报告称,由于气候变化,到21世纪末,海洋动物的数量可能会减少15%,渔业的捕捞量则可能减少21%~24%。


总的来看,对北半球的影响程度大于南半球▼


此外,海洋浮游生物从低纬度向高纬度迁移的趋势,也会成为了海洋里其他生物、乃至一个区域内的整个生态网络跟着向高纬度移动的原因之一,以后各个渔场应该也要从低纬度往高纬移动。


目前,科学家对这种质变非常关注,有科学家认为,一个海区的系统的变化如果大到发生了质变,就很难再回到以往的状态。全球变暖对地球和海洋的影响恐怕比我们想象的要大太多,而我们也必须做好准备。


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本文来自微信公众号:地球知识局 (ID:diqiuzhishiju),作者:张武昌(中国科学院海洋研究所研究员),校稿:夏虫,编辑:果栗乘