海洋热浪正在扰乱地球的“隐形气候引擎”

为探究海洋热浪对海洋食物网和碳流动的影响，研究团队整合了阿拉斯加湾十多年来追踪水柱中生物状况的多个数据集。该区域在此期间经历了两次连续的海洋热浪，一次是2013至2015年被称为“Blob”的热浪，另一次是2019至2020年的热浪。

第一作者玛丽安娜·比夫（曾是MBARI的研究专家，现为罗森斯蒂尔学院海洋科学系助理教授）表示：“海洋存在生物碳泵，它通常像传送带一样将碳从表层输送到深海。这个过程由构成海洋食物网基础的微生物驱动，包括细菌和浮游生物。在这项研究中，我们想追踪海洋热浪如何影响这些微生物，以了解这些影响是否与产生并输送到深海的碳量有关。”

研究团队使用了全球海洋生物地球化学阵列（GO-BGC Array）收集的信息。这是一项由美国国家科学基金会资助、MBARI牵头的合作计划，利用机器人浮标监测海洋健康。GO-BGC项目已部署了数百个自主生物地球化学阿尔戈（BGC-Argo）浮标，这些浮标每5至10天在整个水柱中上下测量海洋状况，如温度、盐度、硝酸盐、氧气、叶绿素和颗粒有机碳（POC）。该团队还查看了基于船舶调查的季节性数据，这些数据追踪浮游生物群落组成，包括色素化学分析和对海水样本中环境DNA（eDNA）的测序——这些样本是在加拿大渔业和海洋部开展的Line P计划中收集的。

研究发现，海洋热浪确实会影响海洋食物网的基础，且这些影响与水柱中碳循环方式的变化有关。然而，两次热浪期间食物网发生的变化并不一致。

在正常情况下，类似植物的浮游植物将二氧化碳转化为有机物质。这些微生物是海洋食物网的基础。当它们被较大动物摄食并作为废物排泄时，会转化为有机碳颗粒，从表层下沉穿过海洋中层带（或称微光带，深度200至1000米，约660至3300英尺）到达深海。这个过程将大气中的碳锁定在海洋中数千年。

在2013-2015年的热浪期间，光合浮游植物在第二年的表层碳产量较高，但这些小碳颗粒并未迅速沉入深海，而是堆积在水下约200米（约660英尺）处。

在2019-2020年的热浪期间，第一年表层碳颗粒的积累量达到历史新高，这不能仅归因于浮游植物的碳生产。相反，这种积累可能是由于海洋生物对碳的再循环和碎屑废物的堆积。随后，这股碳脉冲沉入微光带，但停留在200至400米（约660至1320英尺）的深度，而非沉入深海。

研究团队将两次热浪之间碳传输的差异归因于浮游植物种群的变化。这些变化在食物网中产生级联效应，导致小型食草动物数量增加，而这些小型食草动物不会产生快速下沉的废物颗粒，因此碳在表层和上层微光带被保留和再循环，而非沉入更深的海底。

比夫说：“我们的研究发现，这两次重大海洋热浪改变了浮游生物群落，扰乱了海洋的生物碳泵。将碳从表层输送到深海的‘传送带’发生了堵塞，增加了碳返回大气而非被锁定在深海的风险。”

这项研究表明，并非所有海洋热浪都是相同的。在这些变暖事件中，不同的浮游生物谱系兴衰起伏，这凸显了对海洋生物和化学状况进行长期、协调监测的必要性，以便准确模拟海洋热浪多样且广泛的生态影响。

MBARI资深科学家肯·约翰逊（GO-BGC项目的首席研究员、该研究的合著者）表示：“这项研究标志着海洋监测进入了一个令人兴奋的新篇章。要真正了解热浪如何影响海洋生态系统和海洋过程，我们需要事件发生前、发生期间和发生后的观测数据。这项研究整合了机器人浮标、色素化学分析和基因测序，共同讲述了完整的故事。这是合作帮助我们解答有关海洋健康关键问题的绝佳例子。”

海洋观测和模型表明，在过去几十年中，海洋热浪的规模不断扩大，强度不断增加。海洋每年吸收四分之一的人为排放二氧化碳，这得益于碳颗粒从表层稳定下沉到深海。海洋变暖可能意味着被锁定的碳减少，进而可能加速气候变化。除了碳传输的变化外，海洋食物网基础的浮游生物变化还会对海洋生物和人类产业产生级联影响。

比夫说：“气候变化导致海洋热浪更加频繁和强烈，这凸显了持续、长期海洋监测的必要性，以了解和预测未来海洋热浪将如何影响生态系统、渔业和气候。”

这项工作由美国国家科学基金会的GO-BGC项目（NSF奖1946578，运营支持来自NSF奖2110258）资助，此外还得到了大卫与露西尔·帕卡德基金会、中国国家自然科学基金（编号：42406099）、中央高校基本科研业务费（编号：20720240105）、丹麦深渊研究中心（编号：DNRF145）以及加拿大渔业和海洋部Line P计划的支持。