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责任者:张灿影发布时间:Oct 8, 2018点击量:334 来源栏目:研究报告

2017年海洋科学领域发展态势概览

中国科学院海洋研究所文献信息中心 张灿影

编者按:海洋占地球表面面积的71%,但却是地球上人类认识最少的区域,其巨大的科学研究潜力和丰富的资源前景,吸引了各海洋强国的广泛关注,各国和各相关国际组织持续加强在海洋科学领域的投入和研究。本文主要基于对 2017年国际海洋科学领域的重要科学战略规划、重要科技进展和重要科技文献等,对2017年国际海洋科学领域研究问题进行了分析概括,总结了十大科学前沿问题,供读者参阅,以期为我国海洋科技研究人员提供资料和借鉴。

1.海洋塑料垃圾污染问题受到高度关注

海洋中塑料和微塑料的数量日益增多,它们对生物和生态产生显著影响,根据2015年《Science》的报道,每年有将近千万吨塑料垃圾进入海洋,而到2025年这一数量将达到目前的十倍[1]。海洋塑料污染威胁着海洋生态系统、人类健康和经济活动,已成为全球性环境问题[2]。研究记录显示,深海和浅海的垃圾主要是塑料产品,最常见的污染物对海洋生物的影响是海洋垃圾对海洋生物的缠绕,在已报道的案例中,有80%的案例都是垃圾缠绕导致海洋动物的死亡。第二个直接影响是海洋动物对垃圾的误食,包括废纸、木制品和合成材料。海洋水体中外来物种的入侵是导致生物多样性损失的最大原因之一,它还对生态系统的完整性和功能作用造成威胁。海洋垃圾充当了这种生态损失的帮凶:外来物种经常利用海洋垃圾作为自己的栖息地,并将垃圾作为自己的媒介扩散到新的区域造成生物入侵。欧洲海洋战略框架指令(MSFD)指出,海洋垃圾对海洋环境产生明显压力,必须多加关注。海洋垃圾是MSFD用来描述好的海洋环境状态的7个指标之一[3]。据Alfred Wegener极地与海洋研究所(AWI)2月份的一项研究报道,北冰洋深海站的海洋垃圾集中度在短短十年内增加了20倍[4],这些垃圾主要是塑料袋、玻璃碎片和渔网,北冰洋深海垃圾量的持续增加对其脆弱的生态系统构成了严重威胁。通过整合所有与海洋垃圾有关的已发表的科学数据,阿尔弗雷德魏格纳研究所(Alfred Wegener Institute)的研究人员建立了AWI Litter base数据库,该数据库完整呈现了海洋垃圾的分布及其与海洋生物之间的相互影响,帮助研究人员评估并了解海洋垃圾在全球海洋中的数量和分布模式。4月份,日本海洋科技中心国际海洋环境情报中心利用无人潜器和潜水调查船拍摄的影像和图片,拟建立深海生物与海底影像数字图书馆(JAMSTEC E-library of Deep-sea Images),在信息处理过程中,对海底垃圾进行了详细分类,提取出海底垃圾信息,完成了“深海碎片”数据库(Deep-sea Debris Database)并上线公开服务[5]。

世界多处发现海洋生物摄入塑料的证据,2月13日,英国纽卡斯尔大学研究人员发表在《Nature Ecology & Evolution》上一项研究称,从相距7000公里、深度超过1万米的马里亚纳海沟和克马德克海沟采集的端足目样品分析结果显示,脂肪组织中含有高浓度的持久性有机污染物(POPs),包括多氯联苯(PCBs)和多溴联苯醚(PBDEs)等常用在电子绝缘体和阻燃剂领域的有机物[6]。7月份普利茅斯海洋实验室发表在《Environmental Pollution》上的一项研究验证了鱼类幼虫摄取海洋中微塑料,包括纤维物质,是同时评估水中微塑料浓度和鱼类幼虫摄入量的首次研究[7]。8月16日,由蒙特利海湾研究所(MBARI)的研究人员发表在《Science Advances》上的一项研究表明,滤食性动物巨型尾海鞘可以在深海中摄食和收集微塑料颗粒。这些微塑料颗粒富集在尾海鞘废弃的过滤器中,也可通过动物的粪便排放到海水中,随即在海洋中迅速下沉到海底。通过这种方式,尾海鞘间接地将微塑料颗粒携带到海底[8]。

2.海洋微生物固碳作用取得新突破

海洋是地球上最大的碳库,在气候变化中扮演着举足轻重的作用,其中的一个重要机制就是生物固碳。沃里克大学研究人员发表在6月26日《Nature Microbiology》上的一项研究首次全面揭示了保持海洋稳定的基础微生物间的相互作用,研究发现,海洋中最丰富的两种微生物—光合细菌和异养细菌,在营养循环方面通力合作,从大气中获取碳转化为能量供给海洋生态系统。此前的主流科学观点认为,海洋光合生物和异养生物是竞争关系,对海水中的稀缺营养物质展开争夺。光合细菌消耗无机营养物质进行光合作用固碳,而形成的有机碳可作为异养细菌的碳源和能量来源,重新将碳变为无机营养物的形式供光合细菌使用[9]。

200米以深的海域占整个海洋的90%。然而,关于此处的微观生命及其在将二氧化碳转化为细胞物质、蛋白质、碳水化合物和脂质方面的关键作用却知之甚少。深海中大部分碳元素的固定发生在海洋表面200-1000米之间的中层海域,固碳微生物的种类及所使用的能源一直以来都是个谜。11月24日,《Science》期刊发表了美国缅因州毕格罗实验室科学家的一项研究,通过分析深海水样品中的基因组数据研究人员发现,亚硝酸盐氧化细菌在二氧化碳循环过程中发挥了重要作用,尽管亚硝酸盐氧化细菌的丰度相对较低,但每年在中层海域能够捕获超过11亿吨的二氧化碳。在本研究之前,古细菌被认为是深海中固定二氧化碳最多的微生物,然而本研究发现亚硝酸盐氧化细菌在二氧化碳固定过程中的贡献比古细菌大得多[10]。伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)研究人员估计,利用等压气密取样器(IGTs)在东太平洋隆起处一个被称为Crab Spa的热液喷口处收集了含有微生物的流体样本,并利用纳米稳定性同位素质谱技术(NanoSIMS)进行分析,结果表明一种被称为Campylobacteria的微生物,之前被称为Epsilonproteobacteria,是主要的碳生产者,每天全球深海热液系统微生物群落能够产生4000吨有机碳,这与200头蓝鲸产生的碳量相当,为几乎没有碳存量的深海环境下其它生物提供了重要食物和能量来源,筑成了深海生命的基础[11]。

3. 深海物种新发现

深海的地形地貌呈复杂、多样的特点,加之生物物理耦合作用、多变的水文条件,导致深海的生境极为复杂化、多样化,人们对生存在其中的物种所知不多。2014和2017日本海洋科学技术中心利用HOV和ROV对马里亚纳海沟再次进行多次下潜,收集了37个来自6900米到8000米海沟深处的生物样本,通过DNA测序分析和骨骼结构的三维扫描,发现了一个新物种-马里亚纳狮子鱼(Pseudoliparis swirei),这是目前为止发现的海洋最深处的鱼,并对其形态学、生物学、分布和系统发育关系进行了分析,研究结果已发表在11月28日出版的《Zootaxa》期刊上[12]。加州大学圣地亚哥分校斯克瑞普斯海洋研究所的研究人员在加利福尼亚湾深处(1722米)发现一条10厘米长的深海蠕虫,是目前已知的该属中的六种物种之一,取名为Xenoturbella churro[13]。日本筑波大学研究人员在西太平洋海底发现了一蠕虫新物种,并命名为Xenoturbella japonica,这一发现有助于理解两侧对称动物的早期演化过程[14]。加利西亚大学的一项新研究描述了属于Photidae和Corophiidae科的两个甲壳动物新种,并将其命名为Photis guerrai和Pareurystheus vitucoi,两个物种都很小且没有眼睛,只有几毫米长。研究人员称,这类甲壳动物在海洋中非常重要,因为它们代表了许多海洋生态系统中营养链的基础,在这些深度的动物物种中,最常见的适应包括视觉结构的缺失和较小的尺寸,这使得它们能够承受很高的压力[15]。新加坡国立大学科学家们在英国海底资源有限公司和新加坡海洋矿物公司的特许勘探区(CCZ东部地区)发现了一个全新的海绵,不仅是一个新物种,而且是一个新的属,取名为Plenaster craigi,其可能是监测未来深海多金属结核开采带来的影响的一个关键指示物种,它们可能是该地区最丰富的以金属结核为栖息地的动物[16]。

4.海洋酸化和气候变化对海洋生态系统的影响

海洋可以大量吸收各种人类活动产生的二氧化碳,降低温室气体水平,减缓人类因素驱动的气候变化。由于海洋吸收了大量的二氧化碳致使自身的pH值下降,带来了“海洋酸化”问题。海水酸性的增加,将改变海水化学的种种平衡,以碳酸钙为主的栖息地预计将降低其物种多样性,如珊瑚礁和贝壳床。1月9号,《Nature Communications》上的一篇报告从区域适应性角度定义了未来海洋酸化的敏感度,并揭示了海洋酸化对物种分布的潜在影响。该报告称,北部和南部海域边缘物种对海洋酸化最为敏感,并有可能无法承受生物地理学和多样性变化带来的影响,如果海洋酸化选择性地对抗敏感的边缘范围基因,这可能导致遗传多样性水平的下降,也将对该种群应对和进一步适应其他当地和全球压力的能力有着深远影响[17]。普利茅斯海洋实验室科学家发表在3月13日《Nature Ecology & Evolution》期刊上的研究提出,以往的海洋酸化实验并未完全考虑到物种对其环境变化的自然恢复能力,特别是在沿海地区高度可变的环境中,pH/CO2水平比在开放海域波动更大,所以,很可能低估了海洋酸化对沿海生物的不同生理特性的影响[18]。

2017年3月份,英国国家海洋中心(NOC)发表在《Nature Communications》、《Science》和 《Global Change Biology》三大重要期刊上的三篇论文研究了气候变化对海洋生物的影响。《Science》论文认为,末次盛冰期以来,目前气候变化引起了全球最大的物种再分配[19]。《Global Change Biology》论文调查了海洋生态系统是否会随着洋流的变化而改变,发现,对于洋流是否协助或阻碍海洋物种从极地环境到较冷的水域以对抗气候变暖,现有的环流模式各不相同,但科学家们能够确定全球海洋中传播途径变化最明显的区域[20]。《Nature Communications》论文研究表明如果CO2排放量保持在现有水平,在未来十五年内超过一半的海洋可能会遇到多重压力合,如酸化、脱氧或变暖。然而,研究也表明,如果采用减缓气候变化的措施,它将在20年内减缓多个压力源的发展[21]。英国南极调查局(BAS)发表在9月4日《Nature Climate Change》的一个研究小组通过用计算机模拟海洋变暖,测试了超过900种海底陆架上栖息的海洋无脊椎动物在变暖情况下可能的分布模式。他们推断,尽管某些区域的一些物种将在变暖中受益,但位于该地区的79%的物种将会被淘汰[22]。2017年9月26日的《Frontiers in Marine Science》杂志上又发表了英国南极研究所(BAS)的科学家领导的一项新的跨学科研究,强调需要采用综合的方法来了解气候变化对南极海洋生态系统的影响。这篇论文发表在上,并入选了《Nature Climate Change》杂志的研究亮点。路易斯安那州立大学(LSU)的教授R. Eugene Turner发表在10月7日《Geo Geography & Environment》上一项最新研究显示,随着海洋温度的上升,一种最重要的经济鱼类鲱鱼的体重、体长和整体大小在逐渐缩小[24]。

5.深海油气矿产资源开采对生物多样性的影响

深海海底覆盖大量结核,这些结核是土豆大小的岩石,含有大量的铜、锰、镍等稀有金属,考虑到深海海底资源潜在的巨大经济利益,国际上其他国家已经开始了深海海底勘探和开发的活动,而国际海底管理局已向太平洋沿岸地区的许多国家发出勘探许可证。但多金属结节区域内的动物比没有结核或含量较低区域的动物具有更高丰度和多样性,开采海底结核资源很可能具有高度破坏性,英国国家海洋学中心(NOC)的科学家首次模拟了采矿活动的小规模海底干扰并检验了相应影响。研究结果发现,深海采矿活动对海洋生态系统产生了至少持续几十年的明显影响,甚至是永久性的[25],而深海恢复的时间从几年到几百年不等,而且部分热液喷口生态系统可能永远无法恢复[26]。在过去的几十年里,深海热液喷口和海底冷泉的栖息地受到各种人类活动的威胁越来越大,深海生态系统多样性受到了严重的毁坏。据估计,200 m以下的海底有超过百万平方公里的区域被拖网扫过[27],在未来的10年里,对石油、天然气和矿产的采掘将会在更深的水域展开[28]。2014年nature发文称为维护和修复深海生物多样性及其功能,在2020年之前应设立正式的管理机构和基金,在国家政府和国际机构的支持下,制定一个全球性的保护策略[29]。IMAS与澳大利亚科廷大学海洋科学和技术中心(CMST)的科学家们通过测试塔斯马尼亚州南部的海洋,研究了商业地震测量对浮游动物种群的影响。研究发现,通常用于海洋石油勘探的气枪信号对目标物种有显着的负面影响,导致死亡率从18%提高到40-60%[30]。

6.深海药物研究获重大进展

深海是地球上最“极端”的环境之一,生活在那里的微生物是公认的新型天然产物的极好来源。佛罗里达大西洋大学(FAU)海港分校海洋研究所的最新研究结果从海绵中分离出了新型吲哚化合物,并阐明了其结构和生物活性。新化合物被命名为dragmacidin G,具有广谱的生物活性,包括对对结核病、恶性疟原虫和胰腺癌细胞系的抑制作用,研究成果发表在2017年1月份《Marine Drugs》杂志上[31]。2017年2月20日,美国犹他大学研究人员发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》期刊上的论文研究结果表明一种小型螺类产生的物质能够缓解疼痛,从而有望替代阿片类药物。研究中发现从螺类的毒液中分离出来的组分Rg1A,其疼痛作用通路与类罂粟碱不同。啮齿类动物中,α9α10 烟碱型乙酰胆碱受体(nAChR)作为疼痛作用通路的受体,研究表明RgIA4能够有效抑制该受体的作用。RgIA4作为一个有发展前景的化合物,为治疗疼痛打开了一扇新的大门。而该化合物的应用将会大大缓解施用阿片类药物带来的负担[32]。11月14日,布里斯托大学研究人员通过对深海采集样品中的细菌进行培养,分离出了1000多种新的微生物种类,并有6种抗菌的新型天然产物产出。其中菌株V. maris是第一次从太平洋海床中分离出来的,基于此前对于细菌V. maris的天然产物的研究,该菌株能够产生适合人类和动物的抗菌的天然抗生素[33]。

7.深部地幔对流和碳含量最新研究进展

最近几十年,地幔的碳含量成为了一项热门课题。尽管碳是地球上含量最丰富的元素之一,但实际上很难确定其在地球内部的具体含量。1月13日《Nature Communications》上一项研究通过分析大西洋洋中脊采集的玄武岩样品,发现地幔的碳含量比之前预测的更加不均匀,地幔不同位置的碳含量甚至有两个量级的差异[34]。

板块构造驱动着大多数的地震、火山、海底扩张以及地球上其他主要的地质活动。板块之下是3000km 厚的热塑性岩石组成的岩石地幔,在深部巨大压力和温度下发生缓慢变形和地幔对流。2月27日《Nature Geoscience》一项研究通过在地幔对流的数值模拟中添加了一个强烈富硅层,分析地幔岩化学组分是否影响地幔对流运动。结果发现,初始添加的强烈富硅层发生倾覆之后,地幔形成一个卷状的对流单元,其中弱贫硅岩石充填上地幔,在下地幔中沿着巨型传送带在强富硅岩石块体周围流动。模拟中,对流模型可以保持数十亿年的稳定,并且长于地球年龄。在对流地幔中残存的古老岩石可能是强富硅岩石和弱贫硅地幔之间低效混合的结果[35]。5月12日《Scientific Reports》上一项研究结果表明,地幔并不像先前所认为的那样到处流动,而是分为两个大的域,仅且只在其内部对流,且这两个域几乎无任何混合的迹象。研究认为在俯冲带上地幔物质会流入到下地幔,且下沉的板片物质会阻止上地幔物质与其他物质混合,保持两个域分开。研究还发现,当地幔物质到达核幔边界时,并不是围着地核到处流到,而是回到其形成的位置。研究人员通过模拟了地幔上下对流过程,发现该过程可持续1 亿年[36]。11月22日《Science Advances》上一项研究洋中脊玄武岩(MORBs)与深海橄榄岩来自相同的地幔区域,但是具有不同的同位素组成。研究人员 Liu 和 Liang 模拟了地幔熔融和岩浆运移过程,结果发现要使 MORBs 和深海橄榄岩具有不同的同位素值,俯冲洋壳残余物质最少要有一千米的大小,为地幔对流产生的地幔小尺度结构增添新的视角[37]。

8.慢地震研究取得重大进展

慢地震是自板块构造理论被广泛接受以来地球动力学最重要的发现之一,它的发现颠覆了对断层运动方式只有地震破裂和无震蠕滑的普遍认识。近年来尽管在慢地震的观测和模拟研究上取得了巨大的进展,但依然没有一个基本概念模型可以解释慢地震区域分布的多样性及其与大地震的关系。2017年3月6日《自然》杂志一项研究发现地震带与其下方的慢地震在断层流变特征上是分离的,慢地震发生受地幔楔角(断层面与大陆莫霍面交界)附近特殊的地质条件控制[38]。5月15日《Geophysical Research Letters》杂志上一项研究发现阿拉斯加-阿留申俯冲带地区持续发生慢地震,研究发现两个震颤源间隔近 25km,可能指示地震活动的摩擦性质在横向上的变化。此外,慢地震似乎沿着产生大震颤活动的俯冲断层发生。该研究成果将为该区的地震活动和俯冲过程提供新的见解[39]。6月16日,《science》杂志上一项研究表明俯冲带上的慢地震揭示海啸发生的风险,慢滑移通过定期释放压力来降低海啸发生的风险,但其机制可能比减震器要复杂的多[40]。9月11日,《Nature Geoscience》上发表一项研究表明大地震也能引发一系列大的慢滑事件,研究认为俯冲带地区的沉积物楔增强了这种大地震对慢滑事件的触发效应[41]。12月份,华盛顿大学研究人员开发出可以示踪慢地震的新技术,技术方法所估计的主要慢滑移事件的大小、持续时间以及滑移距离都与沿断层详细的观察分析所得到的结果相吻合[42]。

9.厄尔尼诺现象研究进展

ENSO(厄尔尼诺-南方涛动) 是地球系统中最为强烈的短期气候震荡,影响东亚气候异常最主要的前期信号之一,对洪涝、干旱和极端冷暖等气候灾害发生概率和分布范围有决定意义[43]。2017年2月14日,《自然通讯》杂志上发表了加州大学圣芭芭拉分校(UCSB)进行的一项新研究,发现2015 - 2016 年的厄尔尼诺现象导致冬季太平洋海岸海滩侵蚀高出正常情况的 76%。2015-16 年冬季的波能量等于或超过西海岸测量历史的最大值,导致该区域海岸的极端侵蚀。然而从水资源角度看,最近的厄尔尼诺现象导致降雨异常低[44]。3月21日《气候学报》杂志上一项研究表明大西洋年代际震荡(AMO)可以通过改变沃克环流、波列、风暴路径和地面风来调节厄尔尼诺-南方涛动(ENSO) 与太平洋年代际振荡(PDO)的变化。而 ENSO 和 PDO 都与东亚冬季季风(EAWM)密切相关的。因此,AMO 可能可以调节太平洋 SST 与 EAWM 的关系,研究结果表明在基于 ENSO 变化的基础上,预测 EAWM 时,需要考虑 AMO 的位相阶段[45]。.3月13日《自然·科学报告》研究发现了突破厄尔尼诺春季预报障碍的新因子-热点区域的表层流场,新因子可有效克服厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)预报的春季障碍,比传统预报因子的预报相关系数平均提高了 20%[46]。

厄尔尼诺事件是通过控制热带海洋向大气释放热量来促成全球平均气温的年际变化。2017.4.3《地球物理研究快报》杂志研究表明,从 1998 年到 2013 年弱厄尔尼诺活动是全球表面温度缓慢上升的根本原因[47]。6 月 15 日的《自然通讯》研究人员预计,随着气候变暖,未来的厄尔尼诺现象将会变得更加强劲、更加频繁,预计南极洲西部将会有更多的地表融化事件发生[48]。

10.气候变化对海平面上升的影响

持续的全球变暖将导致海平面上升许多,几世纪内可能超过十米,严重威胁世界各地建在地势较低的三角洲的许多城市。冰川融化会导致海平面上升, 3月31日,《自然通讯》研究表明,到 2100 年,格陵兰岛沿岸冰的融化将导致全球海平面上升约 1.5 英寸[49]。4月3日,《环境研究快报》通过使用新的南极质量损失预测和修改后的统计方法,认为到 2100 年海平面上升 2.5 到 3 米的最坏的情况是可能的。全球平均海平面自 1993 年以来平均每年增加 3 毫米,而在 1990 年之前,每年的平均率仅为 1.1 毫米[50]。7月5日,《自然》杂志上发表的报告中认为,过去 1.1 万年里由风驱动的温暖海水入侵迫使南极西部的冰川消融,过去 20 年收集的数据表明,南极西部地区的冰损失已经对海平面上升做出了重大贡献—每十年约 1 毫米[51]。8月22日,《地球物理研究快报》发表的一项研究表明由于冰原和冰川经历了与气候相关的融化,改变了地球的重力场,导致了海平面的不均匀变化。某些地区,尤其是中纬度地区,受到的影响更大。例如,南极洲在加利福尼亚和佛罗里达产生的海平面上升比世界其他地区的平均水平高出 52%。研究小组利用 2002 年 4 月至2014 年 10 月期间美国国家航空航天局重力恢复和气候实验双卫星收集的随时间变化的重力数据,计算出海平面的踪迹。根据这项研究,在此期间,全球平均海平面每年以 1.8 毫米的速度增长,其中 43%的水来自格陵兰,16%来自南极洲,30%来自极地冰川[52]。10月19日,《自然通讯》杂志一项研究表明海平面并不是稳定上升,在上一冰河时代结束、冰川融化全球变暖时期不时地爆发。研究人员在德克萨斯近海的暗礁中发现了化石证据,表明海平面从几十年到一个世纪不等的时间里上升了几十次[53]。10月27日,《自然通讯》一项研究对以往海洋温度测量方法提出质疑,根据以往方法测量1亿年前的海洋内和海表的温度比目前高出 15 度左右。在过去的 50 多年里,科学界对气候变化的研究主要基于有孔虫形成的石灰质外壳中氧-18 的含量,海洋温度的变化是根据发现的氧-18 含量来计算的。然而,所有这些估计都是基于这样一个原理:在沉积物中,有孔虫试验的氧-18 含量保持不变。事实上,到目前为止,没有任何其他的东西能表明这种肉眼或显微镜下看不到的变化。为了验证他们的假设,作者将这些微小的有机体暴露在人工高温海水中,使用纳米硅质仪器观察到在钙质外壳中的氧-18。结果表明,氧-18 的水平实际上可以改变,而不留下可见的痕迹,从而挑战了之前有孔虫作为温度计的可靠性[54]。11 月 1 日的《Science Advances》杂志上。研究小组发现,当南极洲南部的风很强时,冰川加速向海洋流动,并将温暖的海水从深海输送到大陆架,并通过海底峡谷在冰川漂浮部分之下循环,从下面融化冰盖的边缘。当冰川融化,它就会变薄,削弱并加速,让更多的内陆冰排入海洋,导致海平面上升。风力强度逐年变化,二氧化碳等温室气体随着风的放大作用强度逐渐增强,使它们能更频繁地从深海带来暖水,这种气候和风之间的相互作用会导致海平面上升[55]。

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