譚紅建,蔡榕碩,杜建國,胡文佳

自然資源部 第三海洋研究所,福建 廈門 361005

過去一個多世紀以來,人類活動累積排放的溫室氣體使得地球氣候系統(tǒng)正在經(jīng)歷以變暖為主要特征的全球變化,并對全球環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)及生物多樣性和人類社會產(chǎn)生了明顯的影響,如冰川冰蓋融化、極端氣候災害增加、生物多樣性減少等。海洋占地球表面積的71%,既在調(diào)節(jié)地球氣候系統(tǒng)方面發(fā)揮了重要作用,也受到氣候變化帶來的顯著影響。觀測數(shù)據(jù)表明,全球海洋在過去幾十年來發(fā)生了明顯的變化,包括海洋變暖、海平面上升、酸化和缺氧,海洋生境退化、生物多樣性退化和漁業(yè)資源減少等。海洋環(huán)境的改變將進一步導致極端天氣事件多發(fā)、海洋災害加劇,對海洋生態(tài)系統(tǒng)、漁業(yè)資源、海洋工程、低海拔島嶼和沿海城市安全等產(chǎn)生嚴重影響,制約著經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

2022年2月28日,政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發(fā)布了第六次評估報告(AR6)第二工作組(WGⅡ)報告《氣候變化2022:影響、適應和脆弱性》(IPCC,2022)。AR6 WGⅡ報告較為系統(tǒng)地總結了第五次評估報告(AR5)發(fā)布以來的最新科學進展,全面闡述了當前和未來氣候變化的影響、風險以及生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性和適應措施等內(nèi)容,客觀地揭示了氣候、生態(tài)系統(tǒng)、生物多樣性和人類社會之間的相互依存關系,特別強調(diào)了氣候變化對人類福祉和地球生態(tài)系統(tǒng)健康的威脅日益增加,以及社會系統(tǒng)轉型的重要性及緊迫性。AR6指出,隨著全球升溫,越來越頻繁的熱浪、風暴、干旱和洪水超過了一些生物的承受極限,如暖水珊瑚等物種的大量死亡。AR6 WGⅡ報告還特別指明,氣候變化是一項全球挑戰(zhàn),既需要本地解決方案,也需要各國政府、民間組織和私營企業(yè)通過國際合作,包括提供充足的資金、技術轉讓、政治承諾和伙伴關系,以更有效地適應不斷增加的氣候變化風險。

AR6 WGⅡ報告第三章“海洋和海岸帶生態(tài)系統(tǒng)及其服務”評估了氣候變化對海洋生態(tài)系統(tǒng)影響的最新研究進展和證據(jù),包括新的實驗結果、觀測事實、數(shù)值模擬,以及對人類社會與生態(tài)系統(tǒng)如何適應氣候變化的新認識和潛在的解決方案(Cooley et al.,2022)。限于篇幅,本文僅針對其中部分內(nèi)容予以解讀,重點介紹以下幾方面的內(nèi)容:1)氣候變化引起的海洋物理和化學屬性的變化,包括過去的觀測事實和未來的情景預估;2)氣候變化的影響和風險,以及海洋生態(tài)系統(tǒng)及其服務功能的脆弱性;3)可持續(xù)的適應性措施及挑戰(zhàn)。文中關于氣候變化風險的評估方法及評估結果的不確定表述(如高信度、很可能)等請參見原報告(IPCC,2022)。

1 海洋氣候影響驅(qū)動因子的變化

1.1 物理因子

1.1.1 海溫

IPCC AR6最新的評估結果表明,全球海洋自1971年以來的變暖是幾乎可以確定的,2011—2020年期間,全球平均海表面溫度(SST)相對于工業(yè)革命初期(1850—1900年)上升了0.88 ℃(0.68～1.01 ℃,90%以上可能性范圍)(Fox-Kemper et al.,2021)。與生態(tài)系統(tǒng)相關的海溫變化之關鍵指標是氣候變化速度,即海洋等溫線的移動速率和方向,而海溫的升高已使得海表面等溫線向極區(qū)顯著移動(Burrows et al.,2011)。對于海洋生物而言,跟隨等溫線的移動才能使之更好地適應溫度的變化。AR6 WGⅡ報告第三章指出,自1960年以來,海表面的氣候變化速度為21.7 km/(10 a),其中北極/亞北極和熱帶海域的氣候變化速度要顯著高于其他海區(qū)(Cooley et al.,2022)。評估還表明,深海(1 000～4 000 m)和深淵(>4 000 m)區(qū)域的氣候變化速度要大于中上層海洋,這表明全球變暖已經(jīng)開始影響到深海環(huán)境及生物物種。

預計未來海洋將持續(xù)變暖(幾乎可以確定),并且變暖的速度依賴于氣候變化情景。第六次耦合模式比較計劃(CMIP6)多模式預估結果表明,相對于當前時期(1995—2014年),到21世紀末期(2081—2100年),全球平均SST在不同共享社會經(jīng)濟發(fā)展情景下(SSPs)將分別增加0.86 ℃(0.43～1.47 ℃,SSP1-2.6),1.51 ℃(1.02～2.19 ℃,SSP2-4.5),2.19 ℃ (1.56～3.30 ℃,SSP3-7.0)和2.89 ℃(2.01～4.07 ℃,SSP5-8.5)(Fox-Kemper et al.,2021)。升溫幅度較大的區(qū)域主要位于熱帶海域、北太平洋和北極海區(qū),21世紀末期最大升溫幅度可能超過4 ℃(SSP5-8.5)。預估結果還指出深海(海底)也將持續(xù)升溫(圖1)。

圖1 未來海洋生態(tài)系統(tǒng)主要氣候影響因子的變化預估:海平面上升(a)、表層海水pH(b)、次表層(100～5 600 m)溶解氧(c)以及透光層(0～100 m)硝酸鹽濃度(d)的變化;2080—2099年四種共享社會經(jīng)濟發(fā)展情景SSP1-2.6(e)、SSP2-4.5(f)、SSP3-7.0(g)和SSP5-8.5(h)下SST、海水pH、溶解氧和硝酸鹽濃度異常變化的區(qū)域(修改自Kwiatkowski et al.,2020)Fig.1 Projected trends in climatic-impact drivers for ocean ecosystems.Panels (a,b,c,d) represent end-of-century changes in (a) global sea-level rise (SLR),(b) average surface pH,(c) subsurface (100—5 600 m) dissolved oxygen concentration and (d) euphotic-zone (0—100 m) nitrate concentration against anomalies in sea surface temperature.Panels (e,f,g,h) show regions where end-of-century projected CMIP6 surface warming exceeds 2 ℃,where pH decline exceeds 0.3,where dissolved oxygen decline exceeds 30 mmol·m-3 and where nitrate decline exceeds 1 mmol·m-3 in (e) SSP1-2.6,(f) SSP2-4.5,(g) SSP3-7.0 and (h) SSP5-8.5

此外,海溫升高還導致海洋熱浪事件(MHW,一定時期內(nèi)的極端高海溫事件)的強度和頻率增加(高信度)。自20世紀80年代以來,海洋熱浪發(fā)生的頻次增加了近1倍,并且強度更強,影響范圍更大,持續(xù)時間更久,其中高強度的極端海洋事件的發(fā)生概率增加了20倍(Fox-Kemper et al.,2021);在SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下,相對于歷史時期,到2081—2100年,預計MHW將可能分別增加4(2～9)和8(3～15)倍,其中熱帶海域和北冰洋增加最顯著。

1.1.2 海平面

由全球變暖引起的海洋熱膨脹,陸地冰川和冰蓋的快速融化導致全球海平面快速上升。評估結果表明,自1901年以來,全球平均海平面已經(jīng)上升了0.20 m(0.15～0.25)m,并且近年來海平面的上升速率有明顯加速的現(xiàn)象(高信度)(Oppenheimer et al.,2019)。全球海平面上升的幅度在空間上并不是一致的,在區(qū)域或局地上的海平面受到海洋大氣動力過程和人為地面沉降等因素的影響。這對海岸帶生態(tài)系統(tǒng)(如紅樹林、鹽沼和海草床等)和近岸海洋工程產(chǎn)生影響。海平面上升將增加極值水位(局地海平面在短時間內(nèi)可能會達到異常的高度)的高度和頻次,使其重現(xiàn)期降低,引起沿海低洼地區(qū)淹沒或洪澇災害加劇(蔡榕碩和譚紅建,2020)。

未來,全球平均海平面將持續(xù)上升。相對于當前時期,到21世紀中期(2050年前后),全球海平面將上升0.15～0.23 m(SSP1-1.9)和0.20～0.30 m(SSP5-8.5);到21世紀末,上升幅度將分別達到0.28～0.55 m(SSP1-1.9)和0.63～1.02 m(SSP5-8.5)。未來海平面的持續(xù)上升將進一步增加極值水位的高度和頻率,如許多沿海地區(qū)當前百年一遇的極值水位發(fā)生頻率到21世紀中后期將會增加20～30倍,變?yōu)閹啄暌挥?高信度)(Oppenheimer et al.,2019;蔡榕碩和譚紅建,2020)。并且未來極值水位還將進一步受到臺風、風暴潮和海浪等因素變化的綜合影響。

1.1.3 海流、層結和上升流

海流是海水運動的形式,不僅是海洋能量、鹽分、碳和營養(yǎng)物質(zhì)的輸送載體與紐帶,而且還控制著許多海洋生物的空間分布和種群連接。盡管持續(xù)的觀測加深了人們對大西洋經(jīng)圈翻轉流(AMOC)變率的理解,但是目前的觀測數(shù)據(jù)長度仍不足以定量評估AMOC的長期變化趨勢。先前的評估報告(Gulev et al.,2021)指出,AMOC會在21世紀減弱(非?？赡?,CMIP6預估結果顯示在SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下到2100年AMOC將分別減弱24%(4%～46%)和39%(17%～ 55%)(中信度)。此外,海洋層結是影響全球氣候的一個關鍵因子,其變化對海洋環(huán)流和海洋生態(tài)系統(tǒng)有重要影響(Li et al,2020)。觀測數(shù)據(jù)表明,海洋層結在1970—2018年間增加了(1.0%±0.3%)/(10 a)(Fox-Kemper et al.,2021)。CMIP6模式預估結果表明,未來大部分海域上層海洋層結都將會增強(高信度)。上層海洋的快速升溫以及中高緯度海水淡化會使得海洋層結增強,抑制垂直混合過程,進而影響熱量、碳、溶解氧、營養(yǎng)鹽等物質(zhì)和能量的垂向輸送。另外,大洋東邊界上升流系統(tǒng)是世界上最具生產(chǎn)力的海洋生態(tài)系統(tǒng)之一,約占世界海洋漁獲量的17%(Pauly and Zeller,2016)。在全球四大上升流系統(tǒng)中,只有加利福尼亞上升流系統(tǒng)自20世紀80年代以來表現(xiàn)出一定的增強趨勢(主要由于局地風場的影響),而其他區(qū)域上升流系統(tǒng)(如秘魯、加那利和本格拉上升流系統(tǒng))的變化則有很大的不確定性(Fox-Kemper et al.,2021)。在所有排放情景下,未來東邊界上升流風場的變化將會保持相對溫和的節(jié)奏,其變化維持在當前水平±(10%～20%)范圍內(nèi)(中信度,Fox-Kemper et al.,2021)。

1.1.4 海冰

全球變暖導致北極海冰大量融化。觀測數(shù)據(jù)顯示,自20世紀70年代末以來,北極海冰面積持續(xù)減少,過去10 a(2010—2019年)夏季海冰面積相對于1979—1988年減少了2×10km(25%)。衛(wèi)星資料顯示,1979—2020年期間南極整體的海冰面積并沒有顯著變化趨勢,但是表現(xiàn)出很大的區(qū)域性差異(Fox-Kemper et al.,2021)。CMIP6預估結果表明,在四種情景下(SSP1-1.9、SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5)中,北極均可能在2050年之前出現(xiàn)季節(jié)性的無冰區(qū)(面積小于1×10km)(高信度),而在21世紀南極海冰也將出現(xiàn)整體的減少趨勢。

1.2 化學因子

1.2.1 海洋酸化

工業(yè)革命以來,海洋吸收了大量人為排放的CO,改變了海水中碳酸鹽體系的動態(tài)平衡,引起海水pH降低和碳酸鈣飽和度下降,即海洋酸化。全球海洋表層pH值從工業(yè)革命前的8.2下降為8.1,相當于海水酸性增加了26%,這影響到海洋的生物地球化學循環(huán)和關鍵生態(tài)過程以及海洋生態(tài)系統(tǒng)(Orr et al.,2005)。自20世紀80年代以來,極區(qū)和亞極區(qū)表層海水pH下降的速率為0.002/(10 a)～0.026/(10 a)。酸化現(xiàn)象正在向海洋深層傳遞,并將導致文石和方解石的飽和層變淺(高信度)。到21世紀末期,全球大洋表層海水pH預計將會分別下降(0.08±0.003)(SSP1-2.6),(0.17±0.003)(SSP2-4.5),(0.27 ±0.005)(SSP3-7.0)和(0.37±0.007)(SSP5-8.5)個單位,其中北冰洋海洋酸化的程度最大(圖1；Kwiatkowski et al.,2020)。此外,未來次表層和深層海洋也將受到海洋酸化的影響。例如,北大西洋20%以上超過500 m深的海床區(qū)域,包括被指定為海洋保護區(qū)的深海峽谷和海山等區(qū)域,海水pH到2100年將下降0.2以上(Lee et al.,2021)。

1.2.2 海洋溶解氧

由于海洋變暖引起的海水中氧的溶解度降低、海洋層化以及海洋生物耗氧量增加,導致海水中溶解氧的含量降低,造成海洋缺氧(Keeling et al.,2010)。此外,人類活動產(chǎn)生的營養(yǎng)鹽和污染物排放入海導致近海海域海水缺氧事件的發(fā)生越來越頻繁(Breitburg et al.,2018)。1970—2010年,海洋1 000 m以上海水溶解氧損失了0.5%～3.3%,海洋低氧區(qū)的面積擴大了3%～8%,且熱帶海洋最明顯(Bindoff et al.,2019)。報告指出,未來全球海洋含氧量將會減少到空前的地步,其中次表層海水含氧量到21世紀末期將會分別減少(-4.1%±4.2%)(SSP1-2.6)和(-11.2%±7.7%)(SSP5-8.5),并且下降的幅度具有很大的區(qū)域性差異(圖1；Kwiatkowski et al.,2020)。

1.2.3 營養(yǎng)鹽

營養(yǎng)鹽一般指海水中的無機氮、磷、硅、鐵等。這是海洋浮游植物生長繁殖所必需的成分,也是海洋初級生產(chǎn)力和食物鏈的基礎。海洋變暖和層化加強導致營養(yǎng)鹽輸送減少,限制了海洋浮游植物的初級生產(chǎn)力,但存在區(qū)域性差異。例如,熱帶海域初級生產(chǎn)力主要表現(xiàn)為氮(N)和磷(P)營養(yǎng)鹽的限制,而在高緯度海域和較高生產(chǎn)力的上升流區(qū)則為鐵(Fe)營養(yǎng)鹽的限制?；贑MIP6地球系統(tǒng)模式的預估結果,由于上層海洋層化加強,未來表層海水的營養(yǎng)鹽濃度將會降低,到2080—2099年間,上層海洋(0～100 m)硝酸鹽濃度相對于當前水平將會分別減少(0.46±0.45)(SSP1-2.6)、(-0.60±0.58)(SSP2-4.5)以及(-1.00±0.78)(SSP5-8.5)mmol·m(圖1；Kwiatkowski et al.,2020)。

越來越多的證據(jù)表明,人類活動排放的CO等溫室氣體已引起全球海洋物理和化學屬性的變化,如海平面上升、海洋變暖、層化加強、酸化、缺氧及營養(yǎng)鹽濃度減少等。上述因子獨立或共同影響著海洋生物的季節(jié)性活動規(guī)律、空間分布和物種豐富度,使得全球海洋生態(tài)系統(tǒng)面臨空前的氣候變化威脅。例如,北極海區(qū)目前正同時經(jīng)歷著顯著的海洋變暖(海冰減少)、酸化,以及營養(yǎng)鹽匱乏等多重因素的共同影響;并且,很多環(huán)境因子正在接近“氣候臨界點”,例如,北極格陵蘭島和南極東部冰蓋正在加速減少,而熱帶海域頻繁的海洋熱浪已經(jīng)接近了造礁珊瑚的耐受極限(Leton et al.,2019)。

2 氣候變化對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響

2.1 海岸帶生態(tài)系統(tǒng)

海岸帶生態(tài)系統(tǒng)處于陸地與淺海的交界地帶,主要包括紅樹林、鹽沼、海草床、海藻場、珊瑚礁、河口三角洲,以及基巖海岸和沙灘等,是許多海洋生物的重要棲息地。它不僅是人類活動和氣候變化影響的敏感區(qū)域,也是海岸帶“藍碳”的主要儲存地,在減緩和適應氣候變化中有重要作用(蔡榕碩等,2020a)。

2.1.1 珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)

暖水珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)主要分布在熱帶或亞熱帶淺海海域,是海洋中物種最豐富、最富有生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)之一,同時也為沿海社區(qū)提供豐富的食物、旅游資源和海岸保護等生態(tài)服務。全球變化背景下,暖水珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)受到了氣候變化和人類活動的雙重威脅,包括海洋變暖(海洋熱浪)、海洋酸化,以及過度捕撈、陸源污染和圍填海等(Hoegh-Guldberg et al.,2018;Bindoff et al.,2019;Hughes et al.,2020)。先前的評估報告指出,暖水珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)被認為是世界上最脆弱的海洋生態(tài)系統(tǒng),目前全球超過一半以上的珊瑚礁處于中或高風險狀態(tài)(Hoegh-Guldberg et al.,2014;Bindoff et al.,2019)。海洋變暖是暖水珊瑚礁大規(guī)模白化和死亡的主要原因,而海洋酸化不利于礁體的形成,加劇了珊瑚礁的侵蝕程度。本次報告增加了一系列新的證據(jù)支撐上述觀點(圖2)?，F(xiàn)場觀測和實驗室結果表明,頻繁發(fā)生的海洋熱浪事件已經(jīng)接近了珊瑚的熱耐受極限。大堡礁在2016—2020年期間經(jīng)歷了3次大規(guī)模白化現(xiàn)象,直接導致了珊瑚覆蓋率大量降低、魚類等敏感物種減少、群落結構發(fā)生改變等(Courtney et al.,2020)。海洋酸化使得珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)變得更加脆弱,主要表現(xiàn)為珊瑚生長速率和礁體鈣化率降低,易于發(fā)生病變等(Pitts et al.,2020)。

圖2 觀測到的氣候影響驅(qū)動因子對海洋和海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的影響評估匯總(修改自Cooley et al.,2022)Fig.2 Summary assessment of observed climatic hazards to marine and coastal ecosystems

在海洋持續(xù)變暖和酸化的情景下,未來暖水珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)將面臨更嚴峻的風險(高信度)。報告指出,當全球升溫1.5 ℃時(相對于工業(yè)革命初期),暖水珊瑚礁預計將會減少70%～90%;當升溫2 ℃時,幾乎所有的暖水珊瑚礁(>99%)將會消失。海洋變暖疊加酸化增加珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性,到21世紀中期,珊瑚礁體的碳酸鹽生產(chǎn)力預計將會減少71%(SSP1-2.6情景)。由于珊瑚覆蓋率和多樣性的降低,部分區(qū)域珊瑚礁魚類的豐度到2060年將可能減少40%(SSP5-8.5情景,Strona et al.,2021)。盡管面臨極高的風險,目前還沒有有效的手段來保護和修復珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)。

2.1.2 藍碳生態(tài)系統(tǒng)

由于具有豐富的儲碳和固碳能力,紅樹林、鹽沼和海草床等被認為是3個重要的海岸帶藍碳生態(tài)系統(tǒng)(Macreadie et al.,2019)。IPCC AR5指出,氣候變化引起的海平面上升、海洋變暖和極端氣候事件對紅樹林、鹽沼和海草床等濕地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了明顯的影響(Wong et al.,2014)。圍填海和近岸養(yǎng)殖等人類活動又加劇了氣候變化對海岸帶藍碳生態(tài)系統(tǒng)的影響。受人類活動和海平面上升等多重因素的影響,2000—2010年期間全球紅樹林面積平均每年減少0.16%,其中東南亞地區(qū)減少最顯著(Goldberg et al.,2020)。1980年代以來,鹽沼系統(tǒng)也遭受了大量的損失,尤其是在一些發(fā)達或快速發(fā)展中的國家,區(qū)域損失高達60%(Gu et al.,2018)。受氣候變化和近岸水質(zhì)惡化的影響,全球海草床生態(tài)系統(tǒng)在1900—2006年間消失了29%(Green et al.,2021)。紅樹林、鹽沼和海草床等濕地生態(tài)系統(tǒng)面積的減少直接導致了生物棲息地的喪失,影響了依賴其生存的生物及其多樣性(高信度)。

從長期變化的角度看,未來海平面上升是紅樹林和鹽沼生態(tài)系統(tǒng)面臨的最大氣候變化威脅,而海洋熱浪是海草床生態(tài)系統(tǒng)的主要影響因子(高信度)。在不同的氣候變化情景下,未來全球海岸帶濕地面積將會減少20%～90%,其中RCP8.5情景下,海平面上升預計將在21世紀末期導致紅樹林等植被濕地減少90%(Oppenheimer et al.,2019)。海岸帶濕地面積的減少將進一步削弱其社會服務功能,如海岸保護、食品供應、文化和旅游,以及氣候調(diào)節(jié)作用(“藍碳”)。如果不采取合適的適應措施,到21世紀末期,海平面上升對海岸帶生態(tài)系統(tǒng)和人類社會帶來的風險預計將增加10倍(IPCC,2019)。海洋變暖和海洋熱浪將影響海岸帶濕地生態(tài)系統(tǒng)的分布范圍和物種組成。例如,在RCP8.5情景下,到2050年,地中海的一些海草物種(如大洋洲波喜蕩草Posidonia oceanica)預計將減少75%,到21世紀末期可能面臨滅絕(Chefaoui et al.,2018)。此外,人類活動還將進一步加劇氣候變化的影響風險。近岸養(yǎng)殖和人工堤壩使?jié)竦厣称扑榛⒆璧K了向陸地的遷移,極大地限制了其自然適應氣候影響的能力。

2.1.3 河口、三角洲和瀉湖

河口、三角洲和瀉湖有多樣化的生境和棲息地,為人類社會提供了豐富的生態(tài)系統(tǒng)服務,包括食物供應、減緩侵蝕、碳封存、娛樂和旅游等,但也受到了人類活動和氣候變化的共同影響。自20世紀70年代以來,海洋變暖、海平面上升和人類活動排放的營養(yǎng)鹽和有機物入海量增加,導致了世界主要河口區(qū)的鹽堿化、富營養(yǎng)化、缺氧區(qū)擴大、頻繁的有害藻華,并引起了底棲和中上層物種按其耐受限度而向上游的遷移擴散(Wong et al.,2014)。海洋變暖還導致河口區(qū)生物物種極向移動和季節(jié)演替異常,漁業(yè)資源下降,群落結構與功能改變(Troast et al.,2020)。海平面上升加劇了河口和三角洲地區(qū)咸水入侵,導致土壤鹽堿化和濕地生境損毀(Talke et al.,2020)。海洋變暖和海洋熱浪增強了河口和瀉湖區(qū)的海水層化,加劇了細菌呼吸作用和富營養(yǎng)化的影響,使得海水脫氧頻率和強度增加,缺氧區(qū)擴大(Derolez et al.,2020)。河口、三角洲等濕地生境的損毀還將進一步影響依賴其生存的鳥類以及海洋動物。未來河口、三角洲和近岸瀉湖面臨的氣候變化風險與全球變暖的幅度、社會經(jīng)濟發(fā)展路徑,以及擬采取的適應性措施有關。

2.1.4 其他

IPCC AR6 WGⅡ報告第三章還評估了氣候變化對其他海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的影響,如大型海藻、基巖海岸和沙灘。大型海藻(如海帶、紫菜和裙帶菜等)廣泛分布在低潮線以下的淺海區(qū)域,提供了豐富的生態(tài)系統(tǒng)服務,包括漁業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、肥料和食物供應(Jayathilake and Costello,2020)。受海洋變暖和海洋熱浪的影響,大型海藻經(jīng)歷了大范圍的生境損失、豐度減少、生態(tài)系統(tǒng)結構的破壞和功能的降低等(高信度)。過去50 a來,氣候變化的影響已使得大型海藻生態(tài)系統(tǒng)從未檢出風險轉變?yōu)橹械蕊L險(Bindoff et al.,2019)。未來由于對溫度較敏感以及移動能力弱,大型海藻可能會經(jīng)歷大規(guī)模死亡事件,氣候變化風險在全球升溫1.5 ℃時將上升至高風險。

基巖海岸和沙灘生態(tài)系統(tǒng)廣泛分布于熱帶和溫帶海洋的潮間帶和淺海岸,是無脊椎動物、魚類和海洋哺乳動物的重要棲息地。巖岸潮間帶生態(tài)系統(tǒng)對海洋變暖和酸化有較高的敏感性(Bindoff et al.,2019)。海洋無脊椎動物移動能力較弱,如海參,對溫度變化的適應性較低,容易受到海洋熱浪的影響。例如,海洋熱浪造成了東北太平洋部分區(qū)域海星數(shù)量銳減,其中多腕葵花海星(Pycnopodia helianthoides)數(shù)量減少了80%以上,直接導致其局地群落結構的改變(Harvell et al.,2019)。海洋酸化對甲殼類動物的生理活動影響較大,如扇貝和牡蠣,導致它們的生長速率和外殼鈣化率降低。未來海洋變暖和酸化的協(xié)同影響將會增加基巖海岸和沙灘生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性,使其可能達到中等或較高風險(中等信度)。

2.2 近海生態(tài)系統(tǒng)

近海生態(tài)系統(tǒng)位于海-陸-氣和人類活動的交匯區(qū)域,雖然僅占全球海洋面積的7%～8%,但提供了約28%的全球海洋初級生產(chǎn)力,有機碳埋藏更是高達80%。近海生態(tài)系統(tǒng)不僅與沿海地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生活息息相關,還高度暴露于區(qū)域和全球變化的影響之下,是全球經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展,且最富有生命力的地帶。IPCC AR6 WGⅡ報告第三章分別評估了氣候變化對半封閉海域、陸架海、上升流和極區(qū)海洋的影響及未來相關的風險(Cooley et al.,2022)?？傮w而言,近海區(qū)域同時暴露于加強的海洋變暖(海洋熱浪)、酸化和缺氧等因素的共同影響中,近海生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性因而發(fā)生顯著的變化。近年來,近海區(qū)域海洋變暖和極端事件的頻發(fā)使得海洋生物的物候特征、地理分布、物種組成和生活史的關鍵節(jié)點發(fā)生了明顯變化(高信度)。例如,海洋變暖使得地中海呈現(xiàn)熱帶化趨勢,原有的魚類物種向更高緯度海區(qū)移動,導致局地的物種組成和結構發(fā)生明顯改變(Hidalgo et al.,2018)。在白令海陸架海區(qū),長期的底層拖網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示,魚類和無脊椎動物的整體群落呈現(xiàn)明顯的北移(Fauchald et al.,2021)。在海洋變暖和過度捕撈的共同影響下,近年來中國近海的漁獲量下降明顯,魚類尤其是冷水種群落結構也發(fā)生了顯著變化(Ma et al.,2019;蔡榕碩等,2020b)。

海洋缺氧導致低氧區(qū)面積不斷擴大,已經(jīng)對局地海域的浮游生物物種組成和群落結構產(chǎn)生不利的影響,尤其是在半封閉海域(高信度)。在波羅的海,海洋低氧區(qū)面積的增大使得當?shù)卮笪餮篦L魚適宜的產(chǎn)卵場面積不斷被壓縮(Hinrichsen et al.,2016)。海洋缺氧和變暖的疊加影響改變了浮游生物的季節(jié)更替,導致有害藻華事件的頻繁發(fā)生(Hallegraeff et al.,2021)。另外,越來越多的證據(jù)表明,海洋酸化已經(jīng)對海洋生物和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了明顯的影響,尤其是珊瑚類和甲殼類生物。對紅海地區(qū)珊瑚的長期觀測表明,酸化可以降低珊瑚的鈣化率(Bindoff et al.,2019)。一組對加拿大阿蒙森灣海螺(Limacina helicina)的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,超過80%的樣本表現(xiàn)出外殼溶解的跡象(Niemi et al.,2021)。海洋酸化將會影響極區(qū)的細菌、浮游植物、浮游動物和底棲生物群落,酸化還會降低極區(qū)鱈魚的運動能力使其對環(huán)境變化更加敏感(Brown et al.,2020)。此外,高強度的人類活動(如過度捕撈、陸源污染和圍填海等)會增加近海生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性,使其適應氣候變化影響的能力減弱。

隨著海洋變暖、酸化和缺氧的持續(xù)增強,以及人類活動的疊加影響,未來近海生態(tài)系統(tǒng)將面臨更高的氣候變化風險(高信度)。其中,熱帶海域的生物量將會減少,生物多樣性降低,物種群落結構發(fā)生改變;中緯度近海區(qū)域熱帶化趨勢將會更加明顯,物種將向更高緯度遷移,導致外來物種入侵,以及局地物種生物量和多樣性降低;極地和亞極地海區(qū)的營養(yǎng)級結構發(fā)生改變,浮游植物藻華的物候異?，F(xiàn)象將會更加明顯。例如,在高排放和低排放情景下,中國近海絕大多數(shù)魚類的棲息地范圍均將向北移動,魚類物種豐富度可能出現(xiàn)南減北增的格局,物種周轉構成了時間尺度上物種多樣性變化的主要組分(Hu et al.,2022)。氣候變暖還可能導致北極海域浮游植物初級生產(chǎn)力和總的生物量增加,這或許會給當?shù)睾Ｑ笊鷳B(tài)系統(tǒng)帶來新的機遇或挑戰(zhàn)(Asch et al.,2019;Nakamura and Oka,2019)。

2.3 大洋與深海生態(tài)系統(tǒng)

大洋及深遠海區(qū)域占據(jù)了絕大多數(shù)(>99%)的海洋體積,由于距離陸地較遠以及受人類活動的影響相對較小,其氣候變化影響的歸因檢測信號相對更明確。先前的評估報告已報道了大洋生物物種(從浮游植物到海洋哺乳動物)廣泛存在向極區(qū)移動的現(xiàn)象(Hoegh-Guldberg et al.,2014)。AR6進一步指出,自1950年代以來海洋物種平均向極移動的速度為(59.2±15.5) km/(10 a)((43.7～74.7) km/(10 a))(Cooley et al.,2022),這與等溫線的氣候變化速率較為一致。海洋變暖引起的物種遷移已經(jīng)造成了新物種群落的產(chǎn)生,并影響了局地的種群競爭關系,例如,在北大西洋高緯度海區(qū),海洋變暖導致了大西洋鱈(Gadus morhua)豐度的增加,而黑線鱈(Melanogrammus aeglefinus)數(shù)量減少(Durant et al.,2020)。此外,海洋變暖還導致上層海洋等溫線加深,魚類等物種不得不向更深層的海洋移動以尋求新的熱避難所,但是深層海水低氧區(qū)的擴大又壓縮了其合適的生存空間(Deutsch et al.,2015)。

海洋變暖引起的層化加強抑制了大洋營養(yǎng)鹽的垂直交換,導致浮游植物生物量和初級生產(chǎn)力降低(高信度)。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)揭示了全球浮游植物初級生產(chǎn)力在1998—2018年間整體呈現(xiàn)下降趨勢,但也存在顯著的區(qū)域性差異。其中,中低緯度海區(qū)初級生產(chǎn)力平均每年減少3%,而高緯度海區(qū)(包括南大洋和極區(qū)海洋)每年增加4.5%(Kulk et al.,2020)。浮游植物生物量和初級生產(chǎn)力的降低進一步引起了海洋浮游動物、海洋游泳動物和底棲動物生物量的減少。物候的變化改變了海洋生物的關鍵生命節(jié)點和季節(jié)更替。觀測數(shù)據(jù)顯示,過去50多年來北海區(qū)域浮游植物春季藻華事件平均提前了(4.4 ± 1.1) d/(10 a)(Bindoff et al.,2019)。越來越多的證據(jù)顯示,浮游動物豐度達到極值的時間、魚類的產(chǎn)卵和洄游期和爬行動物的繁殖期具有不同程度的提前(Kanamori et al.,2019;Cherkiss et al.,2020)。

氣候變化的信號(如變暖、酸化和缺氧)已經(jīng)開始傳遞到了200 m以下的深海區(qū)域,并已影響到了深海生物的生命過程和系統(tǒng)多樣性(中等信度)。實驗室仿真結果顯示,海洋變暖和海洋熱浪可以使深海冷水珊瑚發(fā)生嚴重的致死現(xiàn)象(Lunden et al.,2014),海洋酸化和溶解氧的變化能夠影響深海冷水珊瑚對熱脅迫的耐受能力(Büscher et al.,2017)。古海洋數(shù)據(jù)也揭示,極端海洋熱浪事件可以導致深海冷水珊瑚發(fā)生區(qū)域性的消亡(Hebbeln et al.,2019)。在深海峽谷的低氧區(qū),底棲魚類的空間分布和豐度與溶解氧濃度梯度有關(Levin,2018)。此外,海洋酸化和缺氧還會影響深海生物地球化學循環(huán),如降低厭氧甲烷氧化速率和減少向深海的顆粒有機碳(POC)通量(中等信度)。

未來大洋與深海生態(tài)系統(tǒng)面臨的氣候變化風險將逐步升高(高信度)。地球系統(tǒng)模式預估顯示,到21世紀末期(2081—2100年),全球平均海洋凈初級生產(chǎn)力將會下降4%～11%(RCP8.5),其中熱帶海域下降最顯著(7%～16%),全球浮游動物生物量也將會減少(-9.0%±8.9%)(SSP5-8.5)(Kwiatkowski et al.,2020)。海洋變暖還將會改變海洋生物物候及季節(jié)更替,CMIP6模式預估了到2100年全球接近40%(SSP5-8.5)的海洋區(qū)域?qū)?jīng)歷至少20 d的浮游植物生長期變更(提前或推遲)。其中,北冰洋浮游植物生長期將會顯著提前,并且高排放情景(SSP5-8.5)下的變化幅度和空間范圍要明顯高于低排放情景(SSP1-2.6)(Lannuzel et al.,2020)。浮游植物物候異常以及營養(yǎng)鹽的減少還將進一步導致上層海洋的營養(yǎng)層級不匹配,群落結構趨于小型化,北半球硅藻種類將可能減少30%(2100年,RCP8.5;Henson et al.,2021)。海洋浮游植物和動物生物量的減少將導致依賴其生存的魚類等海洋動物資源量的降低。基于CMIP6的漁業(yè)資源模型預估結果顯示,全球海洋動物的資源量到本世紀末期將會分別減少(5.7%±4.1%)(SSP1-2.6)和(15.5%±8.5%)(SSP5-8.5)(圖3；Kwiatkowski et al.,2020)。此外,海洋變暖、酸化和缺氧對深海生態(tài)系統(tǒng)和生物地球化學循環(huán)的影響將逐步加劇,導致深海海底生物量的減少和固碳效率的降低。

圖3 SSP1-2.6(b、e、h、k)和SSP5-8.5(c、f、i、l)情景下海洋浮游植物(a、b、c),浮游動物(d、e、f),游泳動物(g、h、i)及底棲動物(j、k、l)生物量變化預估(修改自Kwiatkowski et al.,2020)Fig.3 Projected change in marine biomass.Simulated global biomass changes of (a,b,c) surface phytoplankton,(d,e,f) zooplankton,(g,h,i) animals and (j,k,l) seafloor benthos (modified from Kwiatkowski et al.,2020)

3 適應措施

氣候變化和人類活動已經(jīng)對全球海洋海岸帶生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了明顯的影響,并危及社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和人類健康,迫切需要采取積極的應對措施。海洋和海岸帶生態(tài)系統(tǒng)能否適應氣候變化的影響及未來的風險主要取決于人類社會采取的氣候行動和應對措施。目前人類社會已采取了一些應對措施并取得了一定的效益,包括基于自然或生態(tài)系統(tǒng)的適應措施、人類系統(tǒng)-環(huán)境適應方案,以及基于人類系統(tǒng)-社會制度的適應對策。其中,基于自然或生態(tài)系統(tǒng)的適應對策(如保護與修復、人工種植、可持續(xù)的捕撈和氣候災害早期預警等)目前被認為是在海岸帶系統(tǒng)保護和漁業(yè)資源管理方面應對氣候變化的有效手段(Duarte et al.,2020)。例如,通過建立珊瑚礁等自然保護區(qū)和開展紅樹林等濱海濕地生態(tài)修復可以較為有效地防止上述系統(tǒng)受到人類活動的直接破壞,從而降低生態(tài)系統(tǒng)的自身脆弱性,以增強其抵御或適應氣候變化或極端氣候災害的能力(圖4；Wilson et al.,2020)。然而,上述措施也存在一些問題和局限性,包括生態(tài)系統(tǒng)自身的恢復速率較慢,系統(tǒng)內(nèi)生物多樣性會受到限制,并且在一些發(fā)展中或低收入國家,資金、技術和知識的獲取以及利益的權衡都是很重要的問題。

圖4 目前已經(jīng)實施的以及未來潛在的海岸帶和海洋生態(tài)系統(tǒng)氣候適應措施(引自Cooley et al.,2022)Fig.4 Implemented and potential future adaptations in ocean and coastal ecosystems (from Cooley et al.,2022)

基于自然的應對措施對于低排放情景下的氣候變化風險有一定的應對能力,但是在高排放情景下可能存在很大的不確定性,其有效性將隨著全球變暖的持續(xù)而不斷降低。例如,在RCP8.5情景下,到21世紀中期時,海洋熱浪的強度和頻率已遠遠超過了珊瑚的熱耐受能力,單靠海洋保護區(qū)已不能避免珊瑚發(fā)生大規(guī)模白化和死亡(Bruno et al.,2018)。因此,需要采用變革性的措施提高珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的恢復力。推動海洋和海岸帶生態(tài)系統(tǒng)恢復力的發(fā)展對于維持全球海洋生態(tài)系統(tǒng)的服務,提高氣候變化風險的適應能力至關重要。這需要世界各國政府、民間社會和私營企業(yè)通過國際合作,全面、有效和創(chuàng)新地發(fā)展變革性的氣候變化行動措施,共同參與決策和行動,同時還要考慮風險、公平和正義。值得注意的是,生態(tài)系統(tǒng)氣候恢復力的發(fā)展也受到全球升溫幅度的限制,若升溫幅度過早地超過1.5 ℃甚至達到2 ℃,則許多海洋和海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的氣候恢復力因沒有足夠的發(fā)展時間而不可能實現(xiàn)。這表明,人類社會需要盡快采取強有力的氣候變化減緩措施(如節(jié)能減排和發(fā)展“碳中和”及“碳捕獲”技術)。

4 結語

IPCC AR6第二工作組報告第三章評估了2013年AR5發(fā)布以來氣候變化影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的最新研究進展,以及適應氣候變化的新認識。報告明確指出,人類活動排放的CO等溫室氣體導致全球氣候發(fā)生顯著變化,并且已經(jīng)明顯改變了全球海洋的物理和化學屬性,包括海溫升高、海平面上升、海洋酸化和缺氧,以及營養(yǎng)鹽濃度變化等,其中,1980年代以來海洋熱浪的發(fā)生頻率已經(jīng)增加了1倍。

氣候影響驅(qū)動因子的變化已經(jīng)對海洋和海岸帶生態(tài)系統(tǒng)造成了廣泛和不利的影響。海洋變暖及海洋熱浪事件的頻發(fā)導致暖水珊瑚大規(guī)模白化和死亡,使得珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)處于非常脆弱和極高的風險狀態(tài)(高信度)。當全球升溫1.5 ℃時(最快到21世紀40年代,SSP5-8.5),暖水珊瑚礁預計將減少70%～90%;當升溫2 ℃時,幾乎所有的(>99%)暖水珊瑚礁將會消失。海平面的快速上升將使得海岸帶紅樹林等濱海濕地面積減少和生物棲息地損毀,直接影響依賴其生存的生物及其多樣性(高信度)。人類活動,如圍填海和人工堤壩,使海岸濕地生境破碎化并阻礙了濕地生態(tài)系統(tǒng)因適應海平面上升而向陸地遷移的能力,極大地限制了海岸帶生態(tài)系統(tǒng)適應氣候變化影響的能力。海洋變暖、酸化、缺氧和富營養(yǎng)化等導致河口區(qū)生物群落結構改變和赤潮等有害藻華事件的頻發(fā)(高信度)。海洋熱浪引起大型海藻豐度減少、基巖海岸無脊椎動物數(shù)量和生長速率降低(高信度)。

海洋變暖和極端事件的頻發(fā)已使得海洋生物的物候特征、地理分布、物種組成和生命過程的關鍵節(jié)點發(fā)生了明顯變化(高信度)。海洋變暖引起的等溫線變遷使得近海和大洋生物出現(xiàn)普遍的向更高緯度遷移的現(xiàn)象,導致熱帶海域的生物量減少,生物多樣性降低;中緯度海區(qū)熱帶化趨勢明顯,外來物種入侵,物種群落結構發(fā)生改變;極地和亞極地海區(qū)浮游植物生長期提前,營養(yǎng)級結構發(fā)生改變。海洋變暖引起的層化加強和缺氧導致浮游植物生物量和初級生產(chǎn)總體呈現(xiàn)下降趨勢,但極區(qū)浮游植物生物量會增加。此外,海洋變暖、酸化和缺氧等氣候變化信號已經(jīng)開始傳遞到了200 m以下的深海區(qū)域,并影響到了深海生物的生命過程、系統(tǒng)多樣性和碳循環(huán)(中等信度)。

在氣候變化和人類活動共同影響下,未來全球海洋生態(tài)系統(tǒng)面臨的風險將不斷加劇,尤其是海岸帶和半封閉海域以及北冰洋海區(qū)(高信度)。盡管人類社會已經(jīng)采取了一些應對措施,如建立海洋保護區(qū)和開展紅樹林濕地生態(tài)修復,但已采取的氣候行動越來越不能應對日益增長的氣候風險。在高排放情景下,基于自然或生態(tài)系統(tǒng)的應對措施的有效性會隨著全球變暖的持續(xù)而不斷降低。因此,世界各國政府和民間組織要加強國際合作,全面、有效和創(chuàng)新地發(fā)展變革性的氣候變化行動措施,推動海洋和海岸帶生態(tài)系統(tǒng)恢復力的提升,同時需要盡快采取強有力的減排措施以減緩全球變暖。最近研究表明,氣候變化也已嚴重威脅到我國海岸帶和近海區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)及沿海地區(qū)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,亟須盡快加強全球變化綜合風險防范(蔡榕碩等,2020)。