南黄海“缺氧”之谜，生物活动竟是幕后黑手

你知道我们的海洋正在悄悄发生变化吗？其中一个令人担忧的现象就是海洋“缺氧”，也就是溶解氧含量的降低。而最近，一项新的研究揭示了一个令人惊讶的事实：在南黄海，生物活动才是导致海洋缺氧的主要原因。

海洋是一个巨大的生态系统，海洋生物，从微小的浮游生物到大型鱼类，都需要呼吸氧气。当这些生物死亡后，它们的尸体会沉入海底，被细菌分解。在这个过程中，细菌会消耗大量的氧气，导致海水中的氧气含量降低。此外，海洋中的藻类在光合作用时会产生氧气，但在夜间或光照不足时，它们也会消耗氧气。如果藻类大量繁殖，死亡后又迅速分解，就会导致局部海域的氧气含量急剧下降，形成“死区”。

以往，我们通常认为海洋缺氧是由于物理因素，比如水温升高、洋流变化等造成的。然而，这项研究通过机器学习等先进技术，分析了大量海洋数据，发现生物活动，尤其是海洋生物的呼吸作用和有机物的分解，在黄海的缺氧过程中扮演了更为重要的角色。

该研究重点介绍了如何使用机器学习技术（特别是随机森林算法）来模拟南黄海海面二氧化碳分压( pCO2 )。该研究利用遥感卫星数据，包括海面温度、叶绿素浓度、下行辐射的漫射衰减和现场盐度，来训练和测试该模型。研究结果表明，光合作用和耗氧量等生物活动是控制该地区缺氧的主要因素。该模型比以前的模型有显著的改进，均方根差( RMSD )为43 µatm ，判定系数( R2 )为0.67。研究还发现，模拟的pCO2以每年0.36 µatm的速度增加，这比大气pCO2的上升速度要慢​​​，这表明南黄海吸收二氧化碳的速度比大气慢​​​​​​​​。

这项研究不仅加深了我们对南黄海生态系统的理解，也为我们保护海洋环境提供了新的思路。通过了解生物活动对海洋缺氧的影响，我们可以采取更有针对性的措施，比如控制污染、保护海洋生物多样性，从而缓解海洋缺氧的问题。

参考文献：Qingyi Liu 1,Chunli Liu 1 2,Qicheng Meng 2 3,Bei Su 4,Haijun Ye 5,Bingzhang Chen 6,Wei Li 1,Xinyu Cao 1,Wenlong Nie 1,Nina Ma 1，Machine learning reveals biological activities as the dominant factor in controlling deoxygenation in the South Yellow Sea. Continental Shelf Research，doi.org/10.1016/j.csr.2024.105348

一、什么是机器学习？机器学习在海洋科学方面的应用有哪些？

机器学习是一种人工智能（AI），它允许计算机无需明确编程即可从数据中学习。 机器学习算法可以识别复杂数据集中的模式和关系，从而做出预测或分类。  

一种流行的机器学习算法是随机森林算法。它的工作原理是创建大量决策树，每棵树都根据数据的随机子集和随机选择的特征进行训练。然后，新的数据点通过每棵树传递，树中最常见的预测被视为最终输出。这种方法有助于减少方差和过度拟合，从而产生更准确的模型。

在海洋学领域，随机森林算法已成功应用于提高估算海洋表面二氧化碳分压 (pCO2) 的模型的准确性。pCO2 是了解海气气体交换和海洋酸化的关键参数。通过使用随机森林等机器学习算法，科学家可以分析来自卫星、船舶巡航和浮标的大量数据集，结合温度、叶绿素浓度和风速等因素，以创建更准确的 pCO2 地图。

机器学习在海洋科学中除了 pCO2 估算外，还有广泛应用于水下视频图像对鱼类进行分类、预测有害藻华、分析复杂的海洋数据以了解气候变化的影响等。

随着机器学习的不断发展，其在海洋科学领域的应用预计将进一步增长，帮助我们更好地了解和保护海洋。

二、生物活动如何影响南黄海的缺氧？​​

生物过程在导致南黄海缺氧（低氧水平）方面发挥着关键作用。研究发现，来自陆地的过量营养物质输入促进了藻类的生长，尤其是像绿潮这样的有害藻华，当这些藻华死亡、分解时，会消耗大量溶解氧，导致缺氧。海洋生物，从微小浮游生物到大型鱼类，在呼吸过程中都会消耗氧气。在生物生产力较高的地区，耗氧量会耗尽底层水域的氧气水平。浮游植物群落中从硅藻向甲藻的转变可能导致缺氧。甲藻通常与有害藻华有关，并可能导致氧气消耗增加。浮游植物产生的有机物沉入海底，被细菌分解。这一过程消耗了底层水中的氧气。

总之，藻华、呼吸作用和有机物分解等生物活动在南黄海的缺氧条件形成中起着重要作用。这些过程往往因人类活动而加剧，例如来自陆地来源的营养物污染。

三、为什么南黄海吸收二氧化碳的速度比大气慢？

​​​南黄海海-气CO2通量随季节变化显著​​。研究发现，春季，该地区由于光合作用活跃而充当二氧化碳吸收器，但在夏季，由于呼吸作用和分解作用增强，该地区可能成为二氧化碳来源。营养物质前沿在运输营养物质方面起着至关重要的作用，这会影响氧气水平和二氧化碳的吸收率。垂直混合和海-气二氧化碳交换过程全年变化，影响总体二氧化碳吸收率。南黄海的二氧化碳分压(pCO2)存在空间差异，一些地区二氧化碳不足，而另一些地区二氧化碳过饱和。

这些因素共同导致二氧化碳的吸收速度比大气慢。

四、南黄海二氧化碳吸收率减缓如何影响南黄海缺氧？

南黄海二氧化碳吸收率减缓与缺氧之间存在密切的联系。二氧化碳吸收率的降低会加剧南黄海的缺氧问题。

当海洋吸收更多的二氧化碳时，海水酸度会增加。这种酸化会影响海洋生物的生理功能，尤其是那些需要碳酸钙构建外壳的生物，如贝类和珊瑚。此外，酸化还会影响海洋生物的代谢过程，从而间接导致海洋生态系统的失衡，加剧缺氧问题。海水温度升高会降低氧气的溶解度。而二氧化碳吸收率的减缓可能与海水温度升高有关。当海水温度升高时，海水对氧气的吸收能力下降，从而导致海洋缺氧。海洋酸化会加速有机质的分解过程，消耗更多的氧气，进一步加剧缺氧。海洋酸化和缺氧会改变海洋生态系统的结构和功能，导致某些物种数量减少甚至灭绝，而另一些物种则过度繁殖，进一步加剧生态失衡。

总的来说，南黄海二氧化碳吸收率的减缓是导致海洋酸化和缺氧的重要原因之一。 这种变化不仅影响海洋生物的生存，还会对整个海洋生态系统产生深远影响。

五、思考

哪些特定的生物过程（例如细菌呼吸、藻华）是造成脱氧的主要原因，它们如何相互作用？不同的微生物群落对于驱动脱氧起着什么作用，以及这些群落如何随着时间和空间的变化而变化？

温度、盐度和营养负荷等环境因素如何与生物过程相互作用来影响脱氧？气候变化在改变这些相互作用和加剧脱氧方面发挥了什么作用？

脱氧的空间模式与上升流、分层和河流输入等潜在的生物和物理过程有何关系？缺氧的季节和年际变化及其根本原因是什么？

缺氧如何影响海洋生态系统（例如生物多样性、渔业、碳循环）？缺氧对较高营养级（如鱼类、海洋哺乳动物）有何连锁反应？

这些有趣的问题旨在激发你的思考，助你更深入地理解，希望能为你带来新的启示和帮助~~~

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