多年预测的海洋栖息地变化如何帮助免受温度上升和氧气流失的影响

由于气候变化的综合影响，海洋生态系统面临着前所未有的挑战，气候变化正在影响海洋温度、溶解氧水平和海洋栖息地的整体健康状况。预测这些因素导致的海洋栖息地变化的能力对生物多样性保护、渔业管理和缓解生态系统退化具有深远影响。最近的研究表明，基于海洋温度和溶解氧对生物体能量平衡的共同制约，可以相当熟练地预测多年的栖息地变化。

海洋变暖和缺氧的影响

海洋生物对海洋温度和氧气水平等环境变量的变化高度敏感。随着全球气温上升，海洋吸收了地球约90%的多余热量，导致水温升高。除此之外，海洋缺氧（指海水中氧气的消耗）已被确定为海洋生物的主要威胁。这一现象因多种因素而加剧，包括水温升高、营养物污染和海水混合减少。

温度和溶解氧这两个因素对海洋栖息地有着深远的影响。海洋生物依赖充足的氧气供应进行新陈代谢，而温度则决定着海洋物种的整体生物活动和分布。水温升高和氧气供应减少会形成缺氧区，即氧气水平过低而无法支持许多海洋物种生存的区域，从而导致栖息地生存能力发生变化。

为了应对这些挑战，这项最新的研究通过了解这两个变量如何相互作用，可以预测有氧栖息地（即可以维持需要氧气的生命的栖息地）在较长时期内的生存能力。

温度和溶解氧之间的关系

海洋温度是影响海洋物种分布的一个基本因素。随着温度升高，海洋生物的代谢率也会增加，这通常会导致能量消耗增加。然而，如果温度超过物种的耐受极限，就会导致热应激，导致其死亡或迁移到较冷的水域。例如，在珊瑚礁中，海洋变暖会导致珊瑚白化并最终导致珊瑚死亡，而珊瑚是许多海洋物种的重要栖息地。

此外，海洋温度在分层（基于温度的水分层）中起着重要作用。较暖的水位于较冷的水之上，这会限制富含氧气的表层水与深层水的混合。这一过程称为热分层，会导致深层水域出现缺氧状况，因为氧气被分解的有机物消耗，但无法从表面得到补充。

溶解氧对大多数海洋生物的生存至关重要。溶解氧是生物体产生能量的有氧呼吸所必需的。缺氧是指氧气浓度低于可支持大多数海洋生物生存的水平的状态，通常低于2毫克/升。由于水温升高、富营养化（营养物质过度富集）和海洋环流改变，全球缺氧区正在扩大。

随着海洋温度上升，氧气在海水中的溶解度下降，这意味着海洋生物可获得的氧气减少。此外，较温暖的水域通常具有较低的垂直混合能力，这加剧了深海层缺氧区的形成。这些区域通常被称为死区，大多数海洋生物因缺氧而无法生存。

高温和低氧的结合给海洋生物带来了双重压力。这些条件对需氧生物尤其不利，因为它们的代谢过程依赖氧气。由于水温升高和氧气水平下降之间的相互作用，许多海洋生物受氧气和热量限制的栖息地正在缩小，它们被迫迁往不太适宜生存的地区。这两个因素的综合压力会改变物种组成，导致生态系统崩溃，并改变整个海洋环境的生物多样性模式。

新的研究发现

一项新的研究提出了一种基于温度和溶解氧的综合约束来预测海洋栖息地多年变化的新方法。通过将海洋学数据与对海洋物种能量需求的生理理解相结合，研究人员可以相当熟练地预测多年内的栖息地生存能力。

研究中的预测模型依赖于长期收集的海洋温度和溶解氧测量值的组合。这些数据来自全球监测系统、卫星数据和海洋调查。这些模型还整合了物种特定的生理数据，这些数据描述了物种无法生存的温度和氧气阈值。这些生理数据对于了解物种的有氧能力和耐受极限至关重要。

研究人员采用统计和机器学习技术来分析数据并生成预测模型。然后测试这些模型预测未来几年栖息地生存能力变化的能力，重点关注区域和全球范围。通过使用先进的计算方法，这些模型可以解释温度、氧气和物种反应之间的复杂相互作用，从而更准确、更全面地了解海洋栖息地的变化。

研究发现，有氧栖息地生存能力（由温度和氧气对生物体能量平衡的联合约束定义）在600米深的海洋中是可以预测的，这比简单的持续性预测有显著的改善。

在大多数生态系统中，溶解氧是影响海洋栖息地多年可预测性的主导因素。因为它表明氧气动态，而不仅仅是温度，在较长的时间尺度上（例如几年到几十年）决定着海洋生态系统的稳定性和变化。因此，预测较长时期栖息地生存能力的能力主要取决于对氧气波动的理解和预测。在缺氧脆弱性的温度敏感性不同的生态型之间存在显著的可预测性差异，尤其是在东北沿海地区，可预测性时间范围为2至10年。

海洋栖息地的生存能力并非仅由温度或氧气决定，而是由两者共同制约。随着温度升高，海洋容纳氧气的能力会下降，尤其是在深水区。水温升高和氧气损失之间的这种相互作用显著改变了海洋栖息地的有氧能力，而这对许多海洋物种的生存至关重要。研究表明，随着温度和氧气水平的变化，在目前条件下勉强生存的栖息地可能会变得不再适合居住。

该研究利用温度和氧气的综合影响，能够提高对多年生境变化的预测准确率。与以往通常侧重于短期预测的模型不同，这项研究表明，只要正确整合环境变量，长期预测也是可行的。这是一项重大成就，因为它为未来的海洋生物多样性管理和保护工作提供了一种更可靠的规划方式。

研究还发现，预计温度升高和缺氧将导致未来几十年可行海洋栖息地总量减少。在已经经历变暖和缺氧的地区，这种减少可能会导致物种分布发生重大变化，并可能导致敏感物种灭绝。研究强调，许多物种可能无法适应这些变化，因为可行栖息地变得越来越稀少。

研究结果表明，准确预测海洋栖息地的生存能力需要综合考虑温度和溶解氧水平。这两个因素的综合影响比它们各自的影响更为关键。未来的气候模型必须考虑这种相互作用，才能对海洋生态系统的变化做出可靠的预测。面对气候变化，这一工具对于预测海洋栖息地变化至关重要。

思考

虽然这项研究将温度和溶解氧作为栖息地生存能力的主要制约因素，但并未充分考虑捕食者-猎物动态、竞争和共生等生物相互作用，这些相互作用在生物如何应对环境压力方面发挥什么作用？

该研究提供了普遍性的预测，但由于局部海洋条件（例如上升区、沿海影响和洋流变化）的影响，海洋栖息地表现出高度的空间和时间如何变化？

该研究主要关注温度和氧气，但海洋酸化（由二氧化碳水平升高引起）是影响海洋栖息地的一个关键因素，特别是对于珊瑚、贝类和浮游生物等钙化生物，海洋酸化在栖息地转变中有什么作用？

参考文献：Zhuomin Chen, Samantha Siedlecki, Matthew Long, Colleen M. Petrik, Charles A. Stock & Curtis A. Deutsch ，Skillful multiyear prediction of marine habitat shifts jointly constrained by ocean temperature and dissolved oxygen.  Nature Communications volume 15, Article number: 900 (2024) ，doi.s41467-024-45016-5

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