Effects of global change on key processes of primary production in marine ecosystems

工业革命以来, 不断加剧的人类活动所引起的大气CO₂浓度增加、温度上升等全球变化问题, 正使得海洋生态系统面临着前所未有的压力。该文通过文献计量的方法分析了国内外的研究现状, 简要地回顾了全球变化对海洋生态系统影响研究的发展简史, 并聚焦海洋暖化、海洋酸化和富营养化与缺氧这三个核心研究方向, 重点阐述了它们对海洋生态系统初级生产的关键过程的影响, 总结了已取得的重要进展以及存在的主要问题, 最后提出前沿展望。     

海洋外来物种入侵生态学研究

海洋外来物种入侵已成为最为严重的全球性环境问题之一。海洋生态系统类型多样、环境复杂,其生物入侵的监测、控制与管理难度相对较大。我国对陆地外来生物的入侵已开展了较为深入的研究,但对于海洋外来生物的入侵研究仍处于起步阶段,对其入侵监测、入侵机制、入侵危害的程度以及防治等问题缺乏基础数据。本文在分析国内外海洋外来生物入侵现状的基础上,概述其入侵生态学研究形势及相关成果,包括海洋外来物种的入侵途径、入侵过程、入侵生态效应以及全球变化对入侵的影响等。海洋外来生物的入侵可能对海洋生态系统造成直接或间接的影响,如种间竞争破坏生态环境、与土著种杂交造成遗传污染、病原生物及有毒藻类导致海洋生态灾害加剧等。此外,从政策和法规、入侵风险评估、监测和公共宣传教育、生物信息系统和有效管理机制等方面提出对我国海洋外来物种入侵的防治策略。本研究为我国海洋外来物种的进一步研究提供了参考。     

海洋酸化对微藻关键生理过程的调控机制及环境因素的影响

人类活动排放大量的CO₂通过海气界面进入海洋,打破原有海水碳酸盐平衡进而造成海洋酸化(OA)。OA会影响海水和海洋污染物的理化性质,进而对生活在海洋表层的浮游藻类生理过程产生显著调控作用。海洋微藻作为海洋中主要的初级生产者,其生理功能与过程的正常进行对于海洋生态系统具有重要作用。本文综述了OA对海洋微藻光合固碳、钙化过程、固氮作用3个关键生理过程的调控作用和具体机制,总结了OA条件下,环境因素(如太阳辐射、温度、营养元素)对微藻生理过程和生长的影响,以及OA通过改变典型海洋污染物(如有机污染物、重金属、微塑料)的环境行为而对微藻生理过程的调控作用。最后,结合研究现状,对未来需要开展的研究方向进行展望。本文为进一步了解OA对海洋生态系统的潜在影响提供了重要信息。     

采用遥感手段估算海洋初级生产力研究进展

海洋初级生产力的精确估算对渔业资源评估与管理、海洋生态系统和全球变化等研究具有重要意义.传统的现场测量与估算方法必须依赖于随船采样数据.卫星遥感具有能够获取实时的、大尺度的、动态的海洋环境参数的优点,因此卫星遥感日益成为大尺度海洋初级生产力估算的重要手段.本文从海洋水色传感器的发展历程出发,着重归纳了以叶绿素、浮游植物碳和浮游植物吸收系数为参量的海洋初级生产力的遥感估算方法,并就这3类模型的适应性和复杂程度进行了讨论.在此基础上,进一步分析评价了全球海洋初级生产力遥感估算的研究现状.鉴于当前海洋初级生产力遥感估算研究中存在的问题,今后的研究需要在4个方面进一步加强:1)对全球海洋初级生产力估算进行分区域研究;2)加深对浮游植物吸收系数的研究;3)提高海洋遥感技术水平;4)加强实地测量技术的研究.     

海洋浮游生物的生态化学计量学研究进展

生态化学计量学可以简单定义为从分子到生物圈的元素生物学,其跨越了环境和生命的各个层次,是构建从分子到生态系统统一化理论的新思路,是生态科学发展的必然趋势.海洋生物占地球生物圈总生物量的50%,是全球生物地球化学循环的重要组成部分,而浮游生物作为海洋生态系统物质循环和能量流动的重要环节,在海洋生态系统元素循环过程中起着关键作用.但是目前关于海洋浮游生物生态化学计量学的研究较零散和缺乏.因此,本文从限制元素影响海洋浮游生物的生态现象和机理、生化物质对营养限制的响应、营养限制的食物链传递与反馈4方面,对海洋浮游生物化学计量学研究进行综述,分析了该领域当前存在的问题,并对我国海洋浮游生物生态化学计量学研究的发展重点提出了展望.
     

基于复合生态系统理论的海洋生态监控区区划指标框架研究

海岸带是海陆生态系统的交错带,其生态系统对社会经济发展和全球变化敏感、脆弱。随着沿海各省市新一轮开发规划的实施,近岸海域生态环境面临巨大压力,海洋生态管理面临着新的经济、环境问题,海洋生态监控区需要进行适应性调整。海洋生态监控区,指依据海洋生态特征和问题冲突特点而确定的、通过生态监测和评价而提出的用于保护管理和开发利用调控的海洋区域。海洋生态监控区是基于生态系统的海洋管理的重要手段,是海洋生态系统管理的重要基础。基于复合生态系统理论,从自然视角、经济视角和社会视角3个方面深入分析了海洋生态重要性区域的内涵,并结合生态社会与生态系统服务描述了海洋生态监控区内涵;结合沿海社会经济发展新趋势和海洋生态系统管理需要,从管理学、生态学、管理对象及管理实施等方面探讨了海洋生态监控区区划的原则;分析了影响海洋生态监控区的主要因素,结合近岸海域生态系统主要服务功能,构建了区划指标体系,包括自然环境、生态系统和社会经济和三大方面14个指标。     

海洋病毒——海洋生态系统结构与功能的重要调控者

摘要：作为海洋生态系统中的重要成员,海洋病毒在调节海洋生态系统中的群落结构、种群数量、物质循环、生物间遗传物质的转移以及气候变化等方面起着重要的作用。本文概述了近年来对海洋病毒的研究进展,讨论了海洋病毒对海洋生态系统结构和功能的重要调控作用,并对海洋病毒的研究前景进行了展望。     

集约用海对海洋生态环境影响的评价方法

集中集约用海是一种相对高效、生态和科学的用海方式,但也不可避免会干扰海洋生态系统,甚至带来海洋环境污染和生态破坏。因此,将集约用海工程对海洋生态环境的影响降到最低,进行集约用海对海洋生态环境影响的科学评价是十分重要的。通过分析集约用海工程对海洋生态系统的影响,提出了集约用海工程对海洋生态环境影响评价的主要内容、思路和流程,从海洋生态系统的非生物因子和生物因子两个方面构建了基于"生境质量"和"生态响应"的集约用海对海洋生态环境影响的评价指标体系。"生境质量"指标反映了集约用海工程影响海域的海洋生物栖息环境质量状况的变化,主要包括水环境、沉积环境和典型物种的生物质量指标,"生态响应"指标反映了集约用海工程影响的海域不同营养级的生物对变化环境的生态响应,它主要包括生物群落结构指标和生态敏感区结构、功能指标。在此基础上,结合我国海洋生态环境监测和评估现状,研究并确定了生态环境影响的各评价因子的权重、标准及评价等级,建立了集约用海对海洋生态环境影响的综合指数法评价模型,通过集约用海工程建设前后生态环境综合指数的变化量ΔE来定量地衡量其对海洋生态环境影响的程度。以期为适宜的集约用海工程规模和科学选址提供技术支撑。     

海洋酸化生态学研究进展

工业革命以来,人类排放的大量二氧化碳引起温室效应的同时,也被海洋吸收使得全球海洋出现了严重的酸化。海洋酸化及伴随的海水碳酸盐化学体系的变化对海洋生物产生深远的影响。以海洋酸化对钙化作用和光合作用的影响为重点,总结了近年来关于海洋酸化的研究,介绍了海洋中不同生态系统对海洋酸化的响应。一方面,海水中CO23-浓度和碳酸钙饱和度的降低对海洋钙化生物造成严重损害,生活在高纬的冷水珊瑚和翼足目等文石生产者是最早的受害者;贝类和棘皮动物在钙化早期对海洋酸化尤其敏感,其幼体存活率受到海洋酸化的严重制约。另一方面,CO2浓度的增加能促进海洋植物的光合作用和生长,增加初级生产力,改变浮游植物的群落组成。此外,海洋酸化可以促进固氮和脱氮作用同时削弱硝化作用,改变溶氧浓度分布和金属的生物可利用性,从而对海洋生物产生间接影响。海洋酸化对海洋生态系统的影响机制复杂,影响程度深远。为了能准确的评估海洋酸化的生态学效应,需要更全面深入的研究。     

单细胞原生生物在海洋碳汇研究中的重要性和展望

海洋是地球上最大的碳库,通过对CO~2的固定以及与大气物质和能量的交换,海洋对全球气候的变化起到关键的调控作用。随着全球气候变化的加剧,增加海洋碳汇已经成为应对全球气候变化的热门研究课题和主要途径之一。海洋微型生物在海洋的固碳过程及碳循环中起到关键的作用,对海洋碳汇意义重大。本文综述了一类重要的海洋微型生物——单细胞原生生物在海洋碳汇研究中的重要性,分析了其中的代表——网粘菌门(Labyrintholomycota)原生生物在海洋碳循环和次级生产中的意义,并从清楚地认识海洋碳汇的过程和机制方面,提出未来该领域急需解决的科学问题和可能的研究方案,为丰富海洋碳汇研究的生物学基础提供理论依据。     

海洋酸化效应对海水鱼类的综合影响评述

人类活动引起的大气CO2浓度的升高,除了使全球温度升高外,导致的另一个严重生态问题——海洋酸化(Ocean acidification,OA),受到社会各界包括科研界的高度重视,该领域的大部分研究结果都是在近十年才发表出来的,目前还有很多需要解决的问题。海洋酸化的研究涉及到很多学科的交叉包括化学、古生物学、生态学、生物地球化学等等。在生物学领域,海洋酸化主要围绕敏感物种,例如由碳酸钙形成贝壳或外骨骼的贝类,珊瑚礁群体等。鱼类作为海洋脊椎动物的代表生物类群,自身具有一定的酸碱平衡调节能力,但相关海洋酸化方向的研究并不是很多。尽管人们对于海洋酸化对鱼类的影响了解甚少,这并不说明海洋酸化对鱼类没有作用或者效应小,在相关研究逐步展开的同时,发现鱼类同样受到海洋酸化的危害,几乎涉及到鱼类整个生活史和几乎大部分生理过程,尤其是早期生活史的高度敏感。因此就目前国内外对此领域研究结果做综述,以期待业界同行能够对海水鱼类这个大的类群引起重视。     

海洋酸化对珊瑚礁生态系统的影响研究进展

目前,大气CO2浓度的升高已导致海水pH值比工业革命前下降了约0.1,海水碳酸盐平衡体系随之变化,进而影响珊瑚礁生态系统的健康。近年来的研究表明海洋酸化导致造礁石珊瑚幼体补充和群落恢复更加困难,造礁石珊瑚和其它造礁生物(Reef-building organisms)钙化率降低甚至溶解,乃至影响珊瑚礁鱼类的生命活动。虽然海洋酸化对造礁石珊瑚光合作用的影响不显著,但珊瑚-虫黄藻共生体系会受到一定影响。建议选择典型海区进行长期系统监测,结合室内与原位模拟试验,从个体、种群、群落到系统不同层面,运用生理学和分子生物学技术,结合生态学研究手段,综合研究珊瑚的相应响应,以期深入认识海洋酸化对珊瑚礁生态系统健康(例如珊瑚白化)的影响及其效应。     

景观生态学:海洋生态系统研究的一个新视角

全球海洋生态系统作为异质性的复杂巨系统是一类景观生态系统 ,具有明显的等级结构 ,因此 ,景观生态学的原理和方法完全可以应用到海洋生态学的研究中来。生态系统的尺度限制了海洋生态学向更加宏观的方向进一步发展 ,在景观的水平上 ,运用景观生态学的理论和方法可以更好地在多个尺度上开展深入广泛的研究。本文不仅讨论了海洋景观的空间异质性 ,而且就海洋景观生态学的若干研究方向进行了探讨。     

Ocean acidification refugia in variable environments

Climate change refugia in the terrestrial biosphere are areas where species are protected from global environmental change and arise from natural heterogeneity in landscapes and climate. Within the marine realm, ocean acidification, or the global decline in seawater pH, remains a pervasive threat to organisms and ecosystems. Natural variability in seawater carbon dioxide (CO₂) chemistry, however, presents an opportunity to identify ocean acidification refugia (OAR) for marine species. Here, we review the literature to examine the impacts of variable CO₂ chemistry on biological responses to ocean acidification and develop a framework of definitions and criteria that connects current OAR research to management goals. Under the concept of managing vulnerability, the most likely mechanisms by which OAR can mitigate ocean acidification impacts are by reducing exposure to harmful conditions or enhancing adaptive capacity. While local management options, such as OAR, show some promise, they present unique challenges, and reducing global anthropogenic CO₂ emissions must remain a priority.     

基于文献计量的全球海洋酸化研究状况分析

海洋酸化(Ocean acidification)为目前备受人们关注的全球性问题。因此为了能够客观地揭示海洋酸化的研究态势,研究采用文献计量分析(Bibliometric analysis)的方法,以海洋酸化概念提出后(2004年以后)ISI Web of Science期刊引文数据库中涉及到海洋酸化研究的所有文献为样本,对文献的增长趋势及期刊分布进行描述统计,并基于关键词的知识图谱及突变分析的方法探究海洋酸化的热点关注方向随时间的变动及研究前沿。描述统计表明:海洋酸化概念提出的这十多年来,涉及海洋酸化的研究文献数量呈现激增的态势,研究学科交叉明显,海洋酸化对珊瑚礁的影响是这十年来的重点研究领域。从基于关键词的知识图谱可以看到,在海洋酸化研究初期(2004—2009年),研究内容主要分为两个部分,一是海洋酸化对海洋生物(尤其是珊瑚礁生物及浮游植物)及生态系统的影响;二是对海洋酸化现象的认识;中期(2010—2015年),研究内容与初期相似,研究重点往海洋生物上倾斜,同时有新的热点研究区域和研究方向的出现;近期(2016年以后),海洋酸化对海洋生物影响的研究依旧占据着主流研究方向。对基于突变分析得到的当前(2018年2月)海洋酸化研究的热点关注的文献分析发现,当前海洋酸化的研究存在以下5个前沿方向:(1)在探究海洋酸化与生物的关系之时需结合多因子讨论;(2)探索生物在海洋酸化下的内在应对机制;(3)海洋酸化影响下的生物响应的综合评估及预测;(4)探索海洋酸化对海洋生态系统的影响;(5)对海洋酸化概念的挑战——海洋酸化形成原因的探索。     

Solutions for ecosystem‐level protection of ocean systems under climate change

The Paris Conference of Parties (COP21) agreement renewed momentum for action against climate change, creating the space for solutions for conservation of the ocean addressing two of its largest threats: climate change and ocean acidification (CCOA). Recent arguments that ocean policies disregard a mature conservation research field and that protected areas cannot address climate change may be oversimplistic at this time when dynamic solutions for the management of changing oceans are needed. We propose a novel approach, based on spatial meta‐analysis of climate impact models, to improve the positioning of marine protected areas to limit CCOA impacts. We do this by estimating the vulnerability of ocean ecosystems to CCOA in a spatially explicit manner and then co‐mapping human activities such as the placement of renewable energy developments and the distribution of marine protected areas. We test this approach in the NE Atlantic considering also how CCOA impacts the base of the food web which supports protected species, an aspect often neglected in conservation studies. We found that, in this case, current regional conservation plans protect areas with low ecosystem‐level vulnerability to CCOA, but disregard how species may redistribute to new, suitable and productive habitats. Under current plans, these areas remain open to commercial extraction and other uses. Here, and worldwide, ocean conservation strategies under CCOA must recognize the long‐term importance of these habitat refuges, and studies such as this one are needed to identify them. Protecting these areas creates adaptive, climate‐ready and ecosystem‐level policy options for conservation, suitable for changing oceans.     

Defining CO2 and O2 syndromes of marine biomes in the Anthropocene

Research efforts have intensified to foresee the prospects for marine biomes under climate change and anthropogenic drivers over varying temporal and spatial scales. Parallel with these efforts is the utilization of terminology, such as ‘ocean acidification’ (OA) and ‘ocean deoxygenation’ (OD), that can foster rapid comprehension of complex processes driving carbon dioxide (CO₂) and oxygen (O₂) concentrations in the global ocean and thus, are now widely used in discussions within and beyond academia. However, common usage of the terms ‘acidification’ and ‘deoxygenation’ alone are subjective and, without adequate contextualization, have the potential to mislead inferences over drivers that may ultimately shape the future state of marine ecosystems. Here we clarify the usage of the terms OA and OD as global, climate change‐driven processes and discuss the various attributes of elevated CO₂ and reduced O₂ syndromes common to coastal ecosystems. We support the use of the existing terms ‘coastal acidification’ and ‘coastal deoxygenation’ because they help differentiate the sometimes rapid and extreme nature of CO₂ and O₂ syndromes in coastal ecosystems from the global, climate change‐driven processes of OA and OD. Given the complexity and breadth of the processes involved in altering CO₂ and O₂ concentrations across marine ecosystems, we provide a workflow to enable contextualization and clarification of the usage of existing terms and highlight the close link between these two gases across spatial and temporal scales in the ocean. These distinctions are crucial to guide effective communication of research within the scientific community and guide policymakers responsible for intervening on the drivers to secure desirable future ocean states.     

The impacts of climate change in coastal marine systems

Anthropogenically induced global climate change has profound implications for marine ecosystems and the economic and social systems that depend upon them. The relationship between temperature and individual performance is reasonably well understood, and much climate-related research has focused on potential shifts in distribution and abundance driven directly by temperature. However, recent work has revealed that both abiotic changes and biological responses in the ocean will be substantially more complex. For example, changes in ocean chemistry may be more important than changes in temperature for the performance and survival of many organisms. Ocean circulation, which drives larval transport, will also change, with important consequences for population dynamics. Furthermore, climatic impacts on one or a few 'leverage species' may result in sweeping community-level changes. Finally, synergistic effects between climate and other anthropogenic variables, particularly fishing pressure, will likely exacerbate climate-induced changes. Efforts to manage and conserve living marine systems in the face of climate change will require improvements to the existing predictive framework. Key directions for future research include identifying key demographic transitions that influence population dynamics, predicting changes in the community-level impacts of ecologically dominant species, incorporating populations' ability to evolve (adapt), and understanding the scales over which climate will change and living systems will respond.     

Twenty‐first‐century climate change impacts on marine animal biomass and ecosystem structure across ocean basins

Climate change effects on marine ecosystems include impacts on primary production, ocean temperature, species distributions, and abundance at local to global scales. These changes will significantly alter marine ecosystem structure and function with associated socio‐economic impacts on ecosystem services, marine fisheries, and fishery‐dependent societies. Yet how these changes may play out among ocean basins over the 21st century remains unclear, with most projections coming from single ecosystem models that do not adequately capture the range of model uncertainty. We address this by using six marine ecosystem models within the Fisheries and Marine Ecosystem Model Intercomparison Project (Fish‐MIP) to analyze responses of marine animal biomass in all major ocean basins to contrasting climate change scenarios. Under a high emissions scenario (RCP8.5), total marine animal biomass declined by an ensemble mean of 15%–30% (±12%–17%) in the North and South Atlantic and Pacific, and the Indian Ocean by 2100, whereas polar ocean basins experienced a 20%–80% (±35%–200%) increase. Uncertainty and model disagreement were greatest in the Arctic and smallest in the South Pacific Ocean. Projected changes were reduced under a low (RCP2.6) emissions scenario. Under RCP2.6 and RCP8.5, biomass projections were highly correlated with changes in net primary production and negatively correlated with projected sea surface temperature increases across all ocean basins except the polar oceans. Ecosystem structure was projected to shift as animal biomass concentrated in different size‐classes across ocean basins and emissions scenarios. We highlight that climate change mitigation measures could moderate the impacts on marine animal biomass by reducing biomass declines in the Pacific, Atlantic, and Indian Ocean basins. The range of individual model projections emphasizes the importance of using an ensemble approach in assessing uncertainty of future change.