深海吸收了大量的热量和二氧化碳，是应对气候变化的重要缓冲，但在水温升高、海洋酸化、脱氧作用和粮食投入改变的联合压力下，海洋的生态系统十分脆弱。由此引起的变化可能会威胁到海洋的生物多样性，危害海洋的关键功能，不利于保持健康的地球生态和人类生活。目前，针对将发生的深海物理和生态反馈的理解还远远不够。明确承认深海能减缓气候变化并将其纳入联合国气候变化框架公约（UNFCCC）的规划，有助于发展深海研究和观测，保护深海生态系统的完整性和功能。
地球上大部分生命的栖息地不是陆地。90%以上适于生命居住的地方是海平面以下200米的深海。在这个疆域辽阔的王国里，有着与陆地完全不同的生态系统，通过吸收大气中的热量和CO2来调节地球气候。深海能缓解温室效应，但在此过程中，海水温度升高、酸化、含氧量减少。这些变化危及海洋的可持续产出、生物多样性和生物资源供应。深海生物多样性的潜在损失可能抑制适应能力，并减少物种、基因、生物分子的种类。深海的调节能力能减缓气候变化，同时回收利用陆地生态系统的营养物质，出产食物，提供经济和社会效益。但是，探索广阔的深海耗资巨大，其大部分物种尚不可知。在深海中，大部分气候变化的影响将仍然是未知数，只有在其脆弱的生态系统上才能反映出来。
与陆地和近岸海洋不同，深海生态系统拥有一些特性，形成自己应对气候变化的响应机制。基于卫星测绘和机器人的研究表明，海底地形非常复杂。海底山脉、峡谷、深海热泉和甲烷冷泉等深海栖息地，是生物多样性和生物总量的热点地区，集中了光合作用和化学合成的能量，是重要商业资源的来源地。
图1.深海中的人类活动与气候变化。该图说明了人类目前和计划中的海洋开发活动，这些活动与废物处理将在海水中引入二氧化碳，从而在海洋的不同深度引起温度、pH以及氧化等方面的变化。在大陆边缘和半深海区，人为原因和气候压力将最大限度重叠，而在深海中的变化将危及全球
不仅如此，在缺乏营养的海水下，也存在广阔的深海栖息地。在这些地方，时间几乎静止不动。经过数百万年才能形成土豆大小的锰结核，生物生长缓慢，受到人为干扰后完全恢复可能需要百年以上。海洋表面的热量、氧、CO2以及颗粒有机碳（POC）通过海洋环流和混合作用与深海生态系统相通，深海生态系统由此与气候变化直接相连。在这类深海环境中，动物能活几百年（鱼）到几千年（珊瑚群）。寿命长久、环境稳定，决定了这里的适应能力有限，从海底变化到鱼类产量或碳封存变化产生可检测的变化可能需要很长时间。目前全球海洋总面积一半以上的水域不在任何国家管辖范围内，不同的监管机构负责管理水中的生物资源和海底矿产资源，而对于在气候变化下的易受到损害的生物多样性，其保护政策尚处于真空期。
图2.与气候压力相互作用的胜利者与失败者。（A ）由于海水变暖，帝王蟹入侵南极帕尔默半岛附近深海。（B）最近在大西洋沿岸，水温升高促进海底的甲烷释放，冷泉生物群增多。（C）地中海峡谷中，冷水珊瑚礁容易受到水温变暖和酸化的影响。（D）在东太平洋边缘，具有缺氧耐受能力的洪堡鱿鱼（茎柔鱼）分布范围变广，与缺氧海域的扩张范围一致。[图片来源：（A）K. 赫尔曼和C·史密斯摄，美国国家科学基金会LARISSA和根特大学HOLANT项目。（B）Deepwater Canyons 2013-Pathways to the Abyss摄，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）探索与研究办公室，美国地质调查局。（C）N. Le Bris摄，生态地球化学海底环境实验室（LECOB），UPMC基金会。（D）R·斯塔尔（LECOB）摄，NOAA-科德尔·贝克国家海洋保护区]
海水升温
在气候相关的时间尺度（通常为几十年）上，缺乏深海的长期水文和生物多样性数据。不过重复的海洋测量已经能估算深海盆地中10年间水温升高的情况，每10年，全球海洋水温平均升高0.1°C。然而，不同的深海盆地具体情况也各有不同。例如，在北极和大洋南部，有记录的升温率要高得多。
大多数深海物种生活在非常稳定的水温条件中，水温升高1℃，甚至不到1℃就可能向物种施加压力，导致物种分布发生变化，改变物种相互作用。在南极帕尔默半岛附近，升温阈值是1.4℃，超过阕值后，石蟹就会入侵，这种贪婪的捕食动物出现是水底无脊椎动物的灭顶之灾。在地中海，自然升温的海水会达到13°至14°C，这个温度将接近深水珊瑚的承受阈值。在半封闭式海洋盆地里，剧烈的深水对流活动使水温升高过程快速而不均匀，导致生态系统的快速变化且很难预测。
在半深海区（200至2000米）上部，水温升高还会分解天然气水合物，从大陆边缘释放更多的甲烷。气候引起的暖流移动（如墨西哥湾流）可能从海底释放出数亿吨甲烷冰，超过了能氧化甲烷的渗透微生物和动物生物群的缓冲能力。
酸化
过量吸收大气中的CO2、水体中有机物的氧化都是全球中等深度水域酸化的原因；随之而来的是，富含CO2的海水通过温盐环流造成北大西洋迅速酸化。对目前深海中的由酸化引起的生物学后果还缺乏直接观察，深海生物研究也还很少，因为要想在实验室中保持深海生物存活很不容易。CO2浓度增加会减少钙质壳体生物在多个生长阶段的适宜栖息地范围，因为能腐蚀（不饱和的）碳酸钙的水层深度将向上移动。科学家特别关注酸化对深海珊瑚的影响，珊瑚的三维碳酸钙结构就像巨大的花园，滋养高度多样化的生物群落，为经济鱼类提供关键栖息地。在不饱和碳酸钙的自然水域中很少有深海珊瑚生长，表明这些基础物种生长所需的能量消耗在这些条件下增高。
脱氧作用
变暖的海洋含氧量更少。温暖的海洋比较容易分层，因为温水比冷水密度小，密度梯度增加会减少垂直混合作用。温暖海水中氧的溶解度降低，同时温差分层增加，这样的组合效应造成大面积水域含氧量减少，称为脱氧作用。在水深200至700米的海水中，脱氧作用具有重大影响，50年来，它已经在东太平洋和印度洋热带和亚热带海域形成大片自然缺氧带。全球自然形成的低氧区（最小含氧区或OMZs）不断扩张，已导致不能在水底生活的、海洋中层的、长嘴鱼类等多种生物的栖息地压缩，同时如洪堡鱿鱼等缺氧耐受性品种的栖息地扩张。氧对海洋生物多样性有巨大的控制力，能影响物种的进化、生理、繁殖、行为和物种之间的相互作用。就如同厄尔尼诺――南方涛动（ENSO）所引起的氧含量变化所示。除历史核心数据，目前还很少有长期研究把氧含量下降与深海海底现存生态系统的变化联系起来。
有机物通量和流体力学
海水分层增加不仅限制深水区的空气流通，也减少了深海对海水表面的营养供给，深海是有机物重复利用的场所。科学家推断，浮游植物产量减少将导致流到深海的POC通量变少，特别是在中低纬度地区。在大面积贫营养水域内，本已缺乏食物的深海平原可能会进一步失去有机物供给，从而降低底栖生物量、改变呼吸作用和生物扰动速度。从全球来看，在10年至1个世纪的时间尺度上，预测表明了类似的趋势，影响了80％的生物多样性热点地区，如峡谷或海山。但地区差异明显，如东北太平洋等上升流水域下方的深海，在10年周期上POC通量增加。此外，这一过程对气候比较敏感，由大气过程（风暴引起的对流，中尺度涡，高密度瀑布流）调控的短期事件会加速表面和深水域之间交换。这些事件可以通过干扰栖息地和增强的POC通量影响深海底栖生物，控制着深海生态系统维持渔业生产和提供重要的调节性服务的能力。
“削减和停止二氧化碳排放毫无疑问是防御的第一道防线，但是……深海将继续经受累积排放的影响。”
应激源相互作用
正如在浅水区一样，深海生态系统中气候压力间的相互作用是复杂的。例如，气候变暖加上酸化预计将使南澳大利亚边缘不再适合深海珊瑚栖息。半深海区的OMZs正在扩大，人为产生CO2酸化进一步增强，因为同样的过程消耗氧（呼吸作用）释放出二氧化碳。中层水域脱氧面积不断扩大，上层海域变暖和酸化，组合作用使海洋中垂直回游鱼类和磷虾等物种的栖息地不断减少。它们挤在狭窄的海底峡谷，只在晚上游到海洋表面获取食物和氧气，增加了被天敌捕获的可能性。对于大多数深海物种，氧应激缩小热容差和pH/CO2容差或降低钙化率的可能性还有待检验。但最近的研究表明，生态系统的工程师――Lopheliapertusa珊瑚正受到明显的威胁。Lopheliapertusa是一种深水珊瑚，是很多其他物种的栖息地。
在过去的进化岁月中，物种不断适应各种气候压力，所以今天在海洋中我们可以看到各种适应压力的生物。但是对于大多数深海物种，没有关于变化范围、生理变化、生活史的改变，或迅速进化适应深海气候变化的具体资料。
人类对食品、能源和原材料的需求不断增长，在大陆边缘和许多海山中开展了过度捕捞、地形改造、石油和天然气开采、废物处理等活动，并正在计划矿产开采。海洋中的许多区域因此将遭遇剧烈升温、pH下降和缺氧，也会经历人为压力的增加。在北大西洋、地中海和澳大利亚南部海域的深海珊瑚栖息地可能会受到最大的影响，因为气候变化和深海海底捕捞的直接影响都主要作用在此。气候和人为干扰集中，影响不断积累，将可能改变深海生态系统的现有状态和功能，减少海洋所提供的资源。
减缓和适应
如何缓解气候变化在海洋深处造成的影响？减少和停止CO2排放毫无疑问是防御的第一道防线，但在未来几年深海将继续经受累积排放的影响。使用地质工程来缓解深海的变化有很多风险难以控制，手段包括用铁元素使海表面营养化、海洋碱化（在上升流区的表面海水中加石灰石，以减少二氧化碳含量）或在深海注入二氧化碳。目前来说，任何改变深海和海洋表面性质的行动，都不可避免地会影响深海动物密度和养分的分布。地质工程的影响将叠加在深海中已经发生改变的食物供应上。
减轻气候变化对深海影响的方法确实很有限。目前所采用的方法，一是用空间规划限制直接的人为干扰，例如通过建立深水海洋保护区网络，可能有助于为濒危物种及其栖息地提供庇护，并能降低累积的压力；二是用保护措施以减少来自海底拖网捕鱼、尾矿处理、石油和天然气开采等活动的物理和化学扰动，缓解生物栖息地丧失和降低物种及其生态功能灭绝的几率，尤其要保护海底采矿区，这些区域所发生的水温升高、酸化和脱氧现象最为严重。
为了应对未来气候变化，《联合国气候变化框架公约》必须认识到深海的重要性，应该更多地关注预测和报告深海的缓解作用和产生的影响，在公约中明文承认深海的脆弱性和重要性，同时调配相应的资金来进行成本高昂的深海观测和生态系统研究。对于深海过程及其功能的调查将能建立起全球的碳预算和反馈模型，为开发利用深海有关资源的决策提供信息。然而，《联合国气候变化框架公约》只是国家协议，64％的海洋不属于任何一个国家管辖，因而将不会被公约自动覆盖。没有国家对保护这部分海域生态系统的缓解潜力和恢复能力负有明确责任。目前，关于气候、生物多样性和可持续发展的法律条约谈判正在进行，将有助于在全球范围内建立对深海生态系统长期的观察和监测。范围将包括所有因为气候而发生改变的海域，无论是否在特定国家管辖范围内。在未来几十年中，这些观测数据对于决策者和地球生物圈大多数物种来说，都是至关重要的。
资料来源 Science
责任编辑 粒 灰