渔业与气候变化对海洋大型动物碳汇功能的协同影响研究

《Nature Communications》：The combined impact of fisheries and climate change on future carbon sequestration by oceanic macrofauna

本期推荐《Nature Communications》最新研究：为评估渔业与气候变化对海洋大型动物碳汇功能的协同影响，研究团队采用BOATS海洋生态系统模型开展模拟分析。结果显示，每升温1°C导致大型动物生物量减少4.2%，碳输出下降2.46%。在高排放情景（SSP5-8.5）下，至2100年碳输出将减少13.5%±6.6%，而渔业捕捞会进一步加剧56.7%±16.3%的碳输出损失，累计造成14.6±10.3 GtC的碳封存赤字。研究表明，恢复商业性大型动物生物量可产生与红树林修复相当的碳效益，但相关不确定性仍制约其纳入基于自然的气候解决方案（NbCS）体系。

　　

海洋是地球上最大的碳汇之一，每年吸收约52.9±9.1 GtC的大气二氧化碳。其中，海洋生物通过"生物泵"机制将碳从表层水体输送至深海，实现长达数百年的碳封存。作为该过程的关键参与者，海洋大型动物（体重10g-100kg的鱼类和无脊椎动物）通过产生快速沉降的粪便颗粒和尸体，显著促进碳向深海输送。然而，在全球气候变化和渔业捕捞的双重压力下，这些海洋生物的生存状况及其碳汇功能正面临严峻挑战。

尽管政府间气候变化专门委员会（IPCC）强调基于自然的气候解决方案（Nature-based Climate Solutions, NbCS）对实现碳中和目标的重要性，但海洋大型动物在碳循环中的作用及其对全球变化的脆弱性仍未得到充分认识。渔业活动已使海洋大型动物生物量从工业化前的3.3±0.5 Gt降至目前的1.1±0.2 Gt，同时全球变暖导致1930-2020年间评估种群生物量平均减少4.1%。然而，这些生物量变化如何影响碳输出和封存尚不明确，因为温度升高加速生物代谢可能增加粪便颗粒产量，而生物体型缩小也会改变碳输出效率。

为解答这一科学问题，由Gael Mariani领衔的国际研究团队在《Nature Communications》发表了最新研究，通过生态系统建模量化了渔业和气候变化对海洋大型动物碳汇功能的复合影响。研究人员采用生物经济海洋营养级粒径谱（BOATS）模型，模拟了1950-2100年间商业性海洋大型动物的生物量动态及其碳输出过程。模型结合两种共享社会经济路径（SSP1-2.6和SSP5-8.5）气候情景，并整合渔业捕捞压力，通过参数集合模拟（5组参数×2个地球系统模型）评估不确定性。碳封存量通过海洋环流逆模型（OCIM）计算，并与其他5个海洋生态系统模型（FishMIP集合）结果进行对比验证。

气候变化与渔业影响的补偿机制

研究揭示了生物量减少与碳输出之间的非线性关系（图1）。虽然生物量下降会直接减少碳输出（路径1），但温度升高加速代谢（路径2）和体型缩小带来的异速生长效应（路径3）部分抵消了这种影响。具体而言，温度每升高1°C，生物量减少4.22%，但碳输出仅下降2.46%。渔业选择性捕捞大个体导致尸体产量减少幅度（0.89%/生物量损失）显著大于粪便颗粒产量损失（0.73%），因小个体单位生物量的摄食率更高。

生物量与碳输出模拟结果

BOATS模型显示，无渔业情景下，到2100年SSP5-8.5情景将导致生物量减少23.9%±3.6%（图2a）。历史渔业压力使生物量从1950年的0.56±0.29 GtC降至2010年的0.13±0.045 GtC（图2b）。1950年代大型动物碳输出总量为0.23±0.11 GtC yr^-1，其中粪便颗粒贡献超90%。至2090年代，气候变化与渔业共同作用将使粪便颗粒和尸体碳输出分别减少53.9%±16.5%和67%±8.63%（图2d,f），累计造成14.6±10.3 GtC的碳封存赤字，相当于2024年全球碳排放量的1.3倍。

气候变暖与碳输出的定量关系

分析表明，全球近地表气温每升高1°C，生物量减少4.22%（95% CI: 4.14-4.3），碳输出下降2.46%（95% CI: 2.38-2.54）（图3a,b）。渔业捕捞导致生物量每损失1%，碳输出减少0.8%。模型比较显示，BOATS预测的气候变暖影响高于FishMIP集合平均值（4.22% vs 2.84%/°C），但不确定性范围重叠。

关键大型动物碳区（KMCA）变化

研究首次定义了关键大型动物碳区（Key Macrofauna Carbon Areas, KMCA），即生物量与碳封存贡献均处于上四分位数的海域。1950年代KMCA面积约2800万km²，主要分布在太平洋边界流、大西洋非洲沿岸和澳大利亚北部海域（图5a,c）。至2010年代，KMCA缩减至1800万km²，减少33.4%，主要发生在南澳大利亚、南美和非洲西海岸（图5b,d）。SSP5-8.5情景下，91%±8.3%的海域将出现生物量下降，但大西洋和印度洋部分贫营养区域碳输出可能增加82%±46%。

碳封存时间与海洋复动物措施潜力

OCIM模拟显示，大型动物碳的平均封存时间约600年，且不受气候变化和渔业影响。恢复大型动物至原始水平可实现0.11 GtC yr^-1（0.40 GtCO₂ yr^-1）的碳输出增益，与红树林修复潜力相当（图6）。但中上层鱼类（未纳入本研究）可能贡献0.19-1 GtC yr^-1的碳输出，其保护措施具有更大NbCS潜力。

研究局限与展望

作者指出多项不确定性：BOATS模型未包含中上层鱼类和胶质浮游动物的补偿作用；模型结构差异影响预测可靠性；海洋NbCS缺乏监测、报告和核查（MRV）体系。未来需通过多模型比较、跨部门反馈机制研究和MRV系统开发，推动海洋大型动物碳汇功能纳入气候治理框架。

该研究首次量化了渔业和气候变化对海洋大型动物碳汇功能的协同影响，揭示了生物量减少与碳输出之间的非线性关系，为制定兼顾气候变化缓解和生物多样性保护的海洋管理策略提供了科学依据。研究表明，将大型动物恢复措施纳入NbCS体系虽面临挑战，但其长达600年的碳封存时间优势为应对气候危机提供了新思路。