楚科奇海与白令海燃料泄漏对两种哨兵海洋物种影响的模拟研究

《Ecological Applications》：Implications of a fuel spill in the Bering and Chukchi Seas for two sentinel marine species: A simulation study

　　

海冰消退开辟了北极航运路线，延长了海上过境季节。沿北方海航道（Northern Sea Route, NSR），船舶交通预计将主要因自然资源开发相关交通而增加。NSR穿越楚科奇海（Chukchi Sea, CS）北极熊（Ursus maritimus）亚种的活动范围，太平洋海象（Odobenus rosmarus divergens）的haulouts（上岸栖息地）分布于俄罗斯岛屿和大陆、阿拉斯加海岸以及沿NSR的白令海峡。石油泄漏是海洋交通对北极海洋野生动物的主要威胁，可能影响大量个体。研究人员估算了在CS或白令海峡发生船基泄漏时，可能接触石油的北极熊和海象数量。研究人员在八月和十月于两个NSR地点模拟了五次大型船基泄漏，分别涉及原油和船用柴油（marine gas oil, MGO）。研究人员将北极熊无线电项圈位置叠加到泄漏轨迹上，以估算暴露个体数量。如果石油距某个haulout不超过0.5海里（nm），则判定该haulout暴露。研究人员报告最具影响力的情景，以帮助管理者和应急响应人员了解对这些物种的上限影响，并为响应规划提供信息。原油在整个60天模拟期间停留在海面，且>20%搁浅在岸上。MGO在海面残留很少超过5天，或到达岸线。楚科奇十月原油泄漏使24%的无线电项圈北极熊暴露于致死和亚致死水平的石油，即占总种群（n=2937）比例的711（95% CI=438–1052）头个体。在楚科奇八月原油泄漏期间，四个海象haulout的石油暴露概率≥0.50。没有北极熊或海象haulout因MGO泄漏而暴露于致死水平的石油。模拟结果表明，石油泄漏将污染大面积的海洋环境，并可能对北极熊和海象产生重大后果。无法进行及时有效的清理，凸显了理解和尝试减轻北极石油泄漏的重要性。泄漏准备工作昂贵、耗时，且在地缘政治上日益困难，但缺乏准备可能对海洋生物、区域自给用户以及渔业和旅游业造成灾难性后果。

**论文解读：楚科奇海与白令海燃料泄漏对北极熊和太平洋海象的潜在影响模拟研究**

**研究背景与问题**

全球气候变暖导致北极海冰快速消退，使得曾经无法通航的北极航道开放，海上运输季节从传统的7月至9月延长（Smith & Stephenson, 2013; Boylan & Elsberry, 2019）。北方海航道（Northern Sea Route, NSR）是北极最重要的跨洋航线，其船舶交通量预计将增加48%–67%，其中大部分增长来自自然资源开发相关运输，包括原油和液化天然气（liquefied natural gas, LNG）的运送（USCMTS, 2019）。NSR穿越楚科奇海（Chukchi Sea, CS）北极熊（Ursus maritimus）亚种的活动范围，且太平洋海象（Odobenus rosmarus divergens）的多个haulouts（上岸栖息地）位于俄罗斯岛屿、大陆和阿拉斯加海岸沿线。石油泄漏是北极海洋生态系统面临的主要威胁（Arctic Council, 2009）。北极熊接触或摄入石油会导致厌食、肾衰竭、体温调节紊乱甚至死亡（?ritsland et al., 1981）；海象接触石油也会引起眼、皮肤和呼吸道刺激，长期暴露可致永久损伤或死亡（St. Aubin, 1990）。由于北极极端环境、漫长响应时间和有限清理能力，一旦发生大规模泄漏，后果可能非常严重。因此，量化潜在暴露个体数量和受影响区域，对管理者和应急响应人员具有重要参考价值。

**研究内容与主要技术方法**

研究人员设置了五个油污泄漏模拟情景，包括两个位置（楚科奇海和白令海峡）、两种油品（原油和船用柴油marine gas oil, MGO）以及两个起始月份（八月和十月）。原油泄漏量设为720,000桶（约合一个Aframax油轮满载量的90%），MGO泄漏量设为20,000桶（代表满载燃料的完全损失）。模拟使用溢油影响模型应用包（Spill Impact Model Application Package, SIMAP），其环境驱动数据来自Copernicus Marine Global Ocean Reanalysis（GLORYS12V1）2016–2020年的海流、海冰覆盖和漂移数据（Jean-Michel et al., 2021）。每个情景进行50次随机起始日期模拟，以覆盖不同环境条件。北极熊位置数据来自110头无线电项圈成年雌性个体（2008–2017年，对应110个熊年），使用连续时间相关随机游走（continuous time correlated random walk, CRAWL）模型将不规则定位插值为每日位置。研究人员将熊位置与油污轨迹叠加，以1公里内接触≥1 g/m²（亚致死）和≥10 g/m²（致死）表面油或≥100 g/m²岸线油为暴露标准，并通过bootstrap方法估计暴露比例及对应种群数量。海象分析基于Fischbach et al. (2016)识别的34个已知haulouts，选择2000年后定期使用、最大个体数≥1000头的位点，若油污在传统使用月份内到达haulout周围0.5海里范围内，则判定为暴露，暴露概率≥0.50视为“可能暴露”。

**研究结果**

*石油泄漏行为——楚科奇海*
原油泄漏后油污呈径向扩散，八月和十月在60天内的分布差异较小。八月模拟中，表面油浓度>1 g/m²的区域向南和西南扩展超过75公里，十月则向南扩散200公里并在北侧延伸80公里。原油在模拟期间始终留在海面，最终有20%–25%的泄漏量搁浅至岸线。MGO则迅速分散进入水柱，大部分在5天内从海面消失，极少到达岸线，岸线污染长度平均仅21–24公里，远低于原油的700–790公里。

*石油泄漏行为——白令海峡*
在白令海峡释放的原油，>80%概率的污染区向北延伸超过270公里进入楚科奇海。岸线油污最早可在2天内到达杰奥米德群岛（Diomede Islands），10天内可到达阿拉斯加海岸的Point Hope附近。在最严重影响情景下，高浓度表面油（>150 g/m²）向南穿过白令海峡约100公里，岸线油污从圣劳伦斯岛向北延伸至Wainwright，约930公里岸线被污染。

*原油与MGO对比*
两种油品行为差异显著。原油在60天模拟中大部分时间停留在海面，而MGO因快速分散进入水柱，降解率更高。约40%–50%的原油和MGO最终蒸发，但MGO达到峰值蒸发速度更快，且很少到达岸线。总体上，原油泄漏的污染面积和岸线长度远大于MGO泄漏，对野生动物的致死风险也更高。

*对北极熊的影响*
楚科奇十月原油泄漏影响最严重：模拟结束时，24%（95% CI=15%–36%）的无线电项圈北极熊接触了致死（≥10 g/m²）和亚致死（≥1 g/m²）水平的表面油，换算为总种群（n=2937，Regehr et al., 2018）约为711头（95% CI=438–1052）。白令海峡十月原油泄漏次之，17%（95% CI=7%–27%）的个体暴露于表面油，对应约488头。所有原油情景中，没有北极熊暴露于致死水平的岸线油（≥100 g/m²）；但楚科奇十月原油泄漏中，10%（95% CI=3%–19%）的个体接触了任意浓度的岸线油，约300头。两种MGO泄漏情景中，无北极熊暴露于致死水平油污，仅0.6%–6%的个体接触亚致死表面油。从时间来看，楚科奇十月泄漏情景在25天内即有≥1%的种群暴露于致死表面油。

*对海象的影响*
在所有情景中，47%（n=16）的haulouts有潜在暴露风险。楚科奇八月原油泄漏对海象影响最大：四个haulouts（Cape Schmidt, p=0.51；Cape Vankarem, p=0.62；Cape Onmyn, p=0.83；Kolyuchin Island, p=0.85）暴露于致死油污的概率≥0.50。白令海峡十月原油泄漏情景中，五个haulouts（Cape Unikyn, p=0.64；Cape Pe'ek, p=0.57；Cape Inchoun, p=0.64；Cape Inkigur, p=0.60；Cape Serdtse-Kamen', p=0.56）有≥0.50概率暴露于致死油污。MGO泄漏情景下，仅有八月情景中三个haulouts（Cape Vankarem, p=0.57；Cape Onmyn, p=0.64；Kolyuchin Island, p=0.76）暴露于亚致死油污，无致死暴露。

**讨论与结论**

研究表明，原油泄漏会污染大面积海洋环境，并对北极熊和海象种群产生显著影响。由于北极熊和海象均为K-selected物种（寿命长、成熟晚、繁殖力低），即使亚致死暴露也可能导致慢性健康损伤和种群恢复延迟。模拟中未考虑间接效应（如摄食油污猎物、栖息地退化、繁殖下降和猎物减少），因此实际影响可能被低估；另一方面，假设所有靠近油污的个体都暴露，可能高估影响，但海象最大haulout群可达184,000头，潜在影响规模仍十分巨大。北极环境恶劣，清理能力严重不足，历史上从未在冰封水域成功处理过大规模泄漏。最近的野生动物净化设施位于阿拉斯加Prudhoe Bay，距模拟泄漏点超过1000公里，且仅能处理2–3头个体。模拟显示油污在3天内即可到达距离泄漏点75公里的岸线，而响应资源需要数天至数周才能到达，凸显了预防和准备的重要性。研究人员建议限制非冰级船只在冰情最少的7–10月通过NSR，加强通信与航行支持，严格执行《极地规则》（Polar Code），并提升现有港口的泄漏响应能力。本研究的核心结论是：在楚科奇海或白令海峡发生大规模原油泄漏可能导致数百头北极熊和超过十万头海象暴露于油污，及时有效的清理几乎不可能实现，因此必须将重点放在风险评估、预防措施和应急准备上，否则可能对海洋生物、当地原住民自给经济以及渔业旅游业造成灾难性后果。