在全球气候系统中,海洋最主要的角色是吸收和储存热量。在过去的43年里,随着全球变暖的加剧,海洋上层75m的升温速度超过每10年上升0.1℃;700m水深的海洋升温速度也达到每10年上升0.017℃,升温的趋势在高纬度海洋及半封闭的海区更加明显。海水升温的直接后果是加剧了上层海洋的层化,据估计在过去40年里层化程度加剧了4%,使得混合层变浅,增加了浮游植物的光照。
理论上,海洋升温会增强微生物的代谢速率,但同时也会威胁到它们对温度的耐受度。总体来看,目前只有很有限的工作针对海洋微生物对升温的反馈进行研究。虽然东北大西洋球石藻没有体现出对升温的生理反应,但人们确实发现南大洋和白令海的球石藻分布向极点方向移动,这可能是升温的一个体现。同时,人们发现在升温的环境下,北冰洋及一些近海的浮游植物类群向微型化发展,北海的鞭毛虫的生长季节提前。长时间序列站的监测表明,升温导致的海冰覆盖面积减少促进了浮游植物生产力的增加,据估计,自2003年以来,北冰洋每年因此增加大概有多达27.5Tg C的生产力。但也有研究表明南大洋并没有呈现一致的结果。另一方面,升温导致的海洋层化增加则对低纬度海区的浮游植物生产力产生负影响。人们发现南北大西洋和南北太平洋低叶绿素海区的面积有所扩大,这可能是海洋升温和层化加剧导致底层营养盐上涌减弱的影响。相对于浮游植物,人们对细菌有关的研究则更少。有实验表明自然海区的异养细菌类群在升温的条件下细菌丰度增加,对无机营养盐和有机碳的吸收增加。人们推测,细菌的异养活性会增加,因此通过细菌呼吸介导的CO2海气交换也会增加。
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