气候变化正迅速使地球变暖，并改变陆地和海洋中为我们提供食物的生态系统。在海洋中，气候变暖增加的大部分热量仍停留在近海面处，需要数百年才能传导至更深的海水中。但随着这一过程发生，海洋环流模式将改变，海洋食物链的生产力也会下降。
在一项近期研究中，我与来自五所大学和实验室的同事共同考察了气候变暖持续至2300年会如何影响海洋生态系统和全球渔业。我们希望了解，持续变暖将如何改变关键营养物质的供应；这些营养物质支撑着微小的浮游生物，而浮游生物又是鱼类的食物。
我们发现，如此程度的变暖会改变影响海洋生态系统的关键因素，包括风、水温、海冰覆盖和海洋环流。由此造成的扰动会将营养物质从表层水域输送到深海，使表层可供浮游生物生长的营养物质减少。
随着海洋生态系统日益缺乏营养物质，我们估计，到2300年全球渔获量可能减少20%，北大西洋地区则可能减少近60%。这将使数百万人赖以为生的一种重要食物来源大幅减少。
海洋食物生产与生物泵
海洋食物生产始于阳光照射海面。被称为浮游植物的单细胞、以微观生物为主的生物——海洋中的植物——利用阳光进行光合作用并生长，这一过程称为净初级生产。它们只能在海洋受阳光照射的表层生长，深度约达100米（330英尺）。但它们生长也需要营养物质，尤其是氮和磷，而这些物质在表层水域可能较为稀缺。
浮游植物被浮游动物（微小动物）摄食，浮游动物又为小鱼提供食物，如此沿着食物链一路向上，最终成为海豚和鲨鱼等顶级捕食者的食物。未被摄食的浮游植物及其他有机物质（例如死亡的浮游动物和鱼类）会在表层水域分解，释放营养物质，支持新一轮浮游植物生长。
其中一些物质会下沉至深海，为深海生态系统提供食物。这些下沉有机物质中的碳、氮、磷及其他营养物质最终会在深处分解并释放。
这一过程称为生物泵，它不断从表层水域移除营养物质，并将其输送至深海。在正常情况下，风和洋流会引起海水混合，最终将营养物质带回受阳光照射的表层水域。如果没有这一过程，浮游植物最终会耗尽营养物质，进而影响整个海洋食物链。
海冰、风与营养物质上涌
下沉至深海的营养物质最终会回到海面，主要发生在南极洲周边的南大洋。在南极洲以北，强劲的西风将表层海水推离南极洲。与此同时，富含营养物质的深海海水从南极洲周边上涌至海面，补充被推离的海水。发生这种上涌的区域称为南极辐散区。
如今，南大洋的浮游植物生长并不旺盛。大面积海冰覆盖阻挡了大量阳光照射海洋。水中的铁（另一种关键营养物质）浓度较低，低水温也限制了浮游生物的生长速度。因此，该区域上涌的大部分氮和磷随表层海水向北流动。最终，这些营养物质到达低纬度较温暖的海域，支持太平洋、印度洋和大西洋大部分区域的浮游生物生长。
营养物质被困于深海
我们的研究表明，持续数百年的全球变暖可能会打断这一过程，使南极这一区域以北的所有海域日益缺乏氮和磷。
我们使用了一项气候模型模拟，假设各国持续使用化石燃料，直至全球储量耗尽。按照这一气候路径，到2300年，地表平均气温将上升9.6摄氏度（17.2华氏度），这几乎是迄今记录到的超出工业化前水平的升温幅度的10倍。科学家已经知道，极地变暖速度快于地球其他地区，而在这一情景中，这种趋势将持续下去。最终，即使在冬季，极地附近的海洋也不再结冰。
没有海冰的较暖海水，加上强烈气候变暖引起的风场变化，将极大改善南极洲周边浮游植物的生长条件。浮游植物生长增加会截留南极洲附近上涌的营养物质，阻止它们向北流动并滋养全球低纬度生态系统。
在我们的模拟中，这些被截留的营养物质最终重新混入深海并在那里积聚。海洋上层1,000米（3,300英尺）中的氮和磷浓度持续下降，而在2,000米以下的深海中则持续上升。
南大西洋幽暗海水中大片绚丽的蓝色云团是浮游植物水华。从南极洲向北漂流的营养物质为这些水华提供养分，而它们又为体型更大的浮游生物和鱼类提供食物。雅克·德克洛特，MODIS快速响应小组，美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心鱼类将大幅减少
随着海洋生态系统日益缺乏营养物质，全球大部分海域的浮游植物生长和净初级生产都将下降。我们估计，随着这些影响沿食物链向上传递，到2300年全球渔获量可能减少20%，北大西洋及其他若干区域则会减少50%以上。此外，在模拟结束时，营养物质仍在净流向深海，这表明生态系统生产力和潜在渔获量在2300年之后还会进一步下降。
最终，经过一千多年后，人类活动排入大气的大部分二氧化碳将被海洋吸收，地球气候也会重新冷却。海冰将回到极地海洋，抑制南极洲周边的浮游植物生长，并使更多上涌的营养物质再次向北流向低纬度地区。但即便如此，海洋环流仍需数百年才能充分补充上层海洋中的营养物质。
浮游植物对地球生命至关重要。气候变化正在干扰促进浮游植物生长的海洋混合过程。
如今，海洋资源已经承受压力。全球约90%的海洋渔场处于充分捕捞或过度捕捞状态。世界人口预计将从2015年的73亿增至2100年的110亿。我们的研究发现的影响将对全球粮食安全造成严重后果。扩大水产养殖，甚至采取更激进的措施，例如直接向海洋施肥以促进浮游生物生长，也远远无法弥补持续全球变暖导致的营养物质流失至深海。
我们的模拟基于一种强烈气候变暖情景。需要开展更多研究，以探明气候需要变得多暖才能融化海冰并启动南大洋的营养物质截留过程。但显然，这是一个我们不应跨越的临界点。
