最新一期「前沿進展」來了，趕快來了解下全球海洋科技領域的最新動態吧！
本期導讀
·海洋動力過程與氣候變化
深海複雜地形亞中尺度不穩定驅動海洋混合和水體交換
小尺度內潮驅動深海混合
·海洋生態環境演變與保護
冰川將深刻影響全球碳循環進程
模擬研究顯示氣候變暖引起的海洋溶解氧流失不會長久持續
IPBES發布全球第一份生物多樣性綜合評估報告
·海底過程與油氣資源
阿曼蛇綠巖中同巖漿斷裂引起的熔融雜化和交代作用：對純橄巖地幔-地殼過渡帶的認識
英國皇家學會資助開展印尼海底地質調查
·海洋生命過程與資源利用
藻類可能替代魚油成為對蝦飼料的新原料
全基因組測序揭示人工選擇導致紅海鯛基因組區域出現差異性
·深遠海和極地極端環境與戰略資源
北極多年凍土崩塌的影響及未來研究的相關建議
·海洋技術與裝備
新型水下機器人首次海試
科學家受北極熊毛髮微觀結構啟發設計出新型隔熱材料
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海洋動力過程與氣候變化
1.深海複雜地形亞中尺度
不穩定驅動海洋混合和水體交換
(張志偉 編譯）
深海混合是驅動大洋經向翻轉環流上升支的關鍵動力，因此，在調控全球氣候變化中扮演至關重要的角色。然而，目前人們對深海混合尤其是複雜海底邊界層混合的驅動機制的認識並不清晰。最近，Naveira Garabato等人（2019）通過在南大洋Orkney Passage區域開展高解析度的水文和湍動能斷面觀測發現，南大洋深海邊界流與複雜地形相互作用產生的亞中尺度不穩定是驅動深海混合的重要機制。該研究指出，南大洋深海邊界流受到左側斜坡地形摩擦效應影響，會產生跨越等深線方向的次級環流，增強海底邊界層處的水平密度梯度，在地轉影響下進而增強流速垂向和水平剪切，從而可有效激發亞中尺度對稱不穩定和離心不穩定，極大增強海底邊界層處的湍動能耗散率，加快邊界層與內區間的水體交換。由於深海邊界流通常沿地形Kelvin波傳播方向流動，即南半球（北半球）地形在邊界流流向的左側（右側），因此上述機制可能對全球大洋深海邊界流具有普適性，即表明：深海邊界流與複雜地形相互作用產生的亞中尺度不穩定可能是驅動全球大洋深海混合的重要機制，對封閉全球大洋經向翻轉環流具有重要意義。該研究於2019年7月發表在美國科學院院刊（PNAS）上 。
圖 深海邊界流與地形相互作用驅動海洋混合的示意圖。背景陰影和等值線表示等密度面，紅色陰影叉號表示邊界流流向，黑色實線箭頭表示跨等深線方向的次級環流，SYM和CTF分別表示亞中尺度對稱不穩定和離心不穩定。
原文標題：Rapid mixing and exchange of deep-ocean waters in an abyssal boundary current
來源：
https://www.pnas.org/content/116/27/13233
2.小尺度內潮驅動深海混合
（劉 昆編譯）
深海混合是經向熱鹽環流的重要驅動力。據估算，維持全球混合大約需要2±0.6TW的能量，內潮耗散可以提供其中的一半（~1TW）。內潮主要在洋中脊和海山等海底地形崎嶇處生成。目前，我們雖然對內潮源區的分布有較好的了解，但是對內潮的演變及其能量的最終去向仍然不清楚。觀測表明，低模態內潮可以脫離源區傳播上千公裡，然後破碎為遠處的海洋混合提供能量。與之相反，高模態內潮由於尺度較小，更易於在源區附近耗散。該研究基於一個線性的半解析模型對全球不同模態內潮的生成進行了估算，模擬結果與現場觀測相吻合。研究發現，與傳統觀點不同，高模態內潮耗散導致源區附近的局地混合對全球內潮致混合的貢獻超過50%，並表現出很強的空間差異性。結合模型結果和現場觀測，大部分（71%-82%）M2潮能轉換的發生模態高於第一模態。在陸架坡折區和陡峭的海脊處，第一模態內潮約佔潮能轉換能量的50%。然而，在全球大部分海域中，第一模態內潮在潮能轉換能量中的比例不超過30%。此外，鑑於高低模態內潮行為的差異性，臨界模態的確定顯得十分重要。臨界模態與局地耗散率緊密相關，局地耗散率定義為局地耗散的能量佔生成的內潮能量的比例。目前氣候尺度的海洋模型中（如CCSM4和NEMO），局地耗散率是潮致混合參數化方案中一個關鍵的變量，通常取常數1/3。實際上，已有研究指出局地耗散率的空間分布不均勻。該研究還基於模型結果給出了全球局地耗散率的空間分布圖，這對於海洋模型中內潮致混合參數化方案的改進有重要意義。
圖 局地耗散率的全球分布圖
原文題目：Deep-ocean mixing driven by small-scale internal tides
來源：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-10149-5
海洋生態環境演變與保護
3.冰川將深刻影響全球碳循環進程
（曲寶曉 編譯）
冰川佔全球陸地總面積的10%，以往人們都認為冰川只是毫無用處、缺少生命、條件惡劣的冰凍之地。然而近期來自布裡斯託大學的研究表明，冰川實際上對全球碳循環進程至關重要。項目負責人Wadham教授說，冰川下實際上是一派熱鬧的場景：這裡有冰與巖石相互摩擦而發出的刺耳聲音，有含量豐富的液態水，甚至還有大量的細菌生存。這一研究發表在近期的《自然·通訊》期刊（Nature Communications）上。
研究表明，冰川影響全球碳循環可有兩種主要途徑。一方面在於冰川對海底沉積物的不斷侵蝕，造成沉積物持續地向周圍海水釋放營養物質，並供給浮遊植物的初級生產，從而最終實現海洋對大氣CO 的吸收。另一方面，冰川本身就可作為一種顯著的碳庫，據估計僅南極冰川就儲有2×10 噸有機碳，比整個北半球凍土層儲存的有機碳都多。南大洋作為全球海洋十分重要的碳匯區，主要通過表層海水的初級生產過程吸收大氣CO 。近年來，有研究表明，南大洋的碳匯能力在逐漸降低，一個很重要的原因則在於南極冰蓋的融化。由於冰蓋不斷融化、變薄，底層沉積物對上層水體的鐵供應不斷減少，而鐵恰恰是維持初級生產的關鍵元素。以上研究對於探究全球變化背景下，冰川對全球碳循環乃至全球氣候變化的反饋作用具有重要意義。
圖 冰川對全球碳循環的影響作用概念圖
原文題目：Ice sheets matter for the global carbon cycle
來源：https://www.nature.com/articles/s41467-019-11394-4
4.模擬研究顯示氣候變暖引起的
海洋溶解氧流失不會長久持續
（王啟棟編譯）
近年來，大量基於直接觀測的研究表明，海洋中的溶解氧正在流失。隨著溫度升高，海水中氣體的溶解度降低，海水層化加強，再加上沿海海洋富營養化等因素導致了海洋溶解氧水平的持續下降。在地球歷史上，海洋缺氧事件一直與溫暖的氣候有關，人們擔心如果全球變暖繼續下去，海洋在未來的某個時候會完全缺氧嗎？近期，德國基爾海洋研究中心的研究人員在國際著名期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上發表了最新的模型模擬研究結果。
在模型中，他們假設化石能源燃燒導致的溫室氣體排放將持續上升至本世紀末，然後至2300年逐漸降為零，在這個過程中地球的溫度進一步升高並且維持到模擬結束之前。結果令人驚訝：儘管海洋平均升溫3℃，海洋的氧含量在經過幾百年的進一步流失之後再次上升，甚至在不到4000年的時間裡達到了比工業化前更高的水平。在該研究中，研究人員首次將氧循環和氮循環耦合在這種長期的全球模擬中，並且發現由於缺氧區的擴大，越來越多的有機物質不再消耗氧氣，而是通過反硝化作用消耗硝酸鹽。通過反硝化作用，每消耗1.0mol硝酸鹽，可節省約1.4mol氧氣；而當固氮過程中產生的有機氮氧化為硝酸鹽時，消耗的氧氣量是相同的。研究認為，在不斷擴張的海洋缺氧區域，強化的反硝化作用取代了部分好氧呼吸作用，而滯後的固氮作用對反硝化作用的補償不完全，從而導致了海洋中溶解氧的累積和固定態氮的流失。
圖 全球性指標隨時間的演變。a大氣二氧化碳分壓(黑色實線)、全球平均表面氣溫(紅色實線)和全球平均海洋溫度(藍色實線)；b全球平均非生物氧示蹤參數相對於工業化前的異常(藍色實線)、總氧利用率(×-1，綠色實線)、海-氣氧交換累積通量(黑色實線，入海為正)和非生物氧示蹤參數與總氧利用率之和(淺藍色虛線)；c硝酸鹽損失引起的氧積累(綠色實線)，相當於全球平均氧含量變化(藍色實線)與海-氣氧交換累積通量(黑色實線)的差值。垂直虛線表示同顏色曲線最大值/最小值的時間。
原文題目：Loss of fixed nitrogen causes net oxygen gain in a warmer future ocean
來源：
https://doi.org/10.1038/s41467-019-10813-w
5.IPBES發布全球第一份生物多樣性綜合評估報告
（董利蘋 裴惠娟 編譯）
近日，生物多樣性和生態系統服務政府間科學政策平臺（Intergovernmental Science Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services，IPBES）發布了一份具有裡程碑意義的新報告——《全球生物多樣性和生態系統服務評估報告》（Global Assessment Report on Biodiversity and Ecosystem Services），評估了過去50年全球生物多樣性和生態系統服務的變化情況。該報告是來自50個國家的400餘位專家共同合作完成的全球第一份生物多樣性綜合評估報告，其主要內容介紹如下：
1 自然及其對人類的重要貢獻，體現了生物多樣性和生態系統的服務功能正在全球範圍內惡化
（1）自然對維繫人類生存，以及保證人類良好的生活質量至關重要。自然系統在為人類提供空氣、淡水、食物、能源、藥物等人類賴以生存的物質資源的同時，還在維護人類身心健康方面發揮著關鍵作用。
（2）大自然在不同時空和不同行業間的貢獻並不均勻，優先考慮大自然對人類的貢獻，可能導致生態變化，從而削弱自然的其他服務能力。所以，在自然資源的使用過程中，人類往往需要權衡利弊。
（3）1970年以來，農業生產、魚類捕撈、生物能源生產和材料開發利用的趨勢有所增加，但自然的物質貢獻增加通常是不可持續的。目前，全球陸地生產力因土地退化降低了23%，全球作物產量因傳粉媒介喪失大幅下降，生活在沿海地區的1~3億人口因洪水和颶風發生頻率劇增，面臨生命和財產風險。
（4）受人類影響，全球自然發生了顯著改變，生物多樣性正在減少，生態系統退化迅速，約一半的珊瑚礁已經死亡。在陸地生物群落中，本地物種的平均豐度至少下降了20%，因人類活動75%的陸地環境和約66%的海洋環境發生了顯著變化，85%以上的溼地（區域）已經喪失。
（5）人類現階段的活動正在使全球更多的物種受到滅絕的威脅。在動植物群落中，約100萬種物種已經滅絕，約25%的物種受到了滅絕的威脅，如果不立即採取行動，全球物種滅絕速度將比過去一千萬年的平均速度至少快數十倍。
（6）在全球範圍內，截至2016年，農牧業馴化的6190種動植物品種中有559種（超過9%）已經滅絕，至少還有1000種受到了滅絕威脅。這種生物多樣性的喪失，削弱了農業生態系統對害蟲、病原體和氣候變化等威脅的抵禦能力，將對全球糧食安全構成嚴重威脅。
（7）在區域和跨區域範圍內，人類對生物群落的管理變得越來越相似。這種人類行為導致當地生物多樣性，尤其是當地特有物種的喪失，生態系統服務能力的下降。
（8）人類活動正在為生物快速進化創造條件。這種生物進化的速度如此迅速，以至於它的影響可以在短短幾年甚至更短暫的時間內觀察到。這對生物多樣性和生態系統的影響可能是積極的，也可能是消極的，將對物種的可持續性、生態系統的服務功能以及自然對人類的貢獻產生更大的不確定性影響。
2 過去50年，在土地和海洋開發利用、生物資源使用、氣候變化、汙染、外來物種入侵5種因素的共同驅動下，全球自然變化的速度在人類歷史上前所未有
（1）對於陸地和淡水生態系統來說，1970年以來，土地利用變化對自然產生負面影響最大，其次是動植物開發。在海洋生態系統中，生物捕撈具有最大的負面影響，其次是海洋土地利用變化。
（2）氣候變化對自然和人類福祉的影響正在加劇。與工業化前水平相比，到2017年，人類觀測到的大氣溫度約增加了1.0℃。過去50年，極端天氣事件的頻率和強度正在加大，引發了更多的火災、洪水、乾旱等災害。1900年以來，全球海平面平均上升了16~21cm。這些變化對生物多樣性產生了廣泛的影響，包括物種分布、物候、種群動態、群落結構和生態系統功能，並且這些影響正在加速，並已對人類福祉產生了不利的影響。
（3）汙染和外來物種入侵正在增加，對自然系統產生的負面影響正在加劇。雖然全球趨勢喜憂參半，但某些地區的空氣、水和土壤汙染仍在繼續增加。1980年以來，海洋塑料汙染增加了10倍，至少影響了267種物種，包括86%的海龜、44%的海鳥和43%的海洋哺乳動物。這些汙染將通過食物鏈影響人類。1980年以來，外來物種的累積記錄增加了40%，這與更頻繁的貿易交換和人口流動有關。地球上近1/5的本地物種面臨著動植物入侵風險，外來入侵物種的引入率似乎比以往任何時候都高，並且沒有減緩的跡象。
（4）在過去50年，人口增長了1倍，全球經濟增長了近4倍，全球貿易增長了10倍，共同推動了人類對能源、材料等自然資源的需求。
（5）將生態系統功能的多重價值和自然對人類的貢獻納入考慮，則經濟激勵措施可以產生更好的生態、經濟和社會成果。
3 目前社會發展軌跡無法實現保護自然系統和可持續利用自然資源，與可持續性的目標的實現，到2030年及以後的可持續發展目標只能通過跨越經濟、社會、政治和技術因素的變革來實現
過去和目前生物多樣性、生態系統功能和大自然對人類的許多貢獻迅速下降，這意味著大多數的國際社會和環境目標將無法實現。未來由於人口迅速增長、不可持續的生產和消費以及相關的技術發展等間接因素，生物多樣性和生態系統功能的負面趨勢情況或將繼續惡化。
（1）保護和更可持續地管理自然的政策執行取得了進展，相對於不幹預的情況產生了積極的結果，但不足以阻止自然惡化的直接和間接驅動因素。到2020年，《愛知生物多樣性目標》（Aichi Biodiversity Targets）的大部分目標無法實現。
（2）目前生物多樣性和生態系統方面的消極趨勢將破壞與貧窮、飢餓、健康、水、城市、氣候、海洋和土地有關的80%SDGs目標的實現。未來的政策目標、指標和數據集迫切需要更明確地了解自然的各個方面及其與人類福祉的相關性，以便更有效地追蹤自然變化趨勢對可持續發展目標的影響。
（3）預計全球氣候變化、生物多樣性、生態系統功能和大自然對人類的貢獻將對土著居民和世界上許多最貧窮社區大量集中的地方產生不成比例的重大消極影響。土著居民和地方社區正在通過共同管理系統、地方與區域監測網絡，以及通過完善和調整地方管理系統，相互以及與其他利益相關方合作，積極應對這些挑戰。
（4）預計自然、生態系統功能和許多自然對人類的貢獻的消極趨勢將持續到2050年及以後。汙染和外來入侵物種產生的負面影響可能會加劇這些趨勢。由於氣候變化、土地利用變化和漁業開發的相互作用，據預測，世界範圍內的生物多樣性將會進一步下降，熱帶地區面臨著特別的綜合衰退風險。
（5）氣候變化的未來影響預計將在未來幾十年變得更加顯著，其可變的相對影響取決於情景和地理區域。即使全球升溫幅度控制在1.5~2℃，大多數陸地物種範圍預計也會大幅度縮小，對陸地保護區保存物種的能力產生不利的影響，極大地增加當地物種的更替與全球物種滅絕的風險。
4 通過變革、協調與合作，自然可以得到保護恢復與可持續利用，促進其他全球社會目標實現
（1）通過加強國際合作並將當地相關措施聯繫起來，可以保護全球環境。根據現有的科學知識和實踐經驗，採用和資助生態保護、生態恢復和可持續利用行動，審查和更新與環境有關的國際目標和指標，是這一保障的關鍵。這需要促進和協調地方、國家和國際的可持續發展，使個別和集體行動扭轉全球生態系統服務的惡化。
（2）五個主要幹預措施可以通過解決自然退化的潛在間接驅動因素產生變革：激勵和能力建設；跨部門合作；先發制人的行動；在復原力和不確定性方面的決策；環境法及其實施。
（3）發展中國家和發達國家轉型的挑戰和需要各不相同。通過採取一體化、包容性、知情和適應性的治理方法，可以減少與不確定性和複雜性有關的風險。這種方法通常考慮到社會目標和替代途徑之間的協同作用與權衡，並承認社會中的多種價值、不同的經濟條件、不平等、權力不平衡和既得利益。
（4）發掘土著居民和當地社區的知識、創新方法、體制和價值，讓他們參與當地的環境治理，不僅能夠加強自然保護和可持續利用，往往也能提高土著居民的生活質量。根據國家對土地所有權、使用權和資源權的立法，實行自由知情的合作，公平地分享使用所產生的利益，與地方社區共同管理協調，促進土著居民與地方社區對可持續發展的積極貢獻。
（5）向自然索取與加強自然的保護和可持續利用是相輔相成、密不可分的，通過可持續的農業、水產養殖和牲畜系統、保護土著物種、品種和生境以及生態恢復來推動可持續發展目標實現。同時實現糧食安全、生物多樣性保護和可持續利用的進一步行動是減緩和適應氣候變化，吸收各種系統知識，包括科學和可持續的土著居民和地方社區做法，避免糧食浪費，賦予生產者和消費者改造供應鏈的權力，並促進可持續發展。
（6）維持和保護漁業、海洋物種和生態系統可以通過協調聯合陸地、淡水和海洋的幹預措施來實現，包括在各利益相關者之間就開放海洋的使用進行多層次的協調。必須加強通過最佳漁業管理做法的能力建設；採取措施促進養護籌資和企業社會責任；制定新的具有法律約束力的管理制度；執行負責漁業的全球協定；緊急採取一切必要措施防治、制止和消除非法、未報告和無管制的捕撈活動。
（7）以土地為基礎的減緩氣候變化活動可以支持保護目標。然而，生物能源種植園的大規模擴張和非森林生態系統的造林會對生物多樣性和生態系統功能產生不利作用。除了採取強有力的行動減少化石燃料使用、其他工業和農業活動產生的溫室氣體排放之外，土地利用行動也是必不可少的。
（8）基於自然的解決方案對實現城市可持續發展目標具有成本效益。更多地利用綠色基礎設施和其他以生態系統為基礎的方法有助於促進可持續的城市發展，同時加強氣候緩解和適應。城市及其周圍農村地區的綠色基礎設施可以補充大規模的「灰色基礎設施」。
（9）變革全球金融和經濟體系，以建立全球可持續經濟，是可持續路徑的一個關鍵組成部分。這種變革可以通過各種政策和工具以及在多邊協定和加強環境監測和評價的支持下，以更具有國際一致性的稅收來實現。這還需要超越國內生產總值（GDP）等標準經濟指標，將能夠更全面、更長期地看待經濟和生活質量的指標包括在內。
5 報告中的關鍵統計數據和事實
（1）生態系統
包括：迄今為止，人類活動改變了75%的陸地環境和66%的海洋環境；全球土著居民持有和/或管理的土地面積減少了28%；全球每年攫取的可再生和不可再生資源約600億噸，較之1980年，增長了近1倍；1980年以來，全球人均材料消耗量增加了15%；較之1700年，2000年溼地喪失了85%，較之森林，溼地喪失比例的攀升速度快3倍。
（2）動植物群落、種群和物種
包括：當前全球物種的滅絕速度比過去1000萬年的平均速度快數十次到數百倍，並且這一速度還在加快；全球瀕臨滅絕的物種多達100萬種，並且很多物種將在未來幾十年內滅絕；至少40%的兩棲動物已瀕臨滅絕；至少33%的海洋哺乳動物瀕臨滅絕；在陸地、淡水和海洋中，脊椎動物、無脊椎動物和植物群體中平均受到滅絕威脅的物種比例將高達25%；1970年以來，21個國家的外來入侵物種的數量增加了70%。
（3）糧食和農業
包括：1970年以來，糧食作物產量增加了300%；因土地退化生產力下降的土地面積為23%；世界上至少33%的陸地以及約75%的淡水資源被用於作物種植或畜牧生產。
（4）海洋及海洋漁業
包括：工業捕魚已覆蓋高達55%的海域；預計到本世紀末，氣候變化將導致海洋淨初級生產力下降3~10%；較之低氣候變暖情景，預計到本世紀末，高氣候變暖情景下，海洋魚類生物量將減少3%~25%；2011年全球海洋非法漁獲量在漁獲總量中的佔比高達33%；1970—2000年，海草每十年減少10%；19世紀70年代以來，珊瑚礁的活珊瑚覆蓋度約下降了 50%；沿海地區種群由於失去棲息地保護而面臨更大的風險，預計造成的經濟損失為1~3億；受益於1996—2008年的保護投資，109個國家哺乳動物和鳥類的平均滅絕風險減少了29%；如果沒有近十年的保護行動，鳥類、哺乳動物和兩棲動物的滅絕風險至少會增加20%。
（5）森林
包括：1970年以來，原木產量增加了45%；砍伐森林獲得的耕地面積擴張了50%；20世紀90年代以來，森林淨損失率下降了50%；目前全球的森林面積是工業化前水平的68%；2000—2013年，發達國家和發展中國家原始森林面積減少了7%；1990—2015年，因森林砍伐導致的原始森林覆蓋面積減少了6%。
（6）採礦與能源
包括：1992年以來，城市擴張了100%；1970年以來，全球人口總數增加了105%；發達國家比最不發達國家的人均國內生產總值高50倍；2002—2013年，遇害的環境活動家和記者人數多於1 000人。
（7）健康
包括：全球主要依賴天然藥物維持健康的人口數約40億；亞洲和非洲遭遇糧食安全威脅的人口約8.21億；全球無法獲得安全飲用水的人口數佔40%；全球80%以上的廢水未經處理便排放到了環境中；每年從工業傾倒入世界水域中的重金屬、溶劑、有毒汙泥和其他廢棄物為3~4億噸；1980年以來，塑料汙染增加了10倍。
（8）氣候變化
包括：與工業化前水平相比，2017年全球平均溫度上升了1 ℃；過去20年，全球每年平均海平面上升3mm；1900年以來，全球平均海平面上升了16~21cm；1980年以來，全球溫室氣體排放量增加了100%，使全球平均溫度上升了至少0.7 ℃；2009—2013年，旅遊業的碳足跡增加了40%；旅遊業相關的溫室氣體排放總量增加了8%；即使全球溫度升高控制在1.5 ~2 ℃範圍內，預計大部分陸地物種的棲息地範圍也將大幅縮小。
主要參考文獻：
[1] Summary for policymakers of the global assessment report on biodiversity and ecosystem services of the Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services.
https://www.ipbes.net/sites/default/files/downloads/spm_unedited_advance_for_posting_htn.pdf
[2] Nature’s Dangerous Decline 『Unprecedented』; Species Extinction Rates 『Accelerating』.
https://www.ramsar.org/news/natures-dangerous-decline-unprecedented-species-extinction-rates-accelerating
海底過程與油氣資源
6.阿曼蛇綠巖中同巖漿斷裂引起的熔融雜化和交代作用：對純橄巖地幔-地殼過渡帶的認識
（張珺傑 編譯）
地球上大多數的重要過程都發生在淺至地表與深至殼幔間的莫霍面之間的部位。在大洋擴張中心之下，純橄巖過渡帶（dunitic transition zone，DTZ）是上升的發生部分熔融的橄欖巖地幔與加積的輝長巖下地殼之間的主要交界面。對DTZ內發生的過程的良好約束可以幫助我們對矽質熔體與含水流體之間的反應有更深入的了解，這種反應在巖石學莫霍面的形成過程中有著十分重要的作用。該文章的作者將礦物和全巖的主量、微量元素特徵與構造方法結合在一起，沿著Maqsad地區的古老地幔底闢（阿曼蛇綠巖）以上厚達300米的截面進行研究，目的是深入了解DTZ縱向上的組成。文章中展示的研究結果表明絕大多數橫切DTZ的斷層和斷裂是與洋脊相關的，並且在早期的高溫巖漿作用階段發生活動。橫截面化學特徵的變化在垂直數十米的尺度上具有趨勢。化學特徵變化的模式和斷層帶的分布具有明顯的相關性，這些相關性不僅僅表現在具有流體活動性的元素上，也表現在稀土元素和高場強元素等流體活動性較低的元素上。即使是發生很小位移的斷層都會增強熔體向上部地殼的運移和抽取以及深部熱液流體向下層莫霍面的導入。作者認為：這些斷層是上湧熔體與熱液流體和/或含矽水熔體混合、結晶、受到雜化改造的載體。這些熔體或流體向圍巖中的滲透控制著遠離斷層的橄欖石基質與間隙相成分的部分漸變演化。這些斷層最終可能控制著殼幔轉換的熱結構，表現為滲濾熔體結晶產物的空間分布：將純橄欖巖的轉換帶轉變為含有浸染狀橄欖巖的巖層。在以上的背景下，可以看出DTZ是在三個主要過程的聯合作用下形成的界面，這三個主要過程包括：構造、巖漿作用以及深部的高溫熱液活動。因此，該文章發現的這些特徵可以從根本上解釋DTZ和大洋擴張中心下的下地殼的巖石學和地球化學組成，也可能為解釋世界範圍內的MORB特徵的不均一性提供線索。
圖1 文章所研究的橫截面在垂直方向上礦物的化學成分隨高度的變化圖。其中不同顏色的點代表不同的巖石學相：藍色-純橄巖，紅色-含有單斜輝石的純橄巖，橙色-含有斜長石/單斜輝石的純橄巖，紫色-含有斜方輝石/斜長石/單斜輝石的純橄巖，綠色-含有角閃石的純橄巖。紅色的虛線代表斷層，每一條斷層的位置都定位在其所在斷層的對應位置。灰色的漸變代表元素或者元素比值在垂直方向上的增加或減少，在一些情況下與斷層的出現有關。展示的元素或者元素比值包括：Fo值（100×molar Mg/（Mg+Fetotal），橄欖石中CaO的含量（wt%），鉻鐵礦的XCr值（100×molar Cr/(Cr+Al)），單鞋輝石的TiO 含量（wt%）。#1截面的礦物成分引自Rospabé et al. (2018)中的「Buri cross-section」截面。左側的圖展現的是浸染的程度與高度的關係。浸染程度利用全巖和礦物的主量元素成分進行最小二乘法(Herrmann and Berry, 2002)的計算得到。
圖2 文章所研究的橫截面在垂直方向上全巖的化學成分與隨高度的變化圖。其中不同顏色的點代表不同的巖石學相：藍色-純橄巖，紅色-含有單斜輝石的純橄巖，橙色-含有斜長石/單斜輝石的純橄巖，紫色-含有斜方輝石/斜長石/單斜輝石的純橄巖，綠色-含有角閃石的純橄巖。紅色的虛線代表斷層，每一條斷層的位置都定位在其所在斷層的對應位置。灰色的漸變代表元素或者元素比值在垂直方向上的增加或減少，在一些情況下與斷層的出現有關。展示的元素或者元素比值包括：Mg# 值(100×molar Mg/(Mg+Fetotal))，LaCN/SmCN，Nb/Ta和U/Th比值。LaCN/SmCN是利用球粒隕石標準化後的值進行計算的（Barrat et al.，2012). #1截面的全巖成分引自Rospabé et al. (2018)中的「Buri cross-section」截面。左側的圖展現的是浸染的程度與高度的關係。浸染程度利用全巖和礦物的主量元素成分進行最小二乘法(Herrmann and Berry, 2002)的計算得到。
原文題目：Melt hybridization and metasomatism triggered by syn-magmatic faults within the Oman ophiolite: A clue to understand the genesis of the dunitic mantle-crust transition zone
來源：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X19302018
7.英國皇家學會資助開展印尼海底地質調查
（趙紀東 編譯）
近日，印度尼西亞東部海底的一項重大調查得到了英國皇家學會（Royal Society）的批准，此舉有望提升印度尼西亞對致命海嘯的適應能力。
2018年末，印度尼西亞發生了兩次海浪席捲海岸線，造成了巨大的人員傷亡和經濟損失。然而，與2004年造成130000人死亡的海嘯相比，兩者的發生率都相對較低。現在，來自倫敦布魯內爾大學（Brunel University London）、印度尼西亞科學院（LIPI）和技術評估與應用機構（BPPT）的科學家將在接下來的3年中收集有關東亞國家構造斷層的數據，開發模型並提出策略，以使受海嘯影響的國家更好地保護自己。
印度尼西亞是一個多海嘯的國家，同時也是一個多地震的國家——幾乎每周都會發生6級地震。但是，印度尼西亞東部的海嘯和地震並沒有得到很好的研究（沒有足夠的數據來開展分析），因為2004年印度洋海嘯之後，大部分資金都集中投在印度尼西亞西部。
英國皇家學會共計資助50萬英鎊，相關研究分為3個部分。第一部分是海洋地球物理調查和海底測繪，這是該項目將為印度尼西亞帶來的真正突破；第二部分是通過實地研究繪製陸地斷層；第三部分是開展新穎的計算機模擬分析，將在英國布魯內爾進行。
海嘯可能由多種因素引起，並具有高度的不可預測性。地震、山體滑坡和火山都可能導致海嘯，雖然印度尼西亞確實有海嘯預警系統，但其以前是無效的。例如，2018年9月蘇拉威西（Sulawesi）發生海嘯時，系統並沒有發出警報。
布魯內爾大學的Heidarzadeh博士表示，該研究的目的是通過獲取新數據並創建潛在海嘯情景的計算機模型，以幫助制定保護印度尼西亞免受海嘯襲擊的計劃。這些計劃將包括確定高風險區、制定應對措施，並提高當地居民對海嘯即將來臨時所需行動的公眾意識。
原文題目：Major geological survey hopes to make Indonesia more resistant to deadly tsunamis
來源：
http://www.todaychan.com/2019/04/12/major-geological-survey-hopes-to-make-indonesia-more-resistant-to-deadly-tsunamis/
海洋生命過程與資源利用
8.藻類可能替代魚油成為對蝦飼料的新原料
（傅 強 編譯）
魚油（Fish oil，FO）是許多水產養殖飼料的必備添加劑。在對蝦飼料中添加魚油，不僅提高了飼料中的可利用性，還可以提供大量有益於對蝦生長及提高抗病力的高密度不飽和脂肪酸，同時增加肉質中相應的營養成分。然而，魚油價格昂貴，並且魚油的生產過程對海洋生態的破壞（捕鯨及甲殼動物）也不容忽視，科學家們一直在尋找可以替代魚油的水產動物飼料添加劑。
長久以來，微藻油或藻粉的營養成分及其替代魚油的理論可能性一直被人們所探討，近日，肯塔基州立大學的一個研究團隊在《自然》雜誌發表文章稱，以微藻粉作為原料，輔以一定比例的植物油作為添加劑，完全可以替代魚油在動物餌料中的作用。
該團隊以裂壺藻粉為主要的實驗替代品。裂壺藻是一種高產不飽和脂肪酸的微藻，其中DHA的含量高達50%以上。研究共設置了8個實驗組，分別以不同含量的裂壺藻粉，配以不同比例的大豆油、亞麻籽油的飼料，與正常添加魚油的飼料進行投餵效果比較實驗。模擬真實對蝦養殖過程，以南美白對蝦幼蝦為實驗對象進行12周的連續投喂，然後從生長速度、存活率以及整個脂類代謝的角度（肌肉脂肪酸組成、肌肉的抗氧化能力、腸脂肪酶活性、總膽固醇、皮下脂肪組織等）進行飼料效果的比較。
研究結果表明，對蝦對添加藻粉及植物油的實驗組飼料並沒有進食排斥現象。實驗組的生長速度、存活率、飼料利用率等表觀的數值與對照組並沒有顯著不同。投餵正常魚油飼料的對照組灰分和水分比例顯著偏高，而投餵藻粉及植物油的實驗組粗蛋白含量明顯偏高。尾部肌肉的脂肪酸組成方面，總飽和脂肪酸含量各組無明顯不同，但成分略有差異，如實驗組的軟脂酸（C16）比例偏高，而對照組的二十四烷酸（C24）的比例明顯偏高。
雖然實驗組的總單不飽和脂肪酸含量明顯偏高，但更重要的多不飽和脂肪酸各組差異不明顯，甚至在實驗組中隨著藻粉比例的提高，多不飽和脂肪酸中DHA的比例有明顯增高的趨勢。雖然對照組的皮下總脂肪細胞數最少，但各組總膽固醇含量無差異。
對抗氧化酶、腸脂肪酶的活性研究進一步發現，平衡比例的藻粉-植物油代替魚油添加進飼料，可以通過增加抗氧化酶活性提高對蝦的免疫抗病能力。同時脂肪酶活性有所提高，也有利於各種不飽和脂肪酸的合成與積累。並且實驗組中多不飽和脂肪酸n-3/n-6比例更高，更有利於人類的飲食健康。
研究最後總結，很多前人的研究表明，用不同比例植物油的組合代替魚油作為飼料，雖然有可能增加對蝦的生長速度，但在一定程度上會降低多元不飽和脂肪酸的含量。本研究發現，通過添加一定比例的藻粉，可以顯著改善對蝦中營養成分的降低，甚至提高DHA的含量。即在合適的平衡藻粉-植物油比例下，這些低成本的原料完全可以替代對蝦飼料中的魚油。
雖然特定藻粉的相對成本低於魚油，但其絕對成本仍較高，該研究團隊仍需要對藻粉-植物油比例進行更深入的研究，以期在不降低營養成分的條件下進一步的降低水產品飼料的成本。
原文題目：Freshwater microalgae (Schizochytrium sp.) as a substitute to fish oil for shrimp feed
來源：
https://www.nature.com/articles/s41598-019-41020-8
9.全基因組測序揭示人工選擇導致
紅海鯛基因組區域出現差異性
（譚 建 編譯）
紅海鯛是韓國和日本廣受歡迎的魚類，是兩國養殖場的重要養殖種類之一。自20世紀60年代和80年代以來，紅海鯛一直在兩國的水產養殖中佔據主導地位。紅海鯛的基因組可能會受到數十年人工選擇的影響。作為兩國重要的魚類資源，關於紅海鯛的研究大都集中在提高其生產力或抗病能力上，對紅海鯛的遺傳多樣性研究並不多。在之前的研究中，調查了近交種群的遺傳變異性，表明紅海鯛種群的遺傳變異並未顯著下降。但另外一項研究認為，人工養殖的紅海鯛其遺傳結構與野生種群不同，因此大規模放流人工養殖苗種可能會影響當地種群的遺傳多樣性。然而，之前的研究僅限於利用微衛星標記進行種群鑑定，並沒有深入討論人工選育對紅海鯛基因組的影響。因此，基於全基因組數據可以進一步深入地調查紅海鯛基因組的現狀及其與表型性狀的關係。本研究對來自日本愛媛、長崎、韓國統營養魚場和野外採集的40個紅海鯛樣品進行了全基因組測序分析。通過基於全基因組測序數據確定了種群的分層，並使用XP-EHH和相對核苷酸多樣性鑑定了所選擇的紅海鯛種群的基因組區域。研究發現，除CASH7基因共存於愛媛和長崎的紅海鯛群體中外，幾乎所有基因都存在群體間差異。GO分析表明，在不同的養魚場中的紅海鯛富集了不同的功能，如在長崎群體中發現了「肌動蛋白絲結構」和「神經元投射正向調節過程」，這可能是影響養殖紅海鯛的發育過程或性狀的人工選擇的證據，因為經過人工選擇的紅海鯛其生長更快並且具有比野生群體更高的體重。總之，本研究揭示了人工選擇對獨立培育的紅海鯛種群之間的影響作用，包括代謝和發育過程中存在完全不同的功能基因，突出了獨立培育的紅海鯛種群之間的差異性。
原文題目：Whole genome sequencing reveals the impact of recent artificial selection on red sea bream reared in fish farms
來源：
https://www.nature.com/articles/s41598-019-42988-z#Sec9
深遠海和極地極端環境與戰略資源
10.北極多年凍土崩塌的影響
及未來研究的相關建議
（廖 琴 編譯）
近期《自然·通訊》（Nature Communications）期刊發表題為《北極多年凍土和其他冰凍圈要素非線性退化的氣候政策影響》（Climate Policy Implications of Nonlinear Decline of Arctic Land Permafrost and Other Cryosphere Elements）的文章指出，北極多年凍土層的不斷減少導致碳被釋放到大氣中，海冰和陸地積雪融化導致地球表面吸收更多的太陽能，這兩者將加速氣候變化，並對世界經濟產生數萬億美元的影響。《自然》（Nature）期刊發表題為《多年凍土的崩塌正在加速碳的釋放》（Permafrost Collapse is Accelerating Carbon Release）的評論性文章，討論了北極多年凍土突然解凍對於碳排放估算和氣候政策的重要性，指出北極多年凍土的突然解凍可能使凍土帶釋放的溫室氣體造成的全球變暖增加1倍。文章還指出了目前有關北極多年凍土研究存在的知識缺口，並提出了未來的研究建議。本文對兩篇文章的核心觀點進行了整理，以供參考。
1 多年凍土解凍的影響
多年凍土由土壤、巖石或沉積物組成，通常與大塊的冰混合在一起。北半球約1/4的土地以這種方式凍結。由於死去的植物、動物和微生物的有機物質沒有分解，碳已經在這些凍土中積累了數千年。過去的研究認為，在正常變暖的情景下，緩慢而穩定的解凍將在未來300年內釋放約2000億噸碳，相當於目前北部凍土中所有碳儲量的15%左右。但這可能是一個巨大的低估，因為大約20%的凍土具有增加突然解凍的可能性。到2300年，低地湖泊和溼地以及高地丘陵的凍土突然解凍可能會額外釋放600~1000億噸的碳。此外，由於突然解凍比逐漸解凍釋放更多的甲烷，這兩個過程對氣候的影響將是相似的。因此，從目前的模型來看，凍土融化對地球氣候的影響可能是預期的2倍。
英國蘭卡斯特大學（Lancaster University）聯合美國科羅拉多大學（University of Colorado）等機構的研究人員量化了北極多年凍土碳反饋的強度及其對全球氣候和經濟的影響。研究發現，北極多年凍土碳反饋通過多年凍土融化釋放的碳，以及海面反照率降低（海冰和陸地積雪的減少）會吸收更多的太陽能，加速氣候變化。在溫暖的氣候條件下，多年凍土層的碳反饋越來越積極，而反照率的反饋隨著冰雪融化而減弱。綜合起來，這兩個因素將導致氣候變化的長期經濟影響顯著增加：在1.5℃背景下增加24.8萬億美元；在2℃背景下增加33.8萬億美元；在當前國家承諾的減排水平下增加66.9萬億美元。
2 目前的研究缺口
（1）氣候和土壤科學家需要找出甲烷和二氧化碳的最大排放來源。雖然對當前融化的湖泊和溼地的數量有了很好的了解，但研究人員需要能夠預測新融化的湖泊，還需要知道隨著氣候變暖，它們會以多快的速度流失。
（2）人們對山坡上融化土壤的侵蝕知之甚少。研究人員需要確定有多少多年凍土碳被置換，以及解凍後會發生什麼。例如，人們不知道有多少碳會留在地下，有多少碳會作為溫室氣體進入大氣層，如果流入河流和湖泊，會發生什麼？
（3）人們需要確定植物生長將在多大程度上抵消多年凍土釋放的碳。研究人員需要監測解凍的生態系統如何演變、植被穩定的速度以及這些植物如何積累生物量。隨著多年凍土景觀的變化，建模者需要預測生態群落和地貌之間的反饋變化。
（4）地下冰的分布是影響多年凍土碳命運的主要因素。目前，對地下冰的觀測很少。更廣泛的地球物理測量可以繪製出地表以下的冰塊，揭示其聚集的位置以及融化的速度。甚至可以開發機器學習技術，通過分析表面的土壤和地形來預測大多數冰被埋藏的位置。
3 下一步研究建議
（1）擴展測量技術。應該更好地追蹤整個北極地區的多年凍土和碳，特別是在經歷突然解凍的地區。建立多年凍土和生態系統變化的基線非常重要，以便對未來的措施進行比較。這將需要基於飛機的雷射雷達（光探測和測距，一種使用脈衝雷射的測量技術）、基於無人機的調查和更好的圖像分析算法。
（2）投資監測站點。河流化學組成可能是突然解凍的敏感指標，但許多監測站點正在被廢棄。各國和國際社會應該增加對長期站點的投資，將陸基觀測與水生和海洋測量聯繫起來。更好地記錄河流中的有機物和養分將有助於了解多年凍土植物與微生物群落對突然解凍及逐漸融化的響應。
（3）收集更多數據。容易突然解凍的地區需要更多的鑽孔、長期觀測和實驗。當凍土受到幹擾和恢復時，實地測量應該量化有多少二氧化碳和甲烷被釋放到大氣中。重要的是，多年凍土研究人員和行業團體必須將所有地下冰數據存放在公共檔案中。
（4）建立整體模型。地球系統模型應該包括影響多年凍土碳釋放的關鍵過程。由於突然解凍發生在精細的空間尺度上，這些動力學的詳細過程模型可能無法直接在地球系統模型中運行。必須開發框架來理解和量化這些精細過程在全球層面的影響。
（5）改進報告。政策制定者需要對突然解凍對氣候變化的影響做出最佳評估。正如政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在《全球升溫1.5℃特別報告》（Special Report on Global Warming of 1.5℃）中對逐漸解凍所做的估計那樣，需要在未解決的氣候反饋中加以考慮。多年凍土碳網絡（Permafrost Carbon Network）正在為這些努力作出貢獻，例如將在IPCC《氣候變化中的海洋和冰凍圈特別報告》（Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate）中確定突然解凍的特徵。
參考文獻：
[1] Climate Policy Implications of Nonlinear Decline of Arctic Land Permafrost and Other Cryosphere Elements.
https://www.nature.com/articles/s41467-019-09863-x
[2] Permafrost Collapse is Accelerating Carbon Release.
https://www.nature.com/articles/d41586-019-01313-4
海洋技術與裝備
11.新型水下機器人首次海試
（藺本浩 編譯）
近日，來自蒙特利灣海洋研究所的研究人員和伍茲霍爾海洋研究所的工程師對一種新型的水下機器人進行了海上試驗，該種水下機器人旨在對深遠海海域進行觀測調查。
圖1 伍茲霍爾海洋研究所的工程師和船員正準備將布放到Mesobot蒙特利灣
來自伍茲霍爾海洋研究所的水下機器人，名為「Mesobot」，在過去兩年的研發中得到了來自蒙特利灣海洋研究所、史丹福大學和德克薩斯大學大河谷分校的科學家、工程師的大力支持。Mesobot專門用於研究1000m以下水域中生物的運動、漂流情況，其工作時長可達24小時。
Mesobot將拓展蒙特利灣海洋研究所和其他研究機構在中層海域調查研究的範圍。幾十年來，由Bruce Robison和Steve Haddock以及其他人領導的蒙特利灣海洋研究所的研究人員已經使用ROV來研究中層水域的生物活動。雖然很少見到這種生物，但是該種生物研究對於海洋漁業、大型魚類食物來源和調節地球氣候等方面都具有重要意義。該項目由美國國家科學基金會（NSF）、蒙特利灣海洋研究所（MBARI）和TED的「大膽項目」資助。
Mesobot在水下探測過程中對海洋生物造成的危害比大多數的ROV都要小，其上配置了4K攝像機、海洋中層生物無法察覺的紅色照明燈和大功率、低轉速螺旋槳推進器。
圖2 Mesobot在水池中跟蹤海洋生物模型
Mesobot是一種混合型水下機器人，既可以以ROV的形式工作，通過水麵船舶和臍帶纜進行供電和控制。也可以以AUV的形式工作，在水面對設備進行配置完成後，水下可以自動工作。在每一次下潛之前，Mesobot像ROV一樣通過光纖纜由水面船舶進行控制，當操作人員釋放並收回光線纜，機器人就像AUV一樣自主進行水下工作。
在最近的試驗項目中，研究人員組裝了Mesobot，並在海水水池中進行了多次測試試驗。確保設備工作正常後，研究人員在蒙特利灣海洋研究所的科考船「Rachel Carson」號上在蒙特利灣進行了為期三天的海上試驗。
圖3 Mesobot從甲板上吊放入水
最終，研究人員系統地通過該種水下機器人對單體生物或者生物群進行持續跟蹤研究，因為這些生物進行了地球上最大的遷移運動—「晝夜垂直移動」。許多海洋生物（包括軟體動物）在黃昏時向水面移動數百米，然後黎明前後洄遊到深海。目前這種生物的活動還在研究中。研究人員希望通過水下機器人跟蹤生物活動來了解發生此種現象的原因。
原文題目：First Sea Trials of a Revolutionary New Undersea Robot
來源：
https://www.oceannews.com/news/science-technology/first-sea-trials-of-a-revolutionary-new-undersea-robot
12.科學家受北極熊毛髮微觀結構啟發
設計出新型隔熱材料
（蔣全通 編譯）
受到北極熊毛髮微觀結構的啟發，科學家團隊設計開發出了一種具有空腔結構的輕質、疏水、隔熱的新型材料，未來有望滿足航空航天、海洋裝備等領域對材料的特殊需求。
與人類或其他哺乳動物的毛髮不同，北極熊體表的毛髮是中空結構的。在顯微鏡下放大一定倍數後，每一根毛髮都存在空腔結構，這種中空的管狀結構不僅降低了北極熊毛的密度，而且有利於減小熱導率，阻隔熱量從北極熊的皮膚表面擴散到周圍的低溫環境中，可以設計成為新型人工隔熱材料。
中國科學技術大學俞書宏教授領導的研究團隊受北極熊毛髮中空結構的啟發，發展了一種人工合成類北極熊毛的中空碳管氣凝膠(CTA)的方法，該碳管氣凝膠表現出超彈性和低的熱導率。相關研究成果以《仿生碳管氣凝膠可實現超彈性和熱絕緣功效》（Biomimetic Carbon Tube Aerogel Enables Super-Elasticity and Thermal Insulation）為題，於6月6日發表在《化學》上（Chem 2019,CHEMJOURNAL-D-19-00185R1）。他們人工合成的中空碳管的內徑僅為35納米，遠小於空氣的平均自由程（75納米），也就是說管內的空氣幾乎不會傳遞熱量，因此該材料具有很好的隔熱性能。此外，這種碳管氣凝膠的三維網絡結構還使其具有超彈性，在30%應變下壓縮100萬次仍可保持結構完整。
圖 中空碳管氣凝膠(CTA)的製備：（A）北極熊毛的結構；（B）CTA製備示意圖；（C）CTA的TEM照片；（D）CTA應力-應變曲線；（E）CTA的熱紅外圖像
大自然歷經了億萬年的發展和進化，其豐富的結構與種類值得我們去學習和發展。利用一維納米線作為模板，通過模板法製備宏觀尺度的碳管氣凝膠，具有獨特的微觀結構，使其表現出優異的輕質、隔熱、疏水和機械性能。其密度最低可達到8kg/m ，低於絕大多數已報導的隔熱材料；它的接觸角為146°，在56%的相對溼度下放置120天，仍然能保持熱導率基本不變；由於中空碳管的內徑（35nm）遠小於空氣的平均自由程（75納米），管內的空氣幾乎不會傳遞熱量，因此具有很好的隔熱性能，其最低熱導率僅為23mWm K ，遠低於乾燥空氣的熱導率。
經過長期的進化，具有空腔結構的北極熊毛能在寒冷潮溼的環境中減少熱量損失，是人工合成隔熱材料的理想模型。該研究團隊接下來將探索在更大尺度上製造這種材料並實現量產，推動其在極端氣候條件下的應用。
原文題目：Biomimetic Carbon Tube Aerogel Enables Super-Elasticity and Thermal Insulation
來源：
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025