کاهش اکسیژن در دریاها و اقیانوس
اکسیژن یک عنصر ضروری برای زیستن در آب از مناطق بین جزرومدی گرفته تا اعماق تاریک اقیانوس است. از اواسط قرن 20 میلادی تا کنون میزان ذخیره اکسیژن اقیانوس ها به مقدار قابل توجهی کاهش یافته است (Breitburg et al., 2018b). این تغییر در زمره مهمترین تغییرات رخ داده در اکوسیستم های دریایی است. اکسیژن موجود در دریا، تولید و تنوع زیستی در دریا را شکل داده و چرخه های بیوژئوشیمیایی عناصر را تنظیم می کند. مطالعات نشان می دهد که انقراض های اصلی رخ داده در تاریخ زمین با دوران اقلیمی گرم و اقیانوس های کم اکسیژن همراه بوده است (Norris et al., 2013) و بر اساس پیش بینی ها، چنانچه فعالیت های صنعتی بشر به شکل قابل توجهی کنترل و کاسته نشود، در 1000 سال آینده اقیانوس ها با کاهش چشمگیر اکسیژن مواجه خواهند شد (Watson, 2016). در متون علوم اقیانوس نگاری به شرایطی که غلظت اکسیژن محلول در آب کمتر از حدود µmol/kg 61.5 یا mg/l 2 (ml/l 1.4) باشد هیپوکسی گفته می شود. عدم وجود اکسیژن در محیط آبی نیز به عنوان شرایط آنوکسی شناخته می شود. بر اساس برخی از منابع به شرایطی که اکسیژن محلول از محدوده µmol/kg 2-10 کمتر شود شرایط زیر اکسیژنی گفته می شود. در این شرایط که اکسیژن کافی برای تنفس هوازی میکروبی وجود ندارد و از طرفی هنوز شرایط برای احیای یون سولفات مهیا نشده است، گونه هایی جایگزین دیگری بجای اکسیژن نقش تامین انرژی را بعهده می گیرند (گونه هایی مانند نیترات، نیتریت، یدات، یون های آهن، مولیبدن و غیره) (Codispoti et al., 2005). در این شرایط مرزی، محیط دریایی دچار تحولات ژئوشیمیایی قابل توجهی شده و گاز نیتروس اکسید، N2O با اثر گلخانه ای حدود 300 برابر قوی تر از کربن دی اکسید تولید می شود. بنابراین عبور از آستانه زیراکسیژنی در محیط دریایی منجر به تحولات ژئوشیمیایی در ستون آب شده و بواسطه تولید گاز نیتروس اکسید اثرات قابل توجه اتمسفری و اقلیمی بر زمین خواهد داشت. تخمین زده می شود در طی 50 سال گذشته منتهی به 2010 میلادی میزان اکسیژن اقیانوس ها حدود 2% (معادل 77 میلیارد تن) کاهش پیدا کرده باشد (Schmidtko et al., 2017). با در نظر گرفتن حد اکسیژن محلول کمتر از µmol/kg 70 در عمق 200 متر، وسعت مناطق اقیانوسی با کمینه اکسیژن (OMZs) حدود 4.5 میلیون کیلومتر مربع افزایش پیدا کرده است (Stramma et al., 2010) و در همین زمان وسعت مناطق عاری از اکسیژن (آنوکسی) چهار برابر شده است (Schmidtko et al., 2017). از سال 1950 در بیش از 500 منطقه دریایی در حاشیه قاره ها شرایط هیپوکسی گزارش شده است (شکل 1). درکمتر از 10 درصد این مناطق قبل از 1950 نیز شرایط هیپوکسی گزارش شده است. به این معنی که در حدود 450 نقطه از این مناطق یا اندازه گیری قبل از 1950 انجام نشده و یا اخیرا به مناطق شامل هیپوکسی اضافه شده اند. به نظر می رسد روند کاهش اکسیژن و افزایش تعداد مناطقی که در آن هیپوکسی گزارش می شود ادامه داشته باشد.
شکل 1: مناطق دریایی ساحلی که در آن هیپوکسی (غلظت اکسیژن کمتر از 61 میکرومول بر کیلوگرم) گزارش شده است. اقتباس از (Breitburg et al., 2018b)
استفاده از کودهای کشاورزی در سطح وسیع و انتقال آن از طریق رودخانه ها به دریا و ورود فاضلاب های صنعتی و شهری به محیط های دریایی منجر به افزایش قابل توجه ورودی مواد مغذی مانند نیترات و فسفات به آب های ساحلی شده است (Breitburg et al., 2018; Diaz and Rosenberg, 2008; Kralj et al., 2019). افزایش میزان این مواد در محیط های دریایی ساحلی کم عمق منجر به مستعد شدن این مناطق برای شکوفایی جلبک های ریز و درشت می شود. تجزیه بقایای آلی حاصل از این شکوفایی ها در محیط های دریایی توسط موجودات میکروسکوپی همراه با مصرف قابل توجه اکسیژن است. از آنجایی که برخی از محیط های ساحلی، محصورند و تبادل محدودی با آبهای آزاد دارند، این کم اکسیژنی تا مدت نسبتا زیادی در اعماق حاکم می ماند و معمولا یک فصل به طول می انجامد. از طرفی دیگر، مواد مغذی محلول حاصل از تجزیه بقایای آلی دوباره از طریق جریان های عمودی دوره ای باعث مستعد شدن آب و شکوفایی جلبکی سالهای بعدی می شود و منطقه درگیر کم اکسیژنی فصلی می شود یا در صورت وجود، این پدیده تشدید می شود.
پدیده گرمایش جهانی که از آثار تغییر اقلیم است نیز از سویی منجر به تقویت کاهش اکسیژن در محیط های دریایی شده است. گرم شدن محیط های دریایی از طریق چند مکانیسم مستقل اثر می کند. از یک سو، گرم شدن آب دریا انحلال پذیری گازها از جمله اکسیژن را در آب کاهش می دهد. از سویی دیگر با گرم شدن آب های سطحی و کاهش چگالی لایه های بالایی در محیط دریایی، شدت جریان ها و اختلاط های عمودی، که بویژه در زمستان در اثر سرد شدن لایه های سطحی رخ می دهند، کاهش می یابد و در نتیجه عمق و میزان اکسیژن رسانی به لایه های زیرین کاهش می یابد. از طرفی دیگر، با گرم شدن آب در برخی موارد، میزان تولیدات اولیه پلانکتونی افزایش یافته که منجر به افزایش مواد آلی و تقویت هیپوکسی می شود (Carstensen et al., 2014; Carstensen and Conley, 2019; Hallegraeff, 2010; Keeling et al., 2009).
در برخی از مناطق دریایی مانند مناطق فراجوشی و آبدره ها، هیپوکسی به طور طبیعی رخ می دهد. فعالیت های انسانی در دهه های اخیر بویژه از 1960 به بعد باعث شده تا این مناطق هیپوکسی تقویت شوند و مناطق هیپوکسی و آنوکسی جدیدی در نواحی ساحلی و مصبی به سرعت توسعه یابند (Kountoura and Zacharias, 2014). توسعه شرایط هیپوکسی و آنوکسی در محیط های دریایی و بویژه مناطق ساحلی منجر به تحول بوم سازگان های دریایی و تغییرات عمده در عملکرد و وضعیت آنها می شود (Diaz and Rosenberg, 2008). کاهش شدید اکسیژن در محیط باعث تغییر شرایط اکسایش-احیا در آب می شود که به دنبال آن مسیر واکنش ها و برهمکنش های زیست-شیمیایی تغییر کرده، تنوع زیستی کاهش می یابد و ساختار جمعیتی و اکولوژی محیط دستخوش تحول اساسی می شود (Baumann, 2016; do Rosário Gomes et al., 2014; Feely et al., 2018; Fennel and Testa, 2019; Gobler and Baumann, 2016; Thomas et al., 2019; Zhai et al., 2019). گزارش های متعددی مبنی بر مرگ و میر ماهیان و جانوران دریایی ساکن بستر دریا و حتی قفس های پرورش آبزی در محیط های دریایی به دلیل خفگی در آب های کم اکسیژن در نقاط مختلف دنیا وجود دارد (Breitburg et al., 2018a).
وضعیت اکسیژن محلول در خلیج فارس
خلیج فارس میزبان اکوسیستم های دریایی متنوعی مانند جنگل های حرا، بسترهای پوشیده از علف های دریایی و آبسنگ های مرجانی است که تا حدودی خود را با شرایط محیطی سخت این منطقه سازگار کرده اند. این اکوسیستم های ارزشمند از یک طرف تحت تاثیر توسعه و رشد سریع جمعیت و اقتصاد کشورهای حاشیه خلیج فارس و از طرفی دیگر تحت تاثیر تغییرات اقلیم منطقه، بیش از پیش، از فشار فزاینده ناشی از فعالیت های بشری رنج می برند. افزایش ورود مواد مغذی در کنار گرم شدن خلیج فارس می تواند منجر به کاهش غلظت اکسیژن محلول در آب شود. بنابراین وقوع همزمان گرمایش، کاهش اکسیژن و اسیدی شدن در خلیج فارس همانند بسیاری از محیط های دریایی نیمه بسته به معضل بزرگی برای اکوسیستم های ارزشمند آن تبدیل شده است. بر اساس مطالعات انجام شده، مساحت مناطق تحت تاثیر هیپوکسی در خلیج فارس در اواسط پاییز می تواند به بیش از 50000 کیلومتر مربع برسد (شکل 2). وقوع پدیده هیپوکسی در خلیج فارس در اواخر تابستان محدود به دو منطقه اصلی در بخش های غربی و میانی است. در شرق تنگه هرمز نیز در مناطق دور از آب خروجی خلیج فارس، تقریبا از اوایل تابستان تا اواسط زمستان، شرایط هیپوکسی در لایه نزدیک بستر دیده می شود. بازسازی مقادیر غلظت اکسیژن محلول در دهه های گذشته نیز حاکی از روند کاهشی در غلظت اکسیژن محلول و افزایش وسعت و مدت هیپوکسی در خلیج فارس است. کاهش کیفیت آب خروجی خلیج فارس علاوه بر اثرات سوئی که بر اکوسیستم های ارزشمند آن و متعاقبا صیادی و شیلات در این خلیج می گذارد، می تواند به طرق مختلف اثرات قابل توجهی را در دریای عمان و حتی دریای عرب بر جای بگذارد و اوضاع منطقه کم اکسیژن (OMZ) در این دریاهای وسیع را نیز وخیم تر کند.
شکل 2: منطقه مستعد هیپوکسی نزدیک بستر در پاییز سال های 2018 و 2019 (Saleh et al., 2021)
وضعیت اکسیژن محلول در دریای عمان
در دریای عمان لایه کم اکسیژن به صورت طبیعی و دائمی وجود دارد. در اعماق بیش از 350 متر در هردو فصل تابستان و زمستان شرایط زیراکسیژنی (غلظت اکسیژن کمتر از 6 میکرومول بر کیلوگرم) مشاهده می شود. این لایه همان هسته منطقه کم اکسیژن دریای عمان است. منطقه کم اکسیژن دریای عمان و دریای عرب در چند دهه گذشته تشدید شده است. مقادیر اکسیژن که در هسته OMZ دریای عمان و دریای عرب در سال 1960 در محدوده 6 تا 12 میکرومول بر کیلوگرم گزارش می شد، حالا به مقادیر کمتر از 6 میکرومول بر کیلوگرم (زیر اکسیژنی) رسیده است (شکل 3). موجودات دریایی که در لایه نزدیک بستر یا رسوبات نواحی دریایی حاشیه قاره زندگی می کنند بیشترین آسیب را از گسترش و تشدید هیپوکسی و شرایط زیر اکسیژنی متحمل می شوند. کمبود اکسیژن باعث کاهش تنوع زیستی کفزیان و غالب شدن گونه های مقاوم مانند کرم های پرتار در رسوب سطحی می شود. کاهش اکسیژن در دریای عمان بر ترکیب جوامع فیتوپلانکتونی، مهاجرت عمودی زئوپلانکتون و فانوس ماهیان در ستون آب تاثیر قابل توجهی داشته است. گسترش و تشدید OMZ با تاثیرات منفی بر صیادی و شیلات، آثار منفی اجتماعی و اقتصادی نیز برای ساکنین نواحی ساحلی اقیانوس هند، دریای عرب و دریای عمان به همراه دارد.
شکل 3: غلظت اکسیژن محلول در دریای عمان (GoO) و شمال غرب دریای عرب (NWAS) و میانگین گزارش شده در اطلس اقیانوس های جهان (WOA) در اندازه گیری های قبل از 1990 و بعد از 1990 میلادی. اقتباس از (Queste et al., 2018)
مدیریت و راهبردهای سیاستگذاری برای کاهش اثرات کاهش اکسیژن
مدیریت و راهبردهای سیاست گذاری برای متوقف کردن یا کاستن اثرات کاهش اکسیژن در خلیج فارس و دریای عمان را می توان در سه دسته اقدام های مدیریتی اصلی طبقه بندی کرد. برخی از این اقدام ها که البته از درجه اهمیت بسیار بالایی برخوردار هستند باید در سطح بین المللی و برخی دیگر که اثرات کم دامنه تری دارند در سطوح منطقه ای و ملی پیگیری شوند. دسته اول اقدام های مدیریتی به "اقدام های کاهشی مبتنی بر اکوسیستم برای احیا و محافظت از محیط زیست" مربوط می شود (Breitburg et al., 2018b). برخی از موارد دسته اول عبارتند از الف) کاهش ورود مواد مغذی از طریق فاضلاب های شهری، صنعتی و فعالیت های کشاورزی به محیط خلیج فارس با توجه به توسعه شهری و صنعتی در کشورهای حاشیه خلیج فارس می تواند تاثیر بسزایی در بهبود کیفیت آب در خلیج فارس داشته باشد. به نظر می رسد یکی از منابع اصلی ورود مواد مغذی (نیتروژن و فسفر) و حتی کربن آلی به خلیج فارس، فاضلاب های تصفیه نشده (یا تصفیه شده به روش های غیر موثر) شهری و صنایع است. این فاضلاب ها با محتوی بالای نیتروژن و فسفر و شاخص های BOD و COD بالاتر از حد مجاز، بدون شک منجر به افزایش شکوفایی های جلبکی در خلیج فارس و افزایش تولید مواد آلی زیستی می شود. اثرات این تغییرات بسرعت خود را در کاهش اکسیژن و اسیدی شدن بویژه در لایه های پایینی ستون آب خلیج فارس نشان می دهد. کنترل و استفاده بهینه از کودهای کشاورزی بویژه در دامنه های جنوبی زاگرس در استان های خوزستان، فارس، بوشهر و هرمزگان می تواند از اقدامات موثر در کاهش ورود مواد مغذی به خلیج فارس باشد. اگرچه ورودی رودخانه ها به خلیج فارس بسیار کم و غیر دائمی است ولی باید توجه داشت که در مواقع وقوع بارش های سیل آسا که در سال های اخیر نیز شاهد آن بوده ایم، مقادیر اضافی مواد مغذی تجمع یافته در زمین های کشاورزی و جلگه ها به صورت دفعی به دریا منتقل شده و اثرات خود را بر جای خواهد گذاشت. ب) کاهش تولید گاز های گلخانه ای بویژه CO2 یکی دیگر از مهمترین اقدامات کاهشی برای مبارزه با فقر اکسیژن و اسیدی شدن دریاها است. کاهش تولید گازهای گلخانه ای منجر به کاهش شدت گرمایش محیط های دریایی می شود و در نتیجه سرعت از دست دادن اکسیژن در دریاها و اقیانوس ها کاسته می شود. البته این هدف را شاید بتوان دشوار ترین و دوردست ترین اقدام کاهشی برشمرد چرا که اجرای آن نیازمند اجماع موثر بین المللی است که با معادلات اقتصادی، اجتماعی و سیاسی جاری حاکم در جهان و علی رقم وجود توافقاتی مانند پیمان اقلیمی پاریس، همچنان دست نیافتنی به نظر می رسد ج) نظارت موثر و کاهش تولید ضایعات آلی در صنعت پرورش آبزیان در قفس یکی دیگر از اقدام های کاهشی منطقه ای است که می تواند بویژه در مقیاسی کوچکتر در کنترل هیپوکسی و اسیدی شدن سواحل خلیج فارس و سواحل مکران موثر باشد. مواد آلی ناشی از غذا دهی، مدفوع و اجساد آبزیان می تواند منجر به ایجاد مناطق مرده (کم اکسیژن تا بدون اکسیژن) در رسوب و لایه نزدیک بستر نواحی اطراف قفس ها شود و تنوع زیستی را به صورت موضعی نابود کند.
دسته دوم "اقدام های مبتنی بر سازگاری برای بازسازی و حفاظت از موجودات دریایی و شیلات" است (Breitburg et al., 2018b). از جمله این اقدام ها عبارتند از الف) اتخاذ استراتژی های برنامه ریزی فضایی دریایی و مدیریت شیلات برای رسیدگی به آسیب پذیری های ناشی از کاهش اکسیژن و حفاظت از گونه ها و زیستگاه های آسیب دیده. ایجاد مناطق حفاظت شده دریایی و مناطق صید ممنوع در مناطقی با اکسیژن خوب که می توانند به عنوان پناهگاه عمل کنند. هنگامی که اکسیژن کم است باید از جمعیت آبزیان محافظت شود. ب) اثرات کم اکسیژنی بر تولید و مرگ و میر گونه های ماهیان و زیستمندان غیر شیلاتی خلیج فارس و دریای عمان برآورد شده و در تعیین محدودیت های صیادی به عنوان یک فاکتور موثر در نظر گرفته شود.
دسته سوم "پیاده سازی و حفظ برنامه های پایش و تجزیه و تحلیل اطلاعات حاصل از آن" است. تدوین برنامه های پایش و نظارت، تجزیه و تحلیل داده‌ها و انتشار نتایج برای شناسایی مشکلات و تعیین اثربخشی اقدام های مدیریتی و تلاش‌هایی که برای احیا و بازسازی منابع زیستی صورت گرفته، ضروری است. در واقع تلاش برای یکپارچه سازی تحقیقات، مدیریت و اقدام های سیاستی در دریاها و اقیانوس ها در همه رشته های زیست شناسی، ژئوشیمی و فیزیک، در مورد همه مشکلات ناشی از تغییر اقلیم مانند گرمایش، اسیدی شدن و کاهش اکسیژن، و در همه بخش های دانشگاهی، صنعتی، دولتی و نظارتی، موثرترین نقشه راهی است که برای مبارزه با اثرات تغییر اقلیم بر منابع زیستی دریایی توصیه می شود.
مراجع:
Baumann, H., 2016. Combined effects of ocean acidification, warming, and hypoxia on marine organisms. Limnol Ocean. e-Lectures 6, 1–43.
Breitburg, D., Grégoire, M., Isensee, K. [2], 2018a. The Ocean is losing its breath: summary for policy makers. Declining oxygen in the world’s ocean and coastal waters;
Breitburg, D., Levin, L.A., Oschlies, A., Grégoire, M., Chavez, F.P., Conley, D.J., Garçon, V., Gilbert, D., Gutiérrez, D., Isensee, K., Jacinto, G.S., Limburg, K.E., Montes, I., Naqvi, S.W.A., Pitcher, G.C., Rabalais, N.N., Roman, M.R., Rose, K.A., Seibel, B.A., Telszewski, M., Yasuhara, M., Zhang, J., 2018b. Declining oxygen in the global ocean and coastal waters. Science (80-. ). 359, eaam7240. https://doi.org/10.1126/science.aam7240
Carstensen, J., Andersen, J.H., Gustafsson, B.G., Conley, D.J., 2014. Deoxygenation of the Baltic Sea during the last century. Proc. Natl. Acad. Sci. 111, 5628–5633.
Carstensen, J., Conley, D.J., 2019. Baltic Sea hypoxia takes many shapes and sizes. Limnol. Oceanogr. Bull. 28, 125–129
Codispoti, L.A., Yoshinari, T., Devol, A.H., 2005. Suboxic respiration in the oceanic water column, in: Giorgio, P.A. del, B.Williams, P.J. le (Eds.), Respiration in Aquatic Ecosystems. Oxford University Press Inc., New York, p. 326.
Diaz, R.J., Rosenberg, R., 2008. Spreading dead zones and consequences for marine ecosystems. Science (80-. ). 321, 926–929. https://doi.org/10.1126/science.1156401 do Rosário Gomes, H., Goes, J.I., Matondkar, S.G.P., Buskey, E.J., Basu, S., Parab, S., Thoppil, P., 2014. Massive outbreaks of Noctiluca scintillans blooms in the Arabian Sea due to spread of hypoxia. Nat. Commun. 5, 4862.
Feely, R.A., Okazaki, R.R., Cai, W.-J., Bednaršek, N., Alin, S.R., Byrne, R.H., Fassbender, A., 2018. The combined effects of acidification and hypoxia ecosystem and the northern Gulf of Mexico. Cont. Shelf Res. 152, 50–60.
Fennel, K., Testa, J.M., 2019. Biogeochemical controls on coastal hypoxia. Ann. Rev. Mar. Sci. 11, 105–130 .
Gobler, C.J., Baumann, H., 2016. Hypoxia and acidification in ocean ecosystems: Coupled dynamics and effects on marine life. Biol. Lett. 12. https://doi.org/10.1098/rsbl.2015.0976
Hallegraeff, G.M., 2010. Ocean climate change, phytoplankton community responses, and harmful algal blooms: a formidable predictive challenge 1. J. Phycol. 46, 220–235. https://doi.org/https://doi.org/10.1111/j.1529-8817.2010.00815.x
Keeling, R.F., Körtzinger, A., Gruber, N., 2009. Ocean deoxygenation in a warming world. Kountoura, K., Zacharias, I., 2014. Annual hypoxia dynamics in a semi-enclosed Mediterranean gulf. J. Mar. Syst. 139, 320–331.
Kralj, M., Lipizer, M., Čermelj, B., Celio, M., Fabbro, C., Brunetti, F., Francé, J., Mozetič, P., Giani, M., 2019. Hypoxia and dissolved oxygen trends in the northeastern Adriatic Sea (Gulf of Trieste). Deep. Res. Part II Top. Stud. Oceanogr. 164, 74–88. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2019.06.002
Norris, R.D., Kirtland Turner, S., Hull, P.M., Ridgwell, A., 2013. Marine ecosystem responses to Cenozoic global change. Science (80-. ). 341, 492–498. https://doi.org/10.1126/SCIENCE.1240543/SUPPL_FILE/492.MP3
Queste, B.Y., Vic, C., Heywood, K.J., Piontkovski, S.A., 2018. Physical Controls on Oxygen Distribution and Denitrification Potential in the North West Arabian Sea. Geophys. Res. Lett. 45, 4143–4152. https://doi.org/10.1029/2017GL076666
.Saleh, A., Abtahi, B., Mirzaei, N., Chen, C.-T.A., Ershadifar, H., Ghaemi, M. Hamzehpour, A., Abedi, E., 2021. Hypoxia in the Persian Gulf and the Strait o Hormuz. Mar. Pollut. Bull. 167, 112354. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2021.112354
Schmidtko, S., Stramma, L., Visbeck, M., 2017. Decline in global oceanic oxygen content during the past five decades. Nature 542, 335–339. https://doi.org/10.1038/nature21399
Stramma, L., Schmidtko, S., Levin, L.A., Johnson, G.C., 2010. Ocean oxygen minima expansions and their biological impacts. Deep Sea Res. Part I Oceanogr. Res. Pap. 57, 587–595. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.dsr.2010.01.005
Thomas, Y., Flye-Sainte-Marie, J., Chabot, D., Aguirre-Velarde, A., Marques, G.M., Pecquerie, L., 2019. Effects of hypoxia on metabolic functions in marine organisms: Observed patterns and modelling assumptions within the context of Dynamic Energy Budget (DEB) theory. J. Sea Res. 143, 231–242.
Watson, A.J., 2016. Oceans on the edge of anoxia. Science (80-. ). 354, 1529–1530. https://doi.org/10.1126/science.aaj2321
Zhai, W., Zhao, H., Su, J., Liu, P., Li, Y., Zheng, N., 2019. Emergence of summertime hypoxia and concurrent carbonate mineral suppression in the central Bohai Sea, China. J. Geophys. Res. Biogeosciences 124, 2768–2785