高坤山：越来越“酸”的海洋

[/free]
Eedu.org.cn　作者：高坤山资讯来源：科学时报更新时间：2008-10-30
　　
联合国教科文组织10月16日发表公报说，该组织下属政府间海洋学委员会日前与国际原子能机构等在摩纳哥举办海洋酸化研讨会。与会专家认为，海洋正在以前所未有的速度酸化，这一现象已经威胁到了海洋生态系统和几千万人的生计。

高坤山 博士，1996年国家杰出青年科学基金获得者、1997年中科院“百人计划”研究员、2007年厦门大学闽江特聘教授，Journal of Applied Phycology Editorial board。

海洋酸化是全球环境变化的核心问题之一。工业革命以来，海洋吸收了人类排放的CO2量的1/3以上，对缓解全球变暖起着重要作用。然而，大气中CO2浓度持续增高，导致海洋吸收CO2（酸性气体）的量不断增加，使得表层海水的碱性下降。这种由大气CO2升高导致的海水酸度增加的过程，被称为海洋酸化。

海洋为何“变酸”

表层海水通常是弱碱性的，其pH值因区域或季节的变化而变化，平均pH值约为8.1，数十年前为8.2。海水吸收CO2的量及其对碳酸系统的影响是左右pH值变化的关键因素之一。CO2溶入海水时，形成碳酸（H2CO3），碳酸解离形成HCO 3-和H+ ，HCO 3-可再解离形成CO3 2－和H+ ，为此海水的pH会因CO2浓度的升高而下降。

自工业革命以来，大气CO2升高使得CO2向海水溶入量增加，导致海洋表层海水的pH值下降了0.1。这个0.1的变化，意味着H+增加了30%，海洋明显酸化了。在能源使用结构不发生大变化的情况下，大气CO2浓度继续升高，2100年前会使表层海洋pH值下降0.3～0.4，这意味着H+浓度将增加1～1.5倍。

表层海水因混合动力与大气发生CO2交换。CO2在表层海水的平均滞留时间为6年。表层海水与中深层海水的混合相对缓慢，需数百年。为此，表层海水吸收的CO2会滞留较长时间，相应地增大上层海洋的酸化。

海洋酸化会带来什么

海洋酸化会引起海洋系统内一系列复杂的化学变化，并导致海洋生态系统发生不可逆转的变化。

首先，海洋酸化影响海水CaCO3的饱和度，会增加海洋向大气释放CO2的量，从而使得CO2减排的难度越来越大。因海水Ca 2+浓度比较稳定，CaCO3的饱和度主要由CO3 2-浓度所决定。大气CO2浓度的升高，使水溶性CO2、HCO3－和H+浓度增加，H+浓度增加导致CO3 2-浓度下降，进而导致海水CaCO3饱和度下降。自1880年以来，表层海水CO3 2-浓度已经下降了约10％。至2100年，与工业革命前相比，表层海水CO3 2-浓度将下降45％，海水pH将下降0.3～0.4。值得强调的一点是，不同海域CO3 2-浓度分布是不同的（与温度等相关），两极海域仅为热带海域的41％。因此，大气CO2浓度升高导致的海水酸化将对不同海域的碳化学过程产生不同程度的影响。

其次，钙化（产生钙壳或壁）海洋生物，如钙化浮游植物、钙化大型藻类（珊瑚藻类等）、珊瑚类、贝类、有孔虫和棘皮动物等对海洋酸化非常敏感。事实上，海水酸化已经开始影响海洋中的钙化过程。全球海洋由酸化导致的CaCO3溶解量，以碳量估算，每年已经达到约5×108吨碳。实验结果显示，在大气CO2浓度加倍情况下，珊瑚类的钙化速率将下降10%～50%，贻贝和牡蛎的钙化量分别减少25%和10%。将珊瑚类置于pH7.4的海水中培养一个月后，其钙化“骨骼”完全消失（珊瑚尚活着）；再将这些软珊瑚放回pH8.2的海水中培养12个月后，它们的钙化结构才得以恢复。这说明海洋酸化对珊瑚类钙化的负面效应，也展示了珊瑚钙化对碱性海水环境的依赖性。

海水的碳酸盐系统，为海洋初级生产过程保证了无机碳源的同时，使海洋生物赖以生存的化学环境具有适度的缓冲能力。然而，如上所述，海洋酸化、降低pH值的同时，正在改变碳酸盐系统的无机碳浓度与不同类型无机碳（CO2、HCO3－ 、CO3 2-）的比例。海洋中多数物质（营养或毒害物）的存在形式，依赖于海水的碳酸盐系统与pH的稳定性。因此，海洋酸化会影响生源要素与毒性离子的组成与浓度，从而影响生物代谢。而且，由于所有深层的生命均依赖于表层海洋的生产力，上层海洋生命活动发生的变化会影响到深层的生命活动。从长远的角度来看，当高CO2浓度的海水经过混合进入较深层海水后，深层的生物也会受到酸化与相应海水化学变化的影响。

相关研究充满挑战

目前，全球范围内，国际与区域性会议、学术团体以及多国重要研究机构开始挑战海洋酸化的问题。2007年，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的第四份全球气候评估报告，首次将一直被人们所忽视的海洋酸化问题提上日程，并提请全球着重关注。

目前，CO2被海洋吸收后的化学过程已得到较充分的认识；然而，有关海水中CO2浓度升高及pH值下降等如何影响海洋生命过程的问题，尚缺乏认识。海洋酸化对海洋生物活动的影响，分为直接与间接效应；直接效应包括CO2浓度增高与酸化对生物过程的影响，间接效应包括因酸化导致的海水营养组合及浓度的变化所引起的效应。探讨并预测海洋酸化的生态效应是一个复杂而又重要的挑战。

研究海洋酸化的过程及其环境与生态效应，需要探讨现在、预测未来的科学问题，还需要揭露地球历史过程中海洋环境变化的情况。在古环境演变历史中，大气CO2浓度曾经有过较大幅度的变化，认识与之相应的海洋环境变化，对认识海洋酸化的发展过程以及相关环境效应非常重要。

目前，欧美等国均展开了海洋酸化的对策研究。我国自然科学基金委员会地学部，在2007年的项目指南中已经将海洋酸化列为重点支持方向之一。科技部也已经开始资助相关的研究项目，如今年支持的“973”项目中国近海碳收支、调控机理及生态效应研究。该项目将从中国近海海气CO2通量入手，比较研究中国近海碳循环关键过程和机理，进而探讨由于海洋吸收CO2导致的海洋酸化过程，并开展相关生态效应研究。[free]