海洋酸化的生态效应

海洋酸化的生态效应陈忆枫1203002110412化学摘要：工业革命以来，人类排放的大量二氧化碳引起温室效应的同时，也被海洋吸收使得全球海洋出现了严重的酸化。海洋酸化及伴随的海水碳酸盐化学体系的变化对海洋生物产生深远的影响。以海洋酸化对钙化作用和光合作用的影响为重点，介绍了海洋中不同生态系统对海洋酸化的响应。一方面，海水中CO32-浓度和碳酸钙饱和度的降低对海洋钙化生物造成严重损害。另一方面，CO2浓度的增加能促进海洋植物的光合作用和生长，增加初级生产力，改变浮游植物的群落组成。海洋酸化对海洋生态系统的影响机制复杂，影响程度深远。1关键词:海洋酸化;碳循环;CO2；生物钙化；光合作用引言工业革命前600000年间，大气p(CO2)的变化范围为180到280μmol/mol。工业革命以来，人为活动导致CO2的大量排放，到2007年大气CO2浓度已达到384μmol/mol，并以每年约0.5%的速度增加。可以预见在未来相当长的时间内，大气CO2浓度还会不断增加。1.海洋酸化1．1海洋碳循环1汪思茹，殷克东，蔡卫君，王东晓．海洋酸化生态学研究进展．生态学报，2012，32(18):5859-5869．图1二氧化碳浓度变化趋势陈忆枫12030021104海洋在全球碳循环中起着极其重要的作用，海洋是地球上最大的碳库。海洋储存碳是大气的60倍，是陆地生物土壤层的20倍；大约40%人为排放的碳被海洋和陆地吸收。1.1.1海洋碳循环海洋碳循环可以分为三个方面。第一方面是“碳酸盐泵”，就是大气中的CO2气体被海洋吸收，并在海洋中以碳酸盐的形式存在；第二方面是“物理泵”，即混合层发展过程和陆架上升流输入，它与海洋环流密切相关；第三方面是“生物泵”，即生物净固碳输出，也就是通过生物的新陈代谢来实现碳的转移，在海洋中主要是通过海洋浮游植物的光合作用来实现的。海洋是一个非常巨大的碳库，溶解有机碳约1000Gt，溶解无机碳为37400Gt，海洋生态系统在全球碳循环中起着决定性作用。海洋在全球碳循环中起着极其重要的作用，海洋是地球上最大的碳库。大气与海洋的CO2交换主要发生在海水表层，海水表层储存碳的空间是有限的，表层海水与深层海水之间的交换是一个长期的缓慢过程。生物的死亡腐化，却可以将海洋表层100m中的碳向深层海洋转移，从而减少海洋表层的含碳量；也可以让海洋吸收大气中CO2的速率大大提高，从而减少大气中CO2的含量。21.2海水酸化的成因1800年以来，表层海水已经吸收了超过5，000亿吨的二氧化碳，占化石燃料燃烧和水泥产业排放总量的约一半。海洋在全球碳循环中起着极其重要的作用，吸收了约1/3的人类排放二氧化碳，如果没有海洋的吸收，大气CO2浓度还会再增加55%。海洋对CO2的吸收减缓了大气CO2浓度上升的趋势。海洋所付出的代价直2=447dvDisITdbQGJ0gQ7U1LOKtBJb23qwUGDHyPwXxrjzXcSvm5FCLY25ckZEakzJXb7j4UZzoy2Vcsts6uaBhTAj0PR5X5mgeFO8hWUpdD3图2海洋中的碳循环陈忆枫12030021104到最近才显现出来。但不断增加溶入的CO2使海水pH值降低，并改变海水的二氧化碳-碳酸盐碳循环体系:CO2(atoms)CO2(aq)+H2OH2CO3H++HCO32－2H++CO32－使得海水中H+、CO2和HCO3－浓度增加，CO32－浓度降低。和前工业化时代相比，表层海水的pH指已经降低了约0.1。这可能看起来没有多少，但是pH值是在对数层面上进行测算的，衡量的是水中氢离子的数量。因此，0.1的降低实际上意味着氢离子增加了30%。如果这个趋势继续下去、我们用光所有化石燃料储量的话，海洋的pH值将直降，酸性将增加。到2100年，海水pH值将在现在的水平上（大约pH8.1）降低0.4之多，到2300年降低0.67。如果要让海水化学情况恢复到前工业化时期的水平，必须花上数千年时间，在此期间，表层海水逐渐和深层海水混合，与碳酸钙沉积物发生反应，通过它们的分解慢慢重新提高pH值。3酸化及伴随的海水化学环境的变化对海洋生态系有着深远的影响。国际上关于海洋酸化的生态学效应研究集中在钙化固碳和光合固碳两个方面。光合固碳和钙化固碳分别代表着海洋的有机碳泵和碳酸盐逆泵，其在海洋酸化下的变化关系到海洋的CO2吸收能力，深刻影响3海洋酸化：CO2问题的另一面；卡罗尔-特里；中外对话2008.09.02图3海水pH变化趋势纵向：时间，纵向：海水pH减少的值陈忆枫120300211042海洋酸化的生态效应2．1生物钙化海洋钙化生物珊瑚(corals)、有孔虫(foraminifera)、软体动物(mollusks)等利用海水CO32-生成钙质骨骼或保护壳。海洋酸化下，CO32-浓度降低，海洋钙化生物的钙化作用将受到抑制。在两倍于现今大气p(CO2)水平下，海洋生物钙化总量将减少20%—40%。几乎所有室内和围隔生态实验都显示生物钙化率随CO2浓度上升而降低，气候模型结果也显示22世纪全球海洋生物钙化率会下降。海洋酸化下，CO32-浓度的减少将降低碳酸钙饱和度，碳酸钙饱和度Ω定义为:Ω=［Ca2+］［CO3－2］/K'sp［Ca2+］与盐度近似成比例，因此饱和度Ω主要由CO32-浓度决定，两者呈正比关系。Ω＞1．0的海水有利于生物体钙质外壳和骨骼的形成和发育，Ω＜1．0时生物体外壳和骨骼将溶解(被有机外衣等保护的外壳和骨骼除外)。目前，上层海水的碳酸钙仍处于超饱和状态，一般不会成为生物钙化的限制性因子，但即使Ω大于1，Ω的降低仍能导致大多数钙化生物钙化率的降低。2．1．1珊瑚礁生态系统珊瑚礁生态系统是地球上生物多样性最高且经济效益显著的生态系统，。据预测，如果大气CO2浓度按预期的速度持续上升，到2050年温带水域珊瑚礁的生长将受到严重威胁。珊瑚礁碳酸钙层的主要贡献者包括造礁珊瑚、红壳珊瑚藻(CCA)和绿钙藻(Halimeda)。这些钙化生物为珊瑚礁中其它生物提供食物、栖息地和保护，具有重要的生态意义。生态系统实验结果表明海洋酸化对珊瑚和CCA有抑制作用。pH值的降低会导致珊瑚的生长率、钙化速率和生产力降低，使珊瑚白化和坏死加剧，并可能改变珊瑚礁生态系统的群落结构。根据实验结果，在两倍于前工业时期p(CO2)水平下珊瑚礁将减少40%，在实验进行中，也没有观察到珊瑚有任何适应碳酸钙饱和度变化的征兆。另外，光合生物肉质藻的生长可能受到p(CO2)上升的促进。因此，珊瑚和钙化藻因海洋酸化受到抑制时，肉质藻可能替代他们成为珊瑚礁的优势生物，这种变化可能将改变珊瑚礁生态系统的结构并陈忆枫12030021104影响依赖这一系统的动植物群落。海水中碳酸钙饱和度对生物钙化有直接影响。工业革命前，热带Ω约为4，现在已降低到约3．5，推测到2100年将低于2。虽然热带海水碳酸钙能够持续处于超饱和状态(Ω＞1)，但生物钙化率仍会显著受到大气CO2浓度上升的抑制。由于珊瑚礁受到外界压力如捕食者、营养盐限制和温度变化等侵蚀，只有在钙化速率能够平衡这些损失时珊瑚礁才能维持稳定。一般认为Ω=3．5是珊瑚增长的下限。现今，98%的珊瑚礁生长在碳酸钙饱和度Ω≥3．5的海水中。当大气p(CO2)水平达到450μmol/mol，热带海区的Ω将会低于3．5，彼时海洋珊瑚礁生态系统将面临灾难。2．2光合作用固碳2．2．1红树林和海草大气CO2浓度上升对陆地植物光合固碳的影响已经得到了有效的研究，短期内CO2浓度升高有利于植物通过光合作用将CO2转化为有机物，从而促进植物的生长发育，且对C3植物的促进作用更明显。红树林生态系统的基本特征是包含有生长在潮间带上半部的通称红树林的茂密耐盐常绿乔木或灌木，是重要的海岸生态系统类型。红树林在p(CO2)升高下的光合作用和生长与树木种类有关，总体上，大气CO2浓度升高有利于红树林生长发育，但相对于全球变暖和海平面上升，其直接影响并不显著。海草光合作用利用的C至少50%来源于海水中的CO2，自然界中的海草基本处于碳限制状态，大叶藻的短期CO2富集实验显示叶光合效率和茎生产力的增加，同时伴随对光的需求降低。CO2浓度的增加可增加海草生物量，但海草对CO2富集的反应强度与其它环境因素相关，长期处于光限制的海草在大气CO2浓度升高下受益更为明显。2．2．2钙化藻海洋钙化藻，主要包括浮游的颗石藻、定生的红藻、绿藻和褐藻，一方面通过光合作用固定CO2，促进CO2由大气向海洋迁移;另一方面通过钙化作用形成CaCO3沉积，在海洋碳循环和关键地球化学过程中发挥作用。在海洋酸化情况下，陈忆枫12030021104钙化藻光合作用受CO2和HCO3－浓度增加的促进，其钙化作用受到CO32－浓度和碳酸钙饱和度降低的抑制，同时海水pH值的降低还可能影响钙化藻的营养代谢等其他生理作用。因而钙化藻在海洋酸化下的响应更难预测。多数生态系统研究都显示了CO2浓度上升对钙化藻类钙化作用的抑制，但钙化藻生长对CO2富集的响应存在较大差酸化下钙化率的减少和环境pH值的降低可能会影响颗石藻的细胞分裂速率，Riebesell和Engel等对圆石藻的研究显示了生长速率随CO2浓度上升而下降。2．3海洋酸化对其它生物地球化学过程的影响早在Redfield研究中，人们就认识了海洋碳循环和主要营养元素——氮(N)、磷(P)硅(Si)的生物地球化学循环有着密切相关性。人类CO2排放导致的海洋酸化不仅对碳循环有深远影响，也影响着其它营养元素的地球化学循环。海洋氮循环受海洋酸化和CO2富集影响比其它营养盐显著，主要表现在固氮和脱氮作用增强及可能的硝化作用的减弱。磷(P)和硅(Si)循环受海洋p(CO2)上升的直接影响并不显著，但它们会间接地受到碳氮生物地球化学变化的影响。p(CO2)的变化还可以通过影响微藻种群结构间接影响Si的吸收利用。另外，酸化条件下，一些鱼类会因体液中碳酸增加而死亡。海洋酸化导致OH－和CO32－离子浓度下降，从而影响海水中金属的溶解性、吸附性、毒性和氧化还原过程。因此，海洋酸化的持续发展必将引起金属离子的存在形态发生显著变化，进而影响生物对金属离子的利用。3总结越来越多的研究显示，人类CO2大量排放导致的海洋酸化严重的威胁了海洋钙化生物的生存和生长。不同钙化生物的钙化机制及生活环境不同，对海洋酸化的敏感性也有差异，受海洋酸化的影响程度也不同。与钙化生物受抑制相反，海洋酸化下海水中CO2浓度的增加将促进光合生物的光合作用，增加海洋的初级生产力，被认为是海洋对CO2浓度增加的负反馈。不同物种对海洋酸化的响应差异性，必然导致海洋酸化对生物群落和生态系统组成产生影响。珊瑚礁生态系统中，珊瑚和钙化藻因海洋酸化受到抑制时，肉质藻可能替代他们成为珊瑚礁的优势生物。海洋酸化还会影响浮游植物的群落组陈忆枫12030021104成，CO2加富下，赤道太平洋浮游植物中硅藻丰度上升，棕囊藻减少。44汪思茹，殷克东，蔡卫君，王东晓．海洋酸化生态学研究进展．生态学报，2012，32(18):5859-5869．