潘慧,12级土木工程,海洋酸化及其对海洋生物的影响

海洋酸化及其对海洋生物的影响潘慧12090012034（中国海洋大学工程学院土木工程，青岛266100）摘要：工业革命以来人类活动产生的巨量CO2进入大气层不仅产生严重的温室效应也使得全球海洋出现酸化现象。本文主要介绍了海洋酸化现象的基本概念、问题的产生以及发展，并且简单阐述了海洋酸化对海洋生物的影响，在此基础上对海洋酸化现象的研究重点做了简单说明，它可能对海洋生态系统的平衡产生重大的影响。关键词：海洋酸化;海洋生物;影响;CO21海洋酸化的概念、问题的产生及发展海洋酸化（OceanAcidification，OA）的定义比较简单，也容易理解：由于海洋吸收人类活动排放的一些化学物质，包括碳，氮，硫的化合物而引起的海洋pH值的持续降低，也就是说海水逐渐变酸的现象[2]。虽然在某些特定的近岸海域，氮硫的化合物同样对海洋酸化起到很重要的作用，但是主要成因还是海洋对CO2的吸收所致由于人类的活动，导致大量CO2释放到环境中，对于大气来说最显著的就是温室效应，但是事实上，这个效应由于海洋的存在而被延缓，因为大气中CO2超过30%被海洋吸收，也就是说，正是海洋的存在延缓了由CO2引起的全球变暖速率，但同时也导致了海洋自身的酸化[5]。2003年，海洋酸化（OceanAcidification，OA）这一术语第一次出现在《自然》杂志中[1]。2005年，灾难突发事件专家詹姆斯·内休斯进一步描绘出海洋酸化潜在的威胁，他通过研究发现，距今5500万年前，海洋里曾经出现过一次生物灭绝事件，罪魁祸首就是溶解到海水中的CO2，估计总量达到45000亿t，此后海洋至少用了约10万年时间才恢复正常得以度过难关。海洋吸收CO2的直接后果就是增加氢离子的含量，这也是pH值降低的主要原因，另一个后果则是增加了碳酸和碳酸氢根离子的浓度而作为平衡式（1）的产物碳酸根离子，在p（CO2）增大的情况下，导致平衡式（2）向右移动，从而降低了𝐶O32−的浓度，这两个简单的过程影响着几乎所有的海洋生物，具体流程见图1所示[3]。CO2+𝐻2𝑂↔𝐻2𝐶𝑂3↔𝐻++𝐻𝐶𝑂3↔2𝐻++𝐶𝑂32−（1）CO2+𝐻2𝑂+𝐶𝑂32−↔2𝐻𝐶𝑂3−（2）图1海洋酸化过程根据报道，进入到大气的CO2浓度已经从280μL/L（1750年），上升到目前的383μL/L，这个水平是65万年内的最高水平，并且在本世纪还会以每年0.5%的速度递增，对应于大气CO2浓度的上升，与工业革命前相比海洋的pH值已经下降了0.12个单位，相当于海水中的H+浓度上升了30%，按此估算，到2100年，海洋平均pH值将比现在下降0.3~0.5个单位，即从现在的8.1左右下降至7.6左右，海水中的H+浓度相当于现在海水中H+浓度的3倍，到那时，海水酸度将比工业革命开始时约大100%~150%。图2给出了距今2500万年前到现在全球海水平均pH值的对比（未来预测为以IPCC方案为基础的模型的衍生值）；图3给出了2000-2300年全球海水平均pH值在大气中CO2不同稳定体积分数下的下降趋势。从图3可以看出，到2300年，全球海水pH平均值有可能会下降约0.5[4]。图2过去和目前的表层海水pH值图3不同CO2体积分数下表层海水pH值下降趋势2海洋酸化的影响2.1海洋酸化对生态系统的影响海洋酸化对生态系统的影响，已经被世人所了解和接受。研究表明，海洋酸化将严重影响生物石灰化（calcification）过程，而石灰化是珊瑚和软体动物外壳形成的必要条件。因此，热带和亚热带地区的珊瑚将受到海洋酸化的严重影响，这也预示着暗礁（由珊瑚形成）的稳定性和寿命也将受到影响，以至于影响到栖息在这些环境的生物。其他将受到影响的有石灰化过程的生物是浮游植物和浮游动物。这些生物是海洋中鱼类和其他动物的主要食物来源。由于是单细胞生物，浮游生物对外界环境变化极其敏感，部分海域的酸化将不仅导致浮游生物群落结构、生物多样性产生重大变化，还将对海洋中其他生物群落甚至整个海域生态系统造成重要影响[2]。2.2对海洋碳酸盐系统的影响[6]海洋钙化生物珊瑚（corals）、有壳翼足目（shelledpteropods）、有孔虫（foraminifera）、颗石藻（coccolithophores）、软体动物（mollusks）、棘皮动物（echinoderms）等利用海水𝐶O32−生成钙质骨骼或保护壳海洋酸化下，𝐶O32−的浓度降低，海洋钙化生物的钙化作用将受到抑制Hall-Spencer等对地中海一个火山口附近高CO2区的生态系统进行调查，发现随着p（CO2）的增加和pH值的降低，海胆和钙化藻显著减少，当pH值小于7.6时，它们的丰度降至零。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+][𝐶O32−]/𝐾𝑠𝑝′其中，矿物表观溶解度𝐾𝑠𝑝′取决于温盐压力及特定的矿物晶相，文石（aragonite）比方解石(calcite)溶解性高50%；[𝐶𝑎2+]与盐度近似成比例，因此饱和度主要由𝐶O32−浓度决定，两者呈正比关系。Riebesell对比了白垩纪和当前海水中𝐶𝑎2+、pH值和不同形式无机碳的浓度，认为与海水pH值CO2和𝐶O32−浓度相比，碳酸钙饱和度Ω对生物钙化作用具有更显著的影响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Reynaud等发现，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。海洋酸化改变碳酸盐系统的无机碳质量分数与不同类型无机碳（CO2、𝐻𝐶O32−、𝐶O32−）的比例，影响着海水中CaCO3的饱和度。因海水𝐶𝑎2+质量分数比较稳定,CaCO3的饱和度主要由𝐶O32−质量分数所决定。海洋吸收更多的CO2后pH值升高，使水溶性CO2、𝐻𝐶O32−、H+质量分数增加，H+质量分数增加导致𝐶O32−质量分数下降，进而导致海水CaCO3饱和度下降。自1880年以来，表层海水𝐶O32−质量分数已经下降了约10%。至2100年，与工业革命前相比，表层海水𝐶O32−质量分数将下降45%，海水pH值将下降0.3~0.4。值得强调的一点是，不同海域𝐶O32−质量分数分布是不同的（与温度等相关），两极海域仅为热带海域的41%。因此，大气CO2的体积分数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。2.3对海洋经济的影响海洋酸化对海洋经济的影响，最直接反映在海洋渔业和珊瑚礁旅游业上，海洋酸化对海洋生物、珊瑚礁将无法在多数海域生存，因而导致商业渔业资源的永久改变，并威胁数百万人民的粮食安全[4]。2.3.1海洋渔业海洋酸化对海洋生物产生的影响，直接影响到海洋生物资源的数量和质量，导致商业渔业资源的永久改变，最终会影响到海洋捕捞业的产量和产值，并威胁数百万人口的粮食安全。海洋酸化是影响渔业生产的一个重要因素，在影响渔业生产的各种复杂关系中，渔业生产的经济产值受海水化学性质变化影响的部分有多大，目前还没有令人信服的预测。但鉴于全球渔业总产量中海洋捕捞量逐年递减的趋势以及生态系统的潜力和人类适应气候变化措施的加强，人们可以合理的假设，与海洋酸化有关的直接影响可能增加海洋渔业生产成本约10%，每年大约100亿美元。2.3.2珊瑚礁旅游业珊瑚礁是海洋生物的重要栖息地，是防护海岸线、抵御风浪侵蚀的天然屏障，也是滨海旅游和潜水等娱乐活动的理想场所。珊瑚礁旅游与海岸线防护作用的单位价值各地区有很明显的差异。据联合国环境规划署（UNEP）2001年估计，世界热带海洋珊瑚礁的面积约284300km2，若假定珊瑚礁每年产生的经济产值为10万美元/a·km2，那么世界范围珊瑚礁的经济产值约为300亿美元/a（此估算与上述渔业生产的产值有一定重合）。这些产值中有很大一部分将来可能因水温上升、污染和包括海洋酸化在内的环境变化而面临着危险。这些珊瑚礁将来如何随这些环境因素的变化而变化，我们还不了解，因而现在的模型还不能区分海洋酸化及其它环境压力对珊瑚礁的作用。但是，现在我们可以肯定的是，在本世纪或下一世纪，海洋酸化将是影响鱼类种群和珊瑚礁生长的重要因素。有人估计认为，海洋酸化每年造成的经济损失将以百亿美元计。3未来海洋酸化研究海洋生态系统正处于多重环境压力之下，对其运转、变迁与调控机制的认识尚存在相当大的不确定性。但可以肯定的是，近海生态系统、养殖生态系统中的pH变化规律与日趋恶化的海洋酸化之间必有一定的关联；海洋酸化、海洋升温等正在危及海洋生态系统的稳定性；海洋酸化会对海洋生物及生态系统造成广泛而深远的影响。然而，不同生物对酸化响应机制的差异，不同生物的适应性差异及海洋酸化本身的时空差异等，使得正确评估、预测海洋酸化及其生态效应面临着巨大的挑战[7]。根据迄今的研究进展，海洋酸化的研究重点主要在以下方面：(1)建立一系列科学规范的检测和监测方法，对海水化学、物理和生物等参数进行长时间监测，揭示近岸与外海海域在全球变暖、海洋酸化过程中的变动态势。(2)高精度和高分辨率地重建地质历史时期，特别是与现代环境密切相关的全新世时期（~10000年），海水pH的变化过程和古生态响应规律，阐明古海洋酸化事件与生物灭绝、演替的关联。(3)建立不同时-空尺度的物理、化学和生态模型，模拟和预测海洋酸化趋势及生态系统的响应特征。(4)建立中型水量（又称“中宇宙”、“中尺度”）（mesocosm）海洋酸化生态效应研究设施与海洋酸化研究示范区，综合考虑多重压力因素，在生态系统水平上研究海洋酸化对海洋生态系统服务功能与产出的影响。(5)研究不同生物、不同生理过程及不同生态过程对海洋酸化的响应。(6)评估海洋酸化可能对水产养殖、海洋生态系统带来的灾害，及其预防措施。参考文献[1]CaldeiraK,WickettME.Oceanography:anthropogeniccarbonandoceanpH[J].Nature,2003,425(6956):365.[2]许冬兰.海洋酸化及其相关经济学研究国际动态[J].中国渔业经济,30(2),2012:173-176.[3]胡祎,肖瑜,彭雪妍,张敏,章波,李中秋.海洋酸化研究进展[J].水科学与工程技术,1,2011:19-21.[4]石莉,桂静,吴克勤.海洋酸化及国际研究动态[J].海洋科学进展,29(1),2011:122-128.[5]刘洪军,张振东,官曙光,于道德,郑永允.海洋酸化效应对海水鱼类的综合影响评述[J].生态学报,32(10),2012:3233-3239.[6]汪思茹,殷克东,蔡卫君,王东晓.海洋酸化生态学研究进展[J].生态学报,32(18),2012:5859-5869．[7]唐启升,陈镇东,余克服等.海洋酸化及其与海洋生物及生态系统的关系[J].科学通报,58,2013:1307-1314.