“海涵”過度 CO2威脅海洋生態
來源：中國科學報 發布時間：2014-01-24
隨著二氧化碳水平的不斷增加，全球海洋表層平均pH值已經比工業化之前的8.1～8.2下降了很多，酸度增加了大約26%。海水的腐蝕性增強，海洋生物多樣性也將隨之喪失。海洋生態正面臨一場“災難性”的挑戰。
■中國科學報記者 馬佳
至今，全球海洋表層平均pH值已經比工業化之前的8.1～8.2下降了很多。而據估計，到2100年，海洋表層平均pH值將達到7.8～7.9。圖片來源：百度圖片
地球70%的面積是被海水覆蓋的。人類的食物以及優質的水都離不開海洋的生態作用，同時海洋生態系統也是風暴等惡劣天氣現象的緩沖帶。然而，“心胸寬廣”的海洋，對大氣中存在的一種氣體實在無法過度“海涵”。
“隨著人類對化石燃料利用的增加，大氣中的二氧化碳含量也在增加，每天進入海水的二氧化碳大約為2400萬噸。”英國普利茅斯大學海洋科學與工程學院教授詹森·霍爾-斯賓塞（Jason Hall-Spencer）在郵件中告訴《中國科學報》記者，“如果把這個數字平均到每個人身上，其重量相當于一個保齡球。”
過量的二氧化碳排放已經導致海洋正在以比過去5000萬年快10～100倍的速度酸化。對于眾多的已經適應了弱堿環境的海洋生物來說，這將是災難性的變化。然而對于海洋生態來說，了解海洋酸化的影響依然是研究人員努力的方向。
從8.2到7.8
霍爾-斯賓塞介紹說，至今，全球海洋表層平均pH值已經比工業化之前的8.1～8.2下降了很多，酸度增加了大約26%。而據估計，到2100年，海洋表層平均pH值將達到7.8～7.9，海水酸度將翻倍增長。
這一數字來自于《2013海洋酸化決策摘要：高二氧化碳世界海洋討論會第三次會議（Third Symposium on the Ocean in a High-CO2 World）》（以下簡稱《摘要》），這是由國際地圈生物圈計劃小組（IGBP）牽頭，聯合國教科文組織海洋學委員會（IOC-UNESCO），海洋研究科學委員會（SCOR）共同召開的高二氧化碳世界海洋討論會第三次會議得出的結論，于2013年11月18日公布。
2012年9月，美國加州蒙特雷市，來自37個國家的540名相關領域專家參加了這次迄今為止規模最大的有關海洋酸化的討論會，并對多年來研究人員對海洋酸化的研究進行總結。報告中寫道，自工業革命以來，人類活動排放到大氣中的二氧化碳總量有四分之一被海洋吸收。
霍爾-斯賓塞告訴《中國科學報》記者，二氧化碳（CO2）溶入海水后，與水分子（H2O）結合成為碳酸。
碳酸不僅導致海水pH值降低，對殼類生物還具有腐蝕性。當碳酸離解成碳酸氫根離子和氫離子后，還會與海水中的碳酸鹽離子結合生成大量的碳酸氫鹽，從而導致碳酸鹽離子濃度降低。而碳酸鹽離子正是很多海洋生物構建外殼或骨骼不可缺少的物質。
原本這是一個動態的平衡，但是由于過量的二氧化碳溶入大海，這種平衡也隨之被打破。2003年，大氣學家肯尼斯·卡爾代羅（Kenneth Caldeira）和邁克爾·維克特（Michael E. Wickett）第一次在英國《自然》雜志中發表的論文里提出了“海洋酸化”這一術語。
殼類生物的災難
在5500萬年前“古新世—始新世極熱”（PETM）事件中也發生了海洋酸化，正是在那次事件中，海洋生物遭遇了一次大滅絕，尤其是生活在深海的殼類無脊椎動物。霍爾-斯賓塞說，珊瑚蟲、雙殼類（牡蠣、蛤蜊以及蚌）、翼足類（海生蝸牛）都會受到過量碳酸的腐蝕，受到海洋酸化影響的還有浮游植物。
霍爾-斯賓塞一直致力于海洋酸化的研究。他選擇了海底自然冒出二氧化碳氣泡的區域作為研究對象。“這樣我就能夠發現哪些生物可以在海洋酸化的過程中幸存。這些生態系統暴露在如此高濃度二氧化碳的環境中，未來幾百年會發生怎樣的變化。”他說，但是目前還很難基于短期的實驗對涉及到的幾種生物進行預判。
不過，海水中也有一種生物可能會躲過這次劫難。同濟大學海洋與地球科學學院教授張傳倫告訴《中國科學報》記者，微生物的優勢是比大型生物的適應能力更強，海洋酸化不會導致微生物大量的死亡，而是會改變它們的生態、生活方式去適應新的環境。
細菌或古菌的膜脂結構比較敏感，張傳倫解釋道，這種膜脂會改變結構以適應新的pH值或是溫度的改變。“這也是我們比較感興趣的研究方向，通過對地質歷史中膜質結構的記錄可以反演古生態環境以及不同的地質事件，比如天然氣水合物的突然大量釋放會使得吃甲烷的ANME類古菌和硫酸根還原細菌大量繁殖，而這兩類生物都有著特殊的膜脂化合物，使得我們很容易在過去的沉積物中把它們鑒定出來。”
生物多樣化喪失
隨著二氧化碳水平的不斷增加，海水的腐蝕性增強，海洋生物多樣性也將隨之喪失。霍爾-斯賓塞指出，在全球不同的海域都有同樣的記錄，比如日本、巴布亞新幾內亞以及地中海。
《摘要》在對海洋酸化產生的影響的總結中指出，很多物種都有它們自身適應新環境的潛質。但是海洋化學環境的改變太快，以至于很多種類和種群根本無法通過進化的方式來適應新環境。
但霍爾-斯賓塞解釋說，并不是所有生物體都會在海洋酸化過程中被殺死。“實際上，有些藻類、海草和動物有可能在這種情況下繁殖。只是它們會打破海洋生態系統的平衡，因為‘雜草’的繁茂可能導致很多生物體在競爭中敗下陣來。”
目前，覆蓋地球面積70%的海洋受到的壓力是多重的。《摘要》中寫道：海洋酸化、變暖、氧氣濃度降低（脫氧）、臭氧層破壞導致的紫外線輻射增加、過度捕撈、污染和富營養化以及它們之間的相互作用都在給海洋生態系統帶來挑戰。
而海洋酸化還會對海洋環境帶來另外的一種壓力，就是威脅到貨物的流轉以及以海洋為生的人類社區。全世界的人們都依靠海洋獲得食物，有的還以此獲得飲用水。同時，海洋也是風暴的緩沖區。而海洋生態系統的擾動必定會大大影響這些關系。
控制二氧化碳排放是根本
在“古新世—始新世極熱”事件之后，海洋用了幾萬到幾十萬年進行恢復。霍爾-斯賓塞告訴《中國科學報》記者，在未來的幾十到幾百年，無論是大陸巖石的風化、深海混合，還是海洋沉積物中碳酸鈣礦物的溶解，其發生的速度都不足以在未來200年中扭轉海水酸化的形勢。
在540名相關領域的專家得出的應對海洋酸化的結論中，第一條就是減少人類活動的二氧化碳排放量。
據霍爾-斯賓塞介紹，研究人員從地質工程學角度進行了很多探索，但是即使有辦法給地球降溫也無法解決海洋酸化的問題，因為，它們無法解決最根本的原因——過量的大氣二氧化碳含量。
也有人建議，通過不同的手段捕捉二氧化碳或將海水中的二氧化碳固定。“這在一定程度上可以緩和海洋酸化的影響。”霍爾-斯賓塞說，“但是，大多數這樣的提議，其成本及能源效益都是在小尺度上。”
霍爾-斯賓塞告訴《中國科學報》記者，經過一些調查，藍碳可以成為一種抵消本地二氧化碳排放的途徑。
藍碳就是鹽堿灘、紅樹林、海草從大氣或海水中捕獲的二氧化碳。這些環境可以將二氧化碳以有機物的形式存儲幾十年。
此外，減少養分流失，也許會抵消一些由海洋酸化引起的局部變化，并有可能提升海洋生態系統的整體健康水平。但霍爾-斯賓塞強調，這些措施也只能為我們爭取一點點的時間，因為海洋酸化最根本的原因還是全球二氧化碳的排放量居高不下。
▲這只環帶骨螺正在被海水吸收的過量二氧化碳腐蝕。
▲殼類生物被分解，海草“接管”了海底。詹森·霍爾-斯賓塞供圖
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