海洋酸化

海洋酸化是指由于海洋吸收、釋放大氣中過(guò)量二氧化碳(CO2)，使海水正在逐漸變酸。工業(yè)革命以來(lái)，海水pH值下降了0.1。海水酸性的增加，將改變海水化學(xué)的種種平衡，使依賴于化學(xué)環(huán)境穩(wěn)定性的多種海洋生物乃至生態(tài)系統(tǒng)面臨巨大威脅。

目 錄  

1名詞解釋

2研究歷史

3產(chǎn)生原因

4酸化危害

   4.1 浮游植物

   4.2 軟體動(dòng)物

   4.3 魚(yú)類影響

   4.4 暴雨侵襲

   4.5 人類生計(jì)

   4.6 珊瑚或?qū)⑾?nbsp;

5防范措施

6摩納哥宣言

1名詞解釋

海洋酸化即海水由于吸收了空氣中過(guò)量的二氧化碳，導(dǎo)致酸堿度降低的現(xiàn)象。酸堿度一般用pH值來(lái)表示，范圍為0-14，pH值為0時(shí)代表酸性最強(qiáng)，pH值為14代表堿性最強(qiáng)。蒸餾水的pH值為7，代表中性。海水應(yīng)為弱堿性，海洋表層水的pH值約為8.2。當(dāng)空氣中過(guò)量的二氧化碳進(jìn)入海洋中時(shí)，海洋就會(huì)酸化。科學(xué)家研究表明，由于人類活動(dòng)影響，到2012年，過(guò)量的二氧化碳排放已將海水表層pH值降低了0.1，這表示海水的酸度已經(jīng)提高了30%。預(yù)計(jì)到2100年海水表層酸度將下降到7.8，到那時(shí)海水酸度將比1800年高150%。

2研究歷史

1956年，美國(guó)地球化學(xué)家洛根.羅維爾開(kāi)始著手研究大工業(yè)時(shí)期制造的二氧化碳在未來(lái)50年中將產(chǎn)生怎樣的氣候效應(yīng)。洛根和他的合作伙伴在遠(yuǎn)離二氧化碳排放點(diǎn)的偏遠(yuǎn)地區(qū)設(shè)立了兩個(gè)監(jiān)測(cè)站。一個(gè)在南極，那里遠(yuǎn)離塵囂，沒(méi)有工業(yè)活動(dòng)，而且一片荒蕪，幾乎沒(méi)有植被生長(zhǎng)；另一個(gè)在夏威夷的莫納羅亞山頂。50年來(lái)，他們的工作幾乎從未間斷。

洛根通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，每年的二氧化碳濃度都高于前一年，而且二氧化碳的濃度變化與北半球植物的生長(zhǎng)季節(jié)的更替是同步的。這一觀測(cè)結(jié)果讓科學(xué)界很快認(rèn)識(shí)到，洛根的擔(dān)憂是正確的：被釋放到大氣中的二氧化碳不會(huì)全部被植物和海洋吸收，有相當(dāng)部分殘留在大氣中。洛根還通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)：被海洋吸收的二氧化碳數(shù)量非常巨大。

2012年，美國(guó)和歐洲科學(xué)家發(fā)布了一項(xiàng)新研究成果，證明海洋正經(jīng)歷3億年來(lái)最快速的酸化，這一酸化速度甚至超過(guò)了5500萬(wàn)年前那場(chǎng)生物滅絕時(shí)的酸化速度。

3產(chǎn)生原因

海洋與大氣在不斷進(jìn)行著氣體交換，排放到大氣中的任何一種成分最終都會(huì)溶于海洋。在工業(yè)時(shí)代到來(lái)之前，大氣中碳的變化主要是自然因素導(dǎo)致的，這種自然變化造成了全球氣候的自然波動(dòng)。從工業(yè)革命開(kāi)始，人類開(kāi)采使用煤、石油和天然氣等化石燃料，并砍伐了大量森林，至21世紀(jì)初，已經(jīng)排出超過(guò)5000億噸二氧化碳。這使得大氣中的碳含量水平逐年上升。受海風(fēng)的影響大氣成分最先溶入幾百英尺深的海洋表層，在隨后的數(shù)個(gè)世紀(jì)中，這些成分會(huì)逐漸擴(kuò)散到海底的各個(gè)角落。研究表明，在19世紀(jì)和20世紀(jì)，海洋吸收了人類排放的二氧化碳中的30%，并且仍在以約每小時(shí)一百萬(wàn)噸的速度吸收著。人類活動(dòng)導(dǎo)致了海水的不斷酸化。

4酸化危害

工業(yè)革命以來(lái)，人類活動(dòng)釋放的CO2有超過(guò)1/3被海洋吸收，使表層海水的氫離子濃度近200年間增加了三成，pH值下降了0.1。作為海洋中進(jìn)行光合作用的主力，浮游植物的門類眾多、生理結(jié)構(gòu)多樣，對(duì)海水中不同形式碳的利用能力也不同，海洋酸化會(huì)改變種間競(jìng)爭(zhēng)的條件。

2003年，“海洋酸化”這個(gè)術(shù)語(yǔ)第一次出現(xiàn)在英國(guó)著名科學(xué)雜志《自然》上。到2005年，研究災(zāi)難和突發(fā)事件的專家詹姆斯·內(nèi)休斯為人們進(jìn)一步勾勒出了“海洋酸化”潛在的威脅。他的研究發(fā)現(xiàn)，距今5500萬(wàn)年前，海洋里曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)一次生物滅絕事件，罪魁禍?zhǔn)拙褪侨芙獾胶Ｋ械亩趸?，估?jì)總量達(dá)到45000億噸，此后海洋至少花了10萬(wàn)年時(shí)間才恢復(fù)正常得以渡過(guò)難關(guān)。

2012年3月，一支由美國(guó)、英國(guó)、西班牙、德國(guó)和荷蘭21名研究人員組成的國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在最新一期《科學(xué)》雜志上發(fā)表報(bào)告稱，受人類排放溫室氣體的影響，地球正經(jīng)歷過(guò)去3億年來(lái)速度最快的海洋酸化進(jìn)程，超過(guò)歷史上4次地球生物大規(guī)模滅絕時(shí)期，眾多海洋生物因此面臨生存威脅。

浮游植物

由于浮游植物構(gòu)成了海洋食物網(wǎng)的基礎(chǔ)和初級(jí)生產(chǎn)力，它們的“重新洗牌”很可能導(dǎo)致從小魚(yú)小蝦到鯊魚(yú)、

巨鯨的眾多海洋動(dòng)物都面臨沖擊。此外，在pH值較低的海水中，營(yíng)養(yǎng)鹽的餌料價(jià)值會(huì)有所下降，浮游植物吸收各種營(yíng)養(yǎng)鹽的能力也會(huì)發(fā)生變化。而且，越來(lái)越酸的海水，還在腐蝕著海洋生物的身體，研究表明，鈣化藻類、珊瑚蟲(chóng)類、貝類、甲殼類和棘皮動(dòng)物在酸化環(huán)境下形成碳酸鈣外殼、骨架效率明顯下降。

由于全球變暖，從大氣中吸收CO2的海洋上表層也由于溫度上升而密度變小，從而減弱了表層與中深層海水的物質(zhì)交換，并使海洋上部混合層變薄，不利于浮游植物的生長(zhǎng)。

軟體動(dòng)物

一些研究認(rèn)為，到2030年，南半球的海洋將對(duì)蝸牛殼產(chǎn)生腐蝕作用，這些軟體動(dòng)物是太平洋中三文魚(yú)的重要食物來(lái)源，如果它們的數(shù)量減少或是在一些海域消失，那么對(duì)于捕撈三文魚(yú)的行業(yè)將造成影響。

魚(yú)類影響

海洋酸化會(huì)阻礙珊瑚礁的生長(zhǎng)繁殖，并導(dǎo)致小丑魚(yú)和小熱帶魚(yú)智商下降。《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》的最新報(bào)道：模擬了未來(lái)50～100年海水酸度后發(fā)現(xiàn)，在酸度最高的海水里，魚(yú)仔起初會(huì)本能地避開(kāi)捕食者，但它們很快就會(huì)被捕食者的氣味所吸引──這是它們的嗅覺(jué)系統(tǒng)遭到了破壞。

實(shí)驗(yàn)表明，同樣一批魚(yú)在其他條件都相同的環(huán)境下，處于在現(xiàn)實(shí)的海水酸度中，30個(gè)小時(shí)僅有10%被捕獲；但是當(dāng)把它們放置在大堡礁附近酸化的實(shí)驗(yàn)水域，它們便會(huì)在30個(gè)小時(shí)內(nèi)被附近的捕食者斬盡殺絕。

暴雨侵襲

海洋吸收溫室氣體造成的海水酸化，導(dǎo)致海中大陸架的珊瑚礁大量死亡，而這會(huì)造成低地島國(guó)，如基里巴斯和馬爾代夫更容易為暴雨所侵害。

人類生計(jì)

據(jù)估計(jì)，在有些水域，海洋的酸度將達(dá)到貝殼都會(huì)開(kāi)始溶解的程度。當(dāng)貝類生物消失時(shí)，以這類生物為食的其他生物將不得不尋找別的食物，事實(shí)上人類將會(huì)遭殃?！?/p>

聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織估計(jì)，全球有5億多人依靠捕魚(yú)和水產(chǎn)養(yǎng)殖作為蛋白質(zhì)攝入和經(jīng)濟(jì)收入的來(lái)源，對(duì)其中最貧窮的4億人來(lái)說(shuō)，魚(yú)類提供了他們每日所需的大約一半動(dòng)物蛋白和微量元素。海水的酸化對(duì)海洋生物的影響必然危及這些人口的生計(jì)。

珊瑚或?qū)⑾?/p>

2013年3月，日本一個(gè)研究小組在新一期英國(guó)《自然·氣候變化》雜志上發(fā)表報(bào)告說(shuō)，海水酸化越嚴(yán)重，擁有堅(jiān)硬骨骼并且能夠制造珊瑚礁的珊瑚就越少，而柔軟的海雞冠則會(huì)增加。如果酸化過(guò)于嚴(yán)重，珊瑚在21世紀(jì)末就有可能消失。

研究小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)海水pH值平均為8.1的時(shí)候，珊瑚生長(zhǎng)狀態(tài)最好。當(dāng)pH值為7.8時(shí)，就變?yōu)橐院ｋu冠為主。如果pH值降至7.6以下，兩者都無(wú)法生存。

天然海水的pH值穩(wěn)定在7.9至8.4之間，而未受污染的海水pH值在8.0至8.3之間。海水的弱堿性有利于海洋生物利用碳酸鈣形成介殼。

研究小組指出，海水pH值預(yù)計(jì)本世紀(jì)末將達(dá)7.8左右，酸度比正常狀態(tài)下大幅升高，所以屆時(shí)珊瑚有可能消失。

5防范措施

在2008年10月的國(guó)際海洋酸化研討會(huì)上，與會(huì)科學(xué)家指出，海洋酸化的自然恢復(fù)至少需要數(shù)千年，遏制它的唯一有效途徑就是盡快減少CO2的全球排放量。歐美等國(guó)正開(kāi)始研究遏制海洋酸化的對(duì)策，中國(guó)也已將海洋酸化列入重點(diǎn)支持方向。

2009年8月13日，來(lái)自26國(guó)，逾150位科學(xué)家簽署《摩納哥宣言》（MonacoDeclaration），呼吁決策者將二氧化碳排放量穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)，以避免危險(xiǎn)的氣候變遷及海洋酸化等問(wèn)題。

6摩納哥宣言

2009年8月13日，超過(guò)150位全球頂尖海洋研究人員齊聚于摩納哥，檢視海洋酸化（ocean acidification ）的最新信息，并藉由簽署「摩納哥宣言」（Monaco Declaration），對(duì)海洋酸化嚴(yán)重傷害全球海洋生態(tài)系統(tǒng)乙事表達(dá)關(guān)切。該宣言指出，海水酸堿值（pH levels）的急劇變化，比過(guò)去自然改變的速度快上100倍。而海洋化學(xué)物質(zhì)在近數(shù)十年的快速改變，已嚴(yán)重影響海洋生物、食物網(wǎng)，生態(tài)多樣性及漁業(yè)等。

該宣言旨在呼吁決策者將二氧化碳排放量穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)，以避免危險(xiǎn)的氣候變遷及海洋酸化等問(wèn)題。倘若大氣層的二氧化碳排放量持續(xù)增加，到了2050年時(shí)，珊瑚礁將無(wú)法在多數(shù)海域生存，因而導(dǎo)致商業(yè)漁業(yè)資源的永久改變，并威脅數(shù)百萬(wàn)人民的糧食安全。

7HYDRO-BIOS積分采水器在海洋酸化研究中的應(yīng)用

積分采水器用于采集中型實(shí)驗(yàn)生態(tài)系中從表層到12米水深含有硝酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽等各種營(yíng)養(yǎng)鹽的混合水樣，這些水樣對(duì)后期生態(tài)系營(yíng)養(yǎng)鹽的研究有著非常重要的作用。

海洋酸化研究國(guó)際代表文獻(xiàn)：

1.Edwin T.H.M. Peeters, Jean J.P. Gardeniers, Albert A. Koelmans,2000.Contribution of trace metals in structuring in situ macroinvertebrate community composition along a salinity gradient.Environmental Toxicology and Chemistry.19(4):1002-1010.

2.K. G. Schulz, R. G. J. Bellerby, C. P. D. Brussaard, J. Büdenbender, J. Czerny, A. Engel, M. Fischer, S. Koch-Klavsen, S. A. Krug, S. Lischka, A. Ludwig, M. Meyerh?fer, G. Nondal, A. Silyakova, A. Stuhr, and U. Riebesell,2012.Temporal biomass dynamics of an Arctic plankton bloom in response to increasing levels of atmospheric carbon dioxide.Biogeosciences Discussions.9:12543-12592.

3.Czerny, Jan, Schulz, Kai G., Boxhammer, Tim, Bellerby, R. G. J., Büdenbender, Jan, Engel, Anja, Krug, Sebastian, Ludwig, Andrea, Nachtigall, Kerstin, Nondal, G., Niehoff, B., Siljakova, A. and Riebesell, Ulf,2012.Element budgets in an Arctic mesocosm CO2 perturbation study.Biogeosciences Discussions.9 (8):11885-11924.

4.S. D. Archer, S. A. Kimmance, J. A. Stephens, F. E. Hopkins, R. G. J. Bellerby, K. G. Schulz, J. Piontek, and A. Engel,2012.Contrasting responses of DMS and DMSP to ocean acidification in Arctic waters.Biogeosciences Discussions.9:12803-12843.

5.Leu, E., Daase, M., Schulz, Kai G., Stuhr, Annegret and Riebesell, Ulf,2012.Effect of ocean acidification on the fatty acid composition of a natural plankton community.Biogeosciences Discussions.9 (7):8173-8197.

6.M. Sperling, J. Piontek, G. Gerdts, A. Wichels, H. Schunck, A.-S. Roy, J. La Roche, J. Gilbert, L. Bittner, S. Romac, U. Riebesell, and A. Engel,2012.Effect of elevated CO2 on the dynamics of particle attached and free living bacterioplankton communities in an Arctic fjord.Biogeosciences Discussions.9:10725-10755.

7.Kluijver, A. de,2012.Carbon flows in natural plankton communities in the Anthropocene.Geowetenschappen Proefschriften.1-118.

8.K. G. Schulz, U. Riebesell,2012.Diurnal changes in seawater carbonate chemistry speciation at increasing atmospheric carbon dioxide.Marine Biology.DOI 10.1007/s00227-012-1965-y.

9.J. Hua, W.H. Hwang,2012.Effects of voyage routing on the survival of microbes in ballast water.Ocean Engineering.42:165-175.

10."T. Tanaka, S. Alliouane, R. G. B. Bellerby, J. Czerny, A. de Kluijver, U. Riebesell6, K. G. Schulz,

A. Silyakova, and J.-P. Gattuso",2013.Effect of increased pCO2 on the planktonic metabolic balance during a mesocosm experiment in an Arctic fjord.Biogeosciences(BG).10:315–325.

11.A. de Kluijver, K. Soetaert, J. Czerny, K. G. Schulz, T. Boxhammer, U. Riebesell, and J. J. Middelburg,2013.A 13C labelling study on carbon fluxes in Arctic plankton communities under elevated CO2 levels.Biogeosciences(BG).10:1425-1440.

12.Czerny, Jan, Schulz, Kai G., Ludwig, Andrea and Riebesell, Ulf,2013.A simple method for air–sea gas exchange measurements in mesocosms and its application in carbon budgeting.Biogeosciences(BG).10 (3):11989-12017.

13.F. E. Hopkins, S. A. Kimmance1, J. A. Stephens, R. G. J. Bellerby, C. P. D. Brussaard, J. Czerny, K. G. Schulz, and S. D. Archer,2013.Response of halocarbons to ocean acidification in the Arctic.Biogeosciences(BG).10:2331-2345.

14.Czerny, Jan, Schulz, Kai G., Boxhammer, Tim, Bellerby, R. G. J., Büdenbender, Jan, Engel, Anja, Krug, Sebastian, Ludwig, Andrea, Nachtigall, Kerstin, Nondal, G., Niehoff, B., Silyakova, A. and Riebesell, Ulf,2013.Implications of elevated CO2 on pelagic carbon fluxes in an Arctic mesocosm study – an elemental mass balance approach.Biogeosciences(BG).10 (5):3109-3125.

15.R. Zhang, X. Xia, S. C. K. Lau, C. Motegi, M. G. Weinbauer, and N. Jiao,2013.Response of bacterioplankton community structure to an artificial gradient of pCO2 in the Arctic Ocean.Biogeosciences(BG).10, 3679–3689, 2013.