海洋酸化研究進展

胡 祎，肖 瑜，彭雪妍，張 敏，章 波，李中秋

（桂林理工大學 環境科學與工程學院，廣西 桂林 541004）

海洋酸化研究進展

胡 祎，肖 瑜，彭雪妍，張 敏，章 波，李中秋

（桂林理工大學 環境科學與工程學院，廣西 桂林 541004）

介紹了海洋酸化的原因及目前研究的一些進展。隨著人類向大氣中大量排放二氧化碳，引發了溫室效應和海洋酸化等環境問題，海洋酸化將會導致海水堿度升高從而溶解更多的二氧化碳，還會導致海洋生物鏈發生變化，加快海洋生物數量的退化速度，并且海洋酸化會加劇一些全球氣候問題。

海洋酸化；二氧化碳；全球氣候；研究

海洋為我們提供了豐富的生物資源，并且通過大量吸收大氣中的二氧化碳，減緩了大氣中二氧化碳濃度上升趨勢。但是隨著現代化石燃料的大量使用，大氣中二氧化碳總量不斷增加。有數據顯示，這些二氧化碳不斷溶入海水中，最終使海水的pH值降低［1］。海洋對于酸堿有很強的緩沖能力，數據表明隨著二氧化碳不斷溶解于海水，從1751～1994年海洋表面海水的pH值平均下降了0.075［2－3］。 這可能會嚴重影響海洋中的生物尤其是甲殼類、無脊椎生物的生存。隨著海水pH值的變化，海洋生態系統發生了巨大改變：自20世紀80年代以來，全球海洋的生產力已降低，在高緯度地區表現更加明顯［4］。研究海洋酸化及其對海洋生態系統的影響有助于評估和預測未來我國沿海生態安全及沿海海洋生產力的變化。

1 海洋酸化過程及預測

1.1 海水酸化成因

表層海水pH值上升的主要原因是由于大氣中二氧化碳溶于海水中形成了碳酸，海洋中的碳酸鹽能降低這一過程帶來的影響，但是不同海域的海水中CO2－3濃度不同（與溫度等因素相關），兩極海域僅為熱帶海域的41%，因此，不同海域海水酸化情況不同［4］，如圖1［5］。

1.2 二氧化碳的來源

碳循環是地球上最重要的循環之一，二氧化碳是這一循環中的常見物質。它的釋放過程主要存在于以下幾個碳交換途徑：

（1）動植物通過呼吸作用生成二氧化碳和水。

（2）微生物分解死去的動物和植物轉化為二氧化碳或甲烷。

（3）通過燃燒煤、石油、天然氣或是其產品有機材料氧化它包含的碳，產生二氧化碳。

（4）生產水泥的過程中，石灰石（碳酸鈣）被加熱生產石灰（氧化鈣）和二氧化碳。

（5）火山爆發和巖石風化作用釋放到大氣中的氣體。

（6）與海洋中的二氧化碳交換。

來自化石燃料使用及土地利用變化對植物和土壤碳影響所產生的二氧化碳排放是大氣二氧化碳增加的主要來源。據估算，自1750年以來，排放到大氣中的二氧化碳大約有2/3來自化石燃料燃燒，1/3來自土地利用變化。這些二氧化碳有45%留存在大氣中，30%被海洋吸收，其余的被陸地生物圈吸收。排放到大氣中的二氧化碳，50%在30a里被清除，30%在幾百年里被清除，剩余的20%將在大氣中留存數千年［6］。

1.3 影響海水吸收二氧化碳的因素

表層海水中含有的碳，主要形式表現為碳酸氫鹽離子（超過90%，其余大部分是碳酸鹽）。一些因素如：溫度、pH值、壓力和其他離子的變化都影響海洋中碳元素的存在形式［7］。海洋吸收二氧化碳大部分靠物理溶解，其次是化學反應，二氧化碳與水和礦物質生成碳酸鹽。另外，藻類等生物有機體也可以依靠光合作用消耗大量二氧化碳。這些生物死后，轉化的碳物質會隨之沉積到海底。不過，不同地區的海洋吸收二氧化碳的能力不同，大約40%的二氧化碳被極地海洋吸收，原因是二氧化碳在冷水中的溶解度高于溫水。被海水吸收的二氧化碳再通過洋流重新分布到世界各地，因此不同海域的二氧化碳濃度也各不相同。從1950年開始，海洋吸收二氧化碳的量逐漸增加，這可能是因為二氧化碳在空氣中的含量日益增加的緣故。但是2000年后，盡管海洋吸收的二氧化碳從絕對值來看并沒有減少，但與陸地植被相比，吸收比例有所下降。究其原因有：①溫度升高降低了海水的二氧化碳溶解度；②人們給海洋的二氧化碳越多，海水的酸性就越強，它吸收二氧化碳的能力相應就減弱了。

1.4 海洋中的碳循環

溶解在海洋表面的這些可溶性無機碳，會因為直接與大氣接觸，而在一定條件下把溶解的二氧化碳釋放出來。在不同溫度壓力情況下，二氧化碳在水里的溶解度不同，世界各地海平面的氣壓變化相對較小，但是溫度變化較大，而二氧化碳在水里的溶解度，隨著溫度的升高會下降。在冬季，高緯度的地區水溫寒冷，二氧化碳在水里的溶解度高；而在低緯度地區的溫暖海面及夏季，二氧化碳在水里的溶解度低，溶解在水里的一些二氧化碳就會被釋放。由于海洋的洋流、環流作用，不同溫度的海水進行交換。總體來說，海水對于二氧化碳的交換基本平衡［8］。在工業化之前，每年海洋從大氣中吸收700億t碳，同時釋放706億t碳，相差不足1%［9］。新溶解在海水里面的二氧化碳基本都在海水表層。海水表層大約有總量9000億t的碳［10］。這些二氧化碳重新進入大氣，也可能進入深層的海水。海水表層還有豐富的浮游生物，由于二氧化碳的生物泵作用，這些水生植物可以把海水表層的二氧化碳通過光合作用轉變為有機質，這些有機質，可以形成可溶性的有機碳，或者隨著生命體的死亡，沉到深層的海水里。每年浮游生物從海水表層吸收的碳是500億t，同時有390億t返還給海水表層，中層和深層海水含碳量高達37.1萬億t碳，是碳循環里面質量比例最大的部分［11］。淺層海水向中層海水輸送無機碳的速率為902億t/a，大約是淺層海水碳總量的1/10，同時中層海水也向淺層海水輸送無機碳，速率為1010億t/a［12］。不同層的海水的混合速度很慢，中層海水的混合需要幾十年甚至上百年的時間來進行，而深層的海水則需要上千年的時間來完成。最終會有一些碳沉積在海洋底部，速率為2億t/a。沉積在海底表面的碳，總量是1500億t［13］。生物泵和溶解泵一起構成了海水的碳循環。

1.5 海水pH值變化的歷史與現狀

國外對目前海洋環境的歷史資料進行了調查，對以往海水的pH值進行了檢測，并對未來海水pH值變化進行了預測，基本情況如表1所示。

表1 海洋表層水的平均pH值

自工業革命開始以來，據估計，海洋表面的pH值下降了略少于0.1單位（大約增加了25%的H＋），據估計到2100年將進一步下降0.3～0.5單位［5］。 到2100年盡管海洋的pH值比工業革命前相比下降了很多，但值仍大于7［14］。并且目前有報道稱在海岸的一些深水區發現了數量龐大的文石（主要成分為CaCO3）［15］，因而有研究者認為即使有大量的二氧化碳溶入海洋，由于有大量的碳酸鈣緩沖，pH值的變化也不會很大，不會對海洋生態系統造成很大影響。

2 可能造成的危害和影響

碳酸鈣是海洋生物機體的重要組成部分，而大氣中的二氧化碳溶于海水將可能對海水中碳酸鈣的溶解飽和度產生影響，繼而對海洋生態系統造成影響。同時由于過多的二氧化碳無法被吸收速度減緩的海洋所吸收，對陸地生態系統也產生了一些影響。

2.1 海水酸化對碳酸鈣飽和度的影響

海水中CaCO3的飽和度主要由CO2－3濃度所決定。通常，海水中HCO-3占無機碳90%以上，CO2－3濃度占10%，CO2占1%以下。大氣中CO2濃度的不斷增加，促進CO2向海水的溶入，以致CO2和HCO-3濃度增加，CO2－3濃度下降。

2.2 對海洋生態系統的生物效應

隨著對海洋生態系統和海洋酸化研究的不斷深入，研究者對海洋酸化及其引發問題的理解也越來越清晰，但在一些問題上仍不能達成共識。

2.2.1 對海洋生物的影響

許多學者研究結果認為不斷酸化的海水會打破海水中碳酸鈣溶解平衡，而碳酸鈣是海洋生物的骨骼、貝殼中的重要物質。這種結構很容易被解散，除非周圍的海水含有飽和或接近飽和濃度生物碳酸鹽離子［17］。在正常情況下，海洋中的碳酸鈣是穩定存在的，然而由于海洋pH值下降，含碳酸鈣的物質更易溶解。表層海水pH值的微小變化就會阻礙某些生物形成碳酸鈣的能力，足以使這些生物難以生長：研究已經發現這類代表生物有珊瑚、珊瑚藻、有孔蟲、貝殼類、翼足類等［18－20］；某些在食物鏈最為底層，數量最為龐大的生物可能會遭受影響：球石藻類的利用陽光進行光合作用的浮游生物，它們被一小塊碳酸鈣覆蓋，這些鈣化物能夠增加球石藻重量，加速細胞沉降，有助于營養吸收；軟體動物如海洋蝸牛，這些微小的生物是魚類和海洋哺乳動物的主要食物來源，其身體外有一層甲殼，成分中有碳酸鈣；珊瑚蟲是海洋生態系統食物鏈中的重要一環，它們過濾水中浮游生物進行采食，分泌出珊瑚，為其他生物提供棲息地。隨著時間推移，這些珊瑚累積而形成珊瑚礁。珊瑚礁位于海洋中生產率最高和生物多樣性最強的生態系統之列。澳大利亞海岸外的大堡礁是世界上最大的生物構造，完全是珊瑚和珊瑚藻累積的結果。而在海洋更深之處，那里冷水珊瑚群落點綴著大陸邊緣和海底山，形成重要的魚類棲息地。珊瑚藻能制造含鎂方解石，而霰石和含鎂方解石的溶解性比一般方解石更好。因此，珊瑚和珊瑚藻都容易遭受海洋酸化的危害，而這些生物是海洋生態系統的基礎。

但近年來也有研究者認為有些海域在pH值降低后其生物鈣化能力反而有所上升［21］。這個問題目前還沒有最終結論。但是海水酸化對生物體可能產生其他不利影響，無論是直接的生殖生理影響（如二氧化碳誘導體液酸化），或間接對食物鏈產生影響［5］。

2.2.2 海洋酸化對氣候和沉積物的影響

雖然海水酸化對生物鈣化能力的影響還是一個懸而未決的問題，但是海洋酸化還可能引發或加重其他的全球氣候問題。即有通過影響海洋上的云層可能減低地球反照率，間接影響氣候變化［22］。

預計海洋酸化在未來幾百年將導致大大減少海洋碳酸鹽沉積的速度，甚至解散現有的碳酸鹽沉積［23］。這將導致海水堿度上升，反而增強了海水儲存二氧化碳的能力［24］。

2.2.3 海洋吸收二氧化碳速度下降對陸地生態系統的影響

通過研究，反推出了陸地生物圈存儲二氧化碳的量。那些既沒有含在大氣中，也沒有被海洋吸收的二氧化碳，就是被陸地植被所吸收的。直到1940年，陸地植被吸收的二氧化碳才超過它所產生的，原因是刀耕火種和燃燒柴火產生了大量的二氧化碳。也就是說，只有在1940年之后，陸地植被才開始發揮二氧化碳存儲器的作用。比起它的排放，陸地植被今天多吸收了大約40億t二氧化碳［25］。其中一個原因可能是空氣中二氧化碳濃度的增加刺激了植物的生長。在某種程度上，二氧化碳也是一種肥料。但這種效果是否與溫度升高有關還不清楚。

海洋在氣候變化中起著重要作用，人類制造的二氧化碳20%～30%被海洋吸收了，但是，通過這種方式從大氣中減少溫室氣體的比例在下降［26］。這意味著將來我們不能再像以前那樣依賴海洋和陸地的存儲功能了，而是必須遏制對化石燃料的過度需求。

3 結語

海洋是地球生物的起源，海洋酸化作為溫室氣體引發的又一個環境問題還有許多懸而未決的問題等待我們去解決。如今人類也越來越重視海水酸化這一問題，海水酸化不僅可能引發海水化學組分發生變化，還可能改變海洋生態系統的食物鏈，甚至對全球氣候產生影響。研究海洋酸化問題能提高我國對海洋生態系統變化的能力并保護我國的海洋資源，因而具有重要意義。

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Research Progress of Ocean Acidification

HU Yi，XIAO Yu，PENG Xue－yan，ZHANG Min，ZHANG Bo，LI Zhong－qiu
（College of Environmental Science and Engineering Guilin University of Technology， Guilin 541004， China）

Carbon dioxide emitted to the atmosphere by human activities is being absorbed by the oceans， making them more acidic.The impacts will be greater for some regions and ecosystems.A major international research effort be launched into this relatively new area of research.

ocean acidification； carbon dioxide； global climate； research

X55

A

1672-9900（2011）01-0019-03

2010－12－31

［資金項目］廣西重點實驗室主任基金（桂科能0703Z034）和桂林理工大學博士基金的資助

胡祎（1984－），男（漢族），湖北黃梅人，碩士，主要從事固廢處理和環境污染控制化學方向研究，（Tel）13557037985。