“海涵”过度 CO2威胁海洋生态

来源：中国科学报 发布时间：2014-01-24

    随着二氧化碳水平的不断增加，全球海洋表层平均pH值已经比工业化之前的8.1～8.2下降了很多，酸度增加了大约26%。海水的腐蚀性增强，海洋生物多样性也将随之丧失。海洋生态正面临一场“灾难性”的挑战。
 
    ■中国科学报记者 马佳

至今，全球海洋表层平均pH值已经比工业化之前的8.1～8.2下降了很多。而据估计，到2100年，海洋表层平均pH值将达到7.8～7.9。图片来源：百度图片

    地球70%的面积是被海水覆盖的。人类的食物以及优质的水都离不开海洋的生态作用，同时海洋生态系统也是风暴等恶劣天气现象的缓冲带。然而，“心胸宽广”的海洋，对大气中存在的一种气体实在无法过度“海涵”。
 
    “随着人类对化石燃料利用的增加，大气中的二氧化碳含量也在增加，每天进入海水的二氧化碳大约为2400万吨。”英国普利茅斯大学海洋科学与工程学院教授詹森·霍尔-斯宾塞（Jason Hall-Spencer）在邮件中告诉《中国科学报》记者，“如果把这个数字平均到每个人身上，其重量相当于一个保龄球。”
 
    过量的二氧化碳排放已经导致海洋正在以比过去5000万年快10～100倍的速度酸化。对于众多的已经适应了弱碱环境的海洋生物来说，这将是灾难性的变化。然而对于海洋生态来说，了解海洋酸化的影响依然是研究人员努力的方向。
 
    从8.2到7.8
 
    霍尔-斯宾塞介绍说，至今，全球海洋表层平均pH值已经比工业化之前的8.1～8.2下降了很多，酸度增加了大约26%。而据估计，到2100年，海洋表层平均pH值将达到7.8～7.9，海水酸度将翻倍增长。
 
    这一数字来自于《2013海洋酸化决策摘要：高二氧化碳世界海洋讨论会第三次会议（Third Symposium on the Ocean in a High-CO2 World）》（以下简称《摘要》），这是由国际地圈生物圈计划小组（IGBP）牵头，联合国教科文组织海洋学委员会（IOC-UNESCO），海洋研究科学委员会（SCOR）共同召开的高二氧化碳世界海洋讨论会第三次会议得出的结论，于2013年11月18日公布。
 
    2012年9月，美国加州蒙特雷市，来自37个国家的540名相关领域专家参加了这次迄今为止规模最大的有关海洋酸化的讨论会，并对多年来研究人员对海洋酸化的研究进行总结。报告中写道，自工业革命以来，人类活动排放到大气中的二氧化碳总量有四分之一被海洋吸收。
 
    霍尔-斯宾塞告诉《中国科学报》记者，二氧化碳（CO2）溶入海水后，与水分子（H2O）结合成为碳酸。
 
    碳酸不仅导致海水pH值降低，对壳类生物还具有腐蚀性。当碳酸离解成碳酸氢根离子和氢离子后，还会与海水中的碳酸盐离子结合生成大量的碳酸氢盐，从而导致碳酸盐离子浓度降低。而碳酸盐离子正是很多海洋生物构建外壳或骨骼不可缺少的物质。
 
    原本这是一个动态的平衡，但是由于过量的二氧化碳溶入大海，这种平衡也随之被打破。2003年，大气学家肯尼斯·卡尔代罗（Kenneth Caldeira）和迈克尔·维克特（Michael E. Wickett）第一次在英国《自然》杂志中发表的论文里提出了“海洋酸化”这一术语。
 
    壳类生物的灾难
 
    在5500万年前“古新世—始新世极热”（PETM）事件中也发生了海洋酸化，正是在那次事件中，海洋生物遭遇了一次大灭绝，尤其是生活在深海的壳类无脊椎动物。霍尔-斯宾塞说，珊瑚虫、双壳类（牡蛎、蛤蜊以及蚌）、翼足类（海生蜗牛）都会受到过量碳酸的腐蚀，受到海洋酸化影响的还有浮游植物。
 
    霍尔-斯宾塞一直致力于海洋酸化的研究。他选择了海底自然冒出二氧化碳气泡的区域作为研究对象。“这样我就能够发现哪些生物可以在海洋酸化的过程中幸存。这些生态系统暴露在如此高浓度二氧化碳的环境中，未来几百年会发生怎样的变化。”他说，但是目前还很难基于短期的实验对涉及到的几种生物进行预判。
 
    不过，海水中也有一种生物可能会躲过这次劫难。同济大学海洋与地球科学学院教授张传伦告诉《中国科学报》记者，微生物的优势是比大型生物的适应能力更强，海洋酸化不会导致微生物大量的死亡，而是会改变它们的生态、生活方式去适应新的环境。
 
    细菌或古菌的膜脂结构比较敏感，张传伦解释道，这种膜脂会改变结构以适应新的pH值或是温度的改变。“这也是我们比较感兴趣的研究方向，通过对地质历史中膜质结构的记录可以反演古生态环境以及不同的地质事件，比如天然气水合物的突然大量释放会使得吃甲烷的ANME类古菌和硫酸根还原细菌大量繁殖，而这两类生物都有着特殊的膜脂化合物，使得我们很容易在过去的沉积物中把它们鉴定出来。”
 
    生物多样化丧失
 
    随着二氧化碳水平的不断增加，海水的腐蚀性增强，海洋生物多样性也将随之丧失。霍尔-斯宾塞指出，在全球不同的海域都有同样的记录，比如日本、巴布亚新几内亚以及地中海。
 
    《摘要》在对海洋酸化产生的影响的总结中指出，很多物种都有它们自身适应新环境的潜质。但是海洋化学环境的改变太快，以至于很多种类和种群根本无法通过进化的方式来适应新环境。
 
    但霍尔-斯宾塞解释说，并不是所有生物体都会在海洋酸化过程中被杀死。“实际上，有些藻类、海草和动物有可能在这种情况下繁殖。只是它们会打破海洋生态系统的平衡，因为‘杂草’的繁茂可能导致很多生物体在竞争中败下阵来。”
 
    目前，覆盖地球面积70%的海洋受到的压力是多重的。《摘要》中写道：海洋酸化、变暖、氧气浓度降低（脱氧）、臭氧层破坏导致的紫外线辐射增加、过度捕捞、污染和富营养化以及它们之间的相互作用都在给海洋生态系统带来挑战。
 
    而海洋酸化还会对海洋环境带来另外的一种压力，就是威胁到货物的流转以及以海洋为生的人类社区。全世界的人们都依靠海洋获得食物，有的还以此获得饮用水。同时，海洋也是风暴的缓冲区。而海洋生态系统的扰动必定会大大影响这些关系。
 
    控制二氧化碳排放是根本
 
    在“古新世—始新世极热”事件之后，海洋用了几万到几十万年进行恢复。霍尔-斯宾塞告诉《中国科学报》记者，在未来的几十到几百年，无论是大陆岩石的风化、深海混合，还是海洋沉积物中碳酸钙矿物的溶解，其发生的速度都不足以在未来200年中扭转海水酸化的形势。
 
    在540名相关领域的专家得出的应对海洋酸化的结论中，第一条就是减少人类活动的二氧化碳排放量。
 
    据霍尔-斯宾塞介绍，研究人员从地质工程学角度进行了很多探索，但是即使有办法给地球降温也无法解决海洋酸化的问题，因为，它们无法解决最根本的原因——过量的大气二氧化碳含量。
 
    也有人建议，通过不同的手段捕捉二氧化碳或将海水中的二氧化碳固定。“这在一定程度上可以缓和海洋酸化的影响。”霍尔-斯宾塞说，“但是，大多数这样的提议，其成本及能源效益都是在小尺度上。”
 
    霍尔-斯宾塞告诉《中国科学报》记者，经过一些调查，蓝碳可以成为一种抵消本地二氧化碳排放的途径。
 
    蓝碳就是盐碱滩、红树林、海草从大气或海水中捕获的二氧化碳。这些环境可以将二氧化碳以有机物的形式存储几十年。
 
    此外，减少养分流失，也许会抵消一些由海洋酸化引起的局部变化，并有可能提升海洋生态系统的整体健康水平。但霍尔-斯宾塞强调，这些措施也只能为我们争取一点点的时间，因为海洋酸化最根本的原因还是全球二氧化碳的排放量居高不下。

▲这只环带骨螺正在被海水吸收的过量二氧化碳腐蚀。

▲壳类生物被分解，海草“接管”了海底。詹森·霍尔-斯宾塞供图

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