《科学》:海洋酸化速度达3亿年来最高值

近日，深圳南澳海面出现较大面积赤潮，图为一名工作人员在清洁海面。 新华社发（李坚强摄）
在4月22日第43个世界地球日到来之前，《科学》发表的一篇文章，把人们关注气候变化与二氧化碳排放的视角从大气带到了海洋。这篇文章宣称，由来自不同大学的21位研究人员组成的科研小组，经过检测和评估地质记录后，得出结论：目前的海洋酸化速度是3亿年来的最高值。
“海洋酸化，让原本就处于多重压力下的海洋生态系统，变得更为复杂并充满了不确定性。”近日，中国水产科学院黄海水产研究所研究员唐启升，作为第419次香山科学会议的执行主席，在其主题发言中，提出了这样的观点。此次以“海洋酸化：越来越酸的海洋、灾害与效应预测”为主题的会议，让不同领域的学者有机会共同探讨海洋酸化对我国海洋资源与环境的影响及应对策略。
越来越酸的海洋
海洋酸化是指由于吸收大气中过量的二氧化碳，导致海水逐渐变酸的过程。人类活动向大气释放的二氧化碳，以每小时100万吨以上的速率被海洋吸收，在吸收过程中，二氧化碳与水反应释放出氢离子，使得海水的pH值下降。海水应为弱碱性，海洋表层水的pH值约为8.2。但到2012年，海水表层pH值降低了0.1。海水酸性的增加，会改变海水的种种化学平衡，使多种海洋生物乃至生态系统面临巨大威胁。因此，除了全球变暖，海洋酸化被称为与二氧化碳排放相关的另一重大环境问题。
其实，早在上世纪70年代，便有科学家注意到海洋酸化的现象。经过多年研究，2005年英国皇家学会的一份报告正式提出了海洋酸化问题。
据美国蒙特雷湾水族馆研究所的Barry先生介绍，在过去的十年中，海洋酸化的研究规模迅速扩大，一系列国家乃至国际间合作研究，提高了人们对未来海洋酸化的认识。一份来自夏威夷附近海域20年的数据显示，工业革命以来，海水表层pH值从1960年的8.15下降到8.05，这表示，海水中氢离子浓度增加了30%。
不仅如此，海洋酸化的速度也越来越快。最近一项研究表明，海表吸收二氧化碳的速率及其所导致的海洋酸化速率比两万年前的末次冰期快了近100倍，而末次冰期被认为是最近一次的二氧化碳急剧上升期。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的预测，如按照目前二氧化碳排放量的水平进行，本世纪末，海水pH值将下降至7.8左右。
尽管我们对海洋酸化的机制知之甚少，但“海洋越来越酸”已成事实。
难以预测的后果
据唐启升介绍，由于海洋酸化会降低海水中碳酸钙的饱和度，因此首当其冲受到影响的将是海洋中的钙化生物，以及大多数的软体动物、棘皮动物、珊瑚、钙化藻类等。
研究表明，在二氧化碳浓度加倍以后，大多数钙化生物的钙化速率均大幅下降。钙化速率的下降，不仅影响到了浮游性钙化生物，如颗石藻等向底层海洋的碳输送，还会影响到钙化动物的生长和发育。同时，珊瑚藻以及造礁珊瑚种类在加倍的二氧化碳条件下，其钙化速率平均下降30%，并显著影响到许多生物的生理过程。已经有研究表明，海洋酸化是一种生理胁迫，会使得藤壶的成活率显著下降，二氧化碳浓度升高同样会导致海胆的尺寸和重量均明显变小。
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“长久以来，人们都认为大气中二氧化碳浓度升高，将会促进初级生产力，然而浮游植物在自然界中本身就会遭受到各种环境因子的影响，在多重环境压力下，海洋酸化有可能与这些因素发生耦合作用。因此，海洋酸化不仅会直接影响到浮游植物，还会间接对海洋生态系统产生影响，并最终影响人类赖以生存的海洋生态系统的服务功能。”对此，唐启升忧心忡忡。
多项研究表明，海洋酸化还可能通过食物链，造成原本不同种间的配子受精成功并形成杂交种，造成种质混乱，影响物种间的相互作用及生态系统的稳定性。例如，某些浮游动物在喂食酸化海水中生长的浮游植物后，繁殖率显著下降。
与会专家认为，由于人类从未经历过这种变化，并且不同种类的海洋生物对酸化引起的海水化学变化敏感性不同，以至于无法确定海洋酸化的生物学效应，也就无法预测未来可能发生的变化。
适应抑或灭亡
4月初，新一期英国《自然—地球科学》杂志刊登报告说，德国亥姆霍兹海洋研究中心的研究人员利用一种名为海洋球石藻的微小浮游生物进行了实验，发现一些浮游生物可以通过进化逐渐适应酸化环境。
海洋球石藻的表面有一层由钙元素形成的外壳，钙壳容易受酸化环境影响，研究人员在约一年的时间里逐渐增加海洋球石藻所生活环境的酸度，它们在这段时间里可以繁衍500代。最后，研究人员将这种经历了进化过程的海洋球石藻放入较严重的海洋酸化环境中，结果显示，它们虽然也会受影响，但与未经进化的同类相比，适应酸化环境的能力要强得多，维持钙质外壳的能力要高出50%。该研究说明，海洋生态系统有一定的适应酸化能力。
但研究人员同时也指出，海洋球石藻是一种基数很大、代际繁衍很快的生物，这两点有利于增强其进化的力量，而其他海洋生物可能没有这么强的适应能力。
有研究者在模拟实验中发现，严重酸化的海水中，小丑鱼幼鱼将失去听力、视力、嗅觉，无法发现敌害，也丧失了响应的逃逸和生存能力。对甲壳类、贝类、鱼类及棘皮动物等海水养殖生物的研究表明，海洋酸化会显著地影响到幼体发育，降低成体的钙化率和呼吸活动，改变机体能量代谢方式，干扰感知和运动行为，抑制免疫防御系统的活性，引起生物体代谢异常、生长缓慢甚至死亡。
从最近的一系列研究成果可以看出，海洋酸化对绝大多数的海洋生物都会产生直接的影响。之前的研究都侧重于单种生物响应机制的研究，然而人们往往更关注海洋酸化的整体效应，与会专家认为，目前亟须的是从生态系统水平上研究海洋酸化的生物地球化学过程，了解海洋酸化在近海洋生态系统的表现形式及其资源环境效应，并探讨适应性的管理与发展对策，以便更好地认识和应对海洋酸化在多重压力下的海洋生态系统中所扮演的角色和产生的后果。
古海洋中发生过酸化事件吗？
人们往往认为，是工业革命以来大气中二氧化碳持续升高引发了海洋酸化，那是不是在工业革命前就没有这个问题呢？如果要想对海洋酸化发生的过程、机制、现状和未来发展趋势有一个清晰的认识，就需要对地质历史时期海洋酸化事件有更确切的了解，这是认识海洋生态系统现状以及预测未来趋势的重要依据。目前，世界上有众多的研究人员专注于该领域的研究。
中科院广州地球化学研究所韦刚健研究员认为，由于缺少长期持续的海水pH值观测资料，目前对于海水pH值变化的历史及控制机理认识相当欠缺，甚至几乎是一无所知。因此，利用相关的地球化学手段重建过去海水pH值变化记录，是探讨这一问题的关键。
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中科院南海海洋研究所研究员余克服指出，海洋钙质生物碳酸盐的B同位素被认为是目前最有效的海水pH值代用指标。B同位素的研究结果表明，过去80万年来，海水pH值基本上与大气二氧化碳浓度一样呈现约10万年的波动周期，显示了大气二氧化碳对海水pH值的调控作用；一般间冰期古海水pH值要低于冰期0.2—0.3个单位，也就是海洋酸化事件发生了。地质历史时期一些时段出现海洋生物种群丰度减少、钙质骨骼壳体体型质量减小等现象，大体可以看作海洋钙质生物对地质时期酸化的响应，发生的时间主要集中在末次冰消期、古新世—渐新世极热期、白垩纪—侏罗纪、三叠纪—侏罗纪、二叠纪—三叠纪等。
“但这些相对大尺度的海水酸化及其生态影响信息仍然无法回答当前所面临的短时间尺度的大气二氧化碳与酸化之间的疑问，因此迫切需要围绕距现在不太遥远的、短时间尺度、高分辨率的海水pH值变化过程研究。”余克服介绍说。
研究人员认为，无论是基于海洋钙化生物变化还是基于地球化学指标的地质历史上海洋酸化事件记录还很少，加之受洋流和碳循环的影响，这些生物和地球化学指标的变化随海盆而有所不同，因此，目前对地质历史上的海洋酸化事件的了解还十分有限，亟须扩大研究区域并深化对其过程的认识。
海洋酸化显然不是孤立的事件，它与多种地质、环境过程，例如全球风化速率、大气与海水温度、溶解氧浓度的变化等有密切联系。从地球系统的角度研究海洋酸化的过程及其对海洋生态系统的影响是地质记录的优势，而这是一项极具挑战性的研究。（来源：中国科技网，记者：游雪晴）
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