海洋酸化的现状与对策

王陆景

摘 要：本文揭示了工业革命以来大量的化石燃料的燃烧引起碳排放急剧的增长，大气中CO2的浓度的增加导致了海洋酸化的产生，海洋酸化会破坏石灰质海洋生物的石灰化过程，带来海洋生态系统紊乱，还会对海洋生物产生毒性效应，破坏海洋鱼类的生存。本文指出，消除海洋酸化刻不容缓，而避免海洋酸化最有效的途径就是减少碳的排放量。

关键词：海洋酸化；生态危害；应对措施

中图分类号：X55 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）10-0001-02

1 引言

海洋酸化是由于CO2大量排放引起的环境问题之一。燃烧化石燃料和水泥生产以及森林砍伐等人类活动扰乱了自然界的碳循环，释放出大量被禁锢的碳，由此导致了温室效应。而海洋对CO2的吸收使其在一定程度上缓解了温室效应的同时也引起了海洋系统内众多化学变化，致使海水PH值降低，即逐渐酸化。据相关文献可知，过去2500万年来海洋pH值在8.2上下浮动，相对稳定，但在距今300万年时期开始缓慢降低，而海洋pH值在公元2000年左右开始急速下降，以这样的速度下去预计在公元2150年海洋pH值将下降到7.6。且这种变化是全球性的，其影响涉及从赤道到两极的海盆中所有对海水pH值敏感的生物和海洋钙化生物。

“酸化”一词指的是在pH标度上从起点到终点的pH值降低過程。尽管海水的pH值高于7.0（因此在pH标度上是碱性的），但是大气CO2浓度升高仍然会导致海水的酸性上升和pH值降低。海洋酸化的产生主要是由于人类每年向大气中排放CO2量的增加。

2 海洋酸化的化学过程

空气中CO2的增多，使其融入海洋的速率也在增加。CO2在海洋碳酸盐系统循环中发生了如图1所示的反应，其中反应式：（1）在产生碳酸根离子的同时产生氢离子使海水pH值降低，反应式。（2）消耗了碳酸根离子却对pH值降低无正面作用。这就导致了不仅海水中碳酸根离子的浓度在降低，海洋的酸性也在增加。据估计，自人类社会迈入工业化以来，浅层海水的pH值降低至少0.1。因为pH值是氢离子浓度的量度，而且pH值是对数的，即pH值每下降1个单位，则氢离子浓度会上升10倍，因此pH值降低0.1相当于海洋中氢离子的浓度上升26%。

CO2、H2O、碳酸（H2CO3）、碳酸氢根（HCO3-）和碳酸根（CO32-）之间发生几个化学反应。一个可能产生碳酸根离子并降低pH的反应是：

CO2+H2OH2CO3H++HCO3-2H++CO32- （1）

然而，在目前海水的pH值下，另一个消耗碳酸根离子但不改变pH值的反应也会发生：

CO2+H2O+CO32-2HCO3- （2）

第二个方程描述的反应在现代海洋环境中更有可能发生，但是第一个反应也会发生，所以总的变化是碳酸根离子浓度和pH值同时降低。

人类每年通过燃料燃烧、水泥生产、农业生产产生的CO2量非常巨大，空气中的CO2浓度从工业革命前的280μg·L-1上升到现在的380μg·L-1，并且其浓度将在22世纪甚至更长的时间里继续升高。据估算，到2100年，空气中的CO2浓度将达到1000μg·L-1，此浓度大大超过数百万年来地球上的生物能够耐受的浓度水平。

人类现在一年中产生释放的碳量约为71亿t，其中25%～30%（约20亿t）被海洋吸收，33亿t在大气中积累。在过去200年里，海洋从大气中吸收的CO2约有5250亿t。据预测，在接下来的一个千年中，全球海洋每年吸收的CO2总量约为现在一年排放量的90%。

科学家估计，从工业革命至今，表层海洋的pH值已经降低了0.1。因为pH值是氢离子浓度的量度，而且pH值是对数的，即pH值每下降1个单位，则氢离子浓度会上升10倍，因此pH降低0.1相当于海洋中氢离子的浓度上升26%。如果继续按照目前这种化石燃料消耗量和大气CO2浓度升高的趋势发展，则到21世纪末pH值可能会下降0.3-0.4，则海水氢离子浓度会比工业革命以前上升100-150%[1]。

3 海洋酸化的危害

3.1 对石灰化过程的影响

海水中CO32-的饱和度对海洋生物极为重要，因为CO32-是通过石灰化形成石灰石并组成海洋生物的贝壳和骨架。这些有石灰化过程的海洋生物包括珊瑚虫、软体动物、棘皮动物、有孔虫类和含钙的藻类。外壳和骨架之所以不会溶解，是因为海洋表层水体有超饱和Ca2+和CO32-。但是，当海水中因CO2浓度升高而导致pH值下降时，碳酸盐浓度也会随之降低，并最终使得CO32-处于不饱和状态，这种结果将严重影响石灰化过程。

CaCO3在海洋生物的结构中以文石和方解石两种形式存在。海水中碳酸盐浓度降低时，文石比方解石更易于溶解，因此，那些以文石组成身体结构的生物对海洋酸化更敏感。

3.2 对海洋生物的毒性效应

有关CO2或酸化条件对海洋生物的潜在直接毒性效应，对海洋生物的石灰化过程的潜在影响，人们都知之甚少，但是有证据证明这些影响都将会发生。比如，一些鱼类会受到因为酸雨症导致的pH值下降的威胁，酸雨症使体液中碳酸增加而导致鱼类死亡。血碳酸过多症，即血液中CO2过量，也是鱼类生存的威胁因素。研究表明，提高CO2浓度，将导致日本琥珀鱼和褐牙鲆的死亡率上升。海洋pH值下降0.5或更多，海胆体内的酸基平衡将被干扰，这能导致海胆的死亡。头足类生物（如鱿鱼）特别容易受海洋中CO2浓度上升的影响，因为它们的血液需要非常高浓度的氧气以补充游泳时耗费的能量。pH值下降0.25的情况下氧容量将减少50%，过低的pH值将降低这些物种的供氧能力。

3.3 对经济社会的影响

在发展迅速的近代，人类把目光从陆地转向了资源更为丰富的海洋。海洋生态系统与人类生活息息相关。海洋生态系统中钙质外壳或骨骼的生物受到的的生存威胁不仅会影响海洋的化学环境，也会对依赖它们生存的沿海居民及产业造成相当的影响。海洋酸化可能影响到食物网和生态系统以及它们提供的价值千百亿美元的服务。除了海洋酸化对内部生物及环境的影响从而影响人类的渔业，海产品，旅游业，海洋资源开发等方面，它对外界也有一定影响。降低pH值还可以使海洋噪声源达到可听范围内，对海洋生物以及利用海洋声学的科学商业和海军应用具有潜在影响。

4 如何应对海洋酸化

如果我们牺牲海洋，让它们继续吸收大气CO2来缓冲气候变化是否更好呢？海洋酸化和氣候变化是相同事物的两个方面，都是人为CO2排放的直接后果，两者是密不可分的。目前海洋吸收了人为CO2排放量的四分之一，这确实对大气CO2浓度升高起了缓解作用。但是，这个“服务”只是减弱气候变化但不能抑制气候变化。从长远来看，在几万年的时间尺度上，大部分（80-90%）的人为CO2都会进入海洋。然而这并不能保护气候系统使其在这个时期不发生全球变暖。同时需要指出的是，海洋吸收CO2的效应会对地球系统的功能产生深刻的影响。海洋在生物地球化学循环中充当着重要的角色，不仅调节CO2，而且调节氧的产生、氮和其他重要营养盐的循环，以及影响形成云的气体的产生。很多物种是海陆两栖的，很多人以健康的海洋维持生计。海洋不是一个独立的实体，而是地球系统一个不可分割、相互关联的部分。

大部分科学家赞同减少温室气体的排放是第二个问题最好的答案。剩下的问题最难回答，但也是最需要回答的问题，这是因为我们深知，在我们能预见的将来CO2水平还会继续升高。现在很多科学家的重点放在多高浓度的CO2对地球和社会是“危险的”。回答“我们能做什么？”这个问题就要从对于问题的起因（CO2）我们能做什么转移到对于它的后果我们能做什么。实际上，我们在寻求问题的答案。“未来海洋生态系统会变成什么样子？海洋生态系统会为地球和人类提供什么样的服务？”这是很大的挑战。很多这类问题证明，海洋酸化是个能产生复杂后果的简单问题[2]。

人类活动释放到空气中的CO2被海洋吸收导致的海洋酸化，及其对环境、生态和经济发展的影响已经引起部分国家和国际组织的重视，但相关工作才刚刚起步，还需要投入更多的人力、物力支持，各国政府也必须正视海洋酸化对海洋生态系统、对人类社会造成的潜在影响和危害，制定应对措施以及早预防，促进人类社会与海洋环境的和谐发展。

5 结语

综上所述，本文通过介绍由于CO2大量排放引起的海洋酸化环境问题，进而详述了该酸化过程的化学反应过程，并分别讨论了其对石灰化过程的影响、对海洋生物的毒性效应以及对经济社会的影响。最后给出了一些应对策略，本工作将对我国的环境治理工作有参考价值，比如减少碳的排放量将有助于缓解海洋酸化问题。

参考文献

[1]陈清华，彭海君.海洋酸化的生态危害研究进展[J].科技导报，2009，（19）：108-111.

[2]李忠东.海洋酸化腐蚀海洋生命[J].科技潮，2011，（12）：66-67.