海洋酸化：当海水变成盐汽水

2022-04-28萧楚编辑王旭辉

中国三峡 2022年3期

文 | 萧楚编辑 | 王旭辉

昔日的“海底雨林”变为“海底荒漠” 摄影/The Ocean Agency/Adobe Stock/图虫创意

近些年，在美国西海岸和墨西哥湾海域有这样一种异常的现象：一些深海鱼类如鲑鱼、鲨鱼和鳕鱼等鱼群有时会迷失方向，误入近岸浅水域，被海浪冲上岸搁浅死亡。转入海底，原本色彩缤纷的珊瑚也开始颜色变淡、逐渐白化。依存于珊瑚的众多海洋生物的数量因此显著减少，原本多姿多彩且是众多生物庇护所的“海底雨林”变成了“海底沙漠”……

这些生态失衡的景象看似没有关联，实际上却是同一现象的不同结果。美国西雅图国家海洋与大气管理局(NOAA)太平洋海洋环境实验室资深科学家理查德·菲力指出，这些现象背后的元凶很可能就是海洋酸化（OA）。

提起海洋酸化，有人可能会以为是说海水变得像醋一样酸——其实不然，海洋酸化是指海水碱性降低，趋于向酸性转变的过程。近一百多年来，表层海水平均pH 值从8.1 下降到了约7.9，这一幅度远超此前气候变化下的幅度。自工业革命开始，人类释放到大气中的人为二氧化碳(CO2)约有26%被海洋吸收。在此过程中，海水酸化氢离子浓度(H+)在逐渐增加，而海水的pH、碳酸盐离子浓度(CO32 −)和碳酸钙(CaCO3)矿物（如文石）饱和度则相应降低。

海洋酸化过程制图/萧楚

海洋酸化既是全球碳循环改变的结果，也是全球变暖的体现。广阔的海洋作为水圈的最主要构成，在与大洋地壳为代表的岩石圈、海面之上大气圈和海洋生物为代表的生物圈进行物质能量交换的过程中，参与了碳循环。同时海洋也是地球各圈层系统中在流动性强且储量大上最具代表性的碳汇（碳汇是指自然界中碳的“汇聚体”，代表碳到何处去）。海洋中高达38 万亿吨碳，超过生物圈（2 万亿吨）与大气圈（8500亿吨）碳储量总和十倍。正因为海洋的巨大碳汇属性且与大气碳交汇性强，它才成为了全球变暖背景下的大气碳排放的“收容所”。

据统计，人类使用化石燃料产生的约85 亿吨碳和土地利用如雨林毁林开荒产生的10 亿吨碳都进入到了大气中。广阔的海面与大气气体交换则导致CO2进入海水，CO2净溶解量高达23 亿吨碳。当CO2溶解在海水中时，它与水反应生成碳酸(H2CO3)，这一过程很像我们生活中的自制“气泡水”，碳酸之后分解成碳酸氢盐(HCO3-)、碳酸盐(CO32-)和氢离子(H+)。高浓度的氢离子会使海水像气泡水一样向更低pH 转化，也就是我们所说的“酸化”。

海洋酸化是海水化学性质上的一种大规模快速变化，可能对海洋生态系统的生物多样性和各项功能造成一系列影响。虽然目前尚未观察到人为导致海洋酸化的显著危害，但其各项作用的累积作用将在本世纪显现并呈现积重难返之势。随着海水pH 值的降低，各种物种的钙化组织如骨骼、壳体发育会如预期减少。在海洋酸化的背景下，珊瑚礁和深海珊瑚将出现钙化、生长速度放缓和数量减少情况，并由此对珊瑚相关生物造成的间接作用而对整个生态系统产生广泛影响。

珊瑚白化过程制图/萧楚

由于各类生物对海洋酸化反应存在差异，以及浮游植物类和中层捕食体的变化可能会推动海洋食物网能量营养传递变化，海洋渔业的产量和稳定性将受到不利影响。虽然目前的海洋酸化状况对海洋生态系统功能的影响小于捕鱼等其他人类活动，但随着本世纪海洋酸化加剧，其对不同生物群的影响将会加剧。在一些生态系统中，海洋酸化和其他人为环境变化有可能通过减少生物多样性和突破生态系统承受临界点来改变生态系统功能，对生态系统运作和社会生产带来巨大灾难。例如,海洋酸化造成的水产养殖减产可能带来的粮食和饲料危机。

从理论上讲，在食物网和生态系统中位置发挥重要作用的关键物种的减少会导致整体生物多样性减少，大规模和快速的环境变化会降低生态系统的稳定性和生产力。例如，作为众多海洋鱼类、鸟类（企鹅）和哺乳动物（如海狗、鲸类）食物的磷虾，如果其数量大量减少，势必会导致相关捕食者的减少乃至灭绝。沿海生态系统，包括沿海上升流区、珊瑚礁、红树林、海藻林、海草床、河口和其他近岸系统，是迄今为止人类进行有鳍鱼类、贝类等水产养殖和娱乐活动所依赖的最重要的生态系统。因此海洋酸化和其他环境变化未来对生态系统所造成的改变对人类有巨大影响。我们以几种重要海洋生物举例说明海洋酸化影响人类的层级模式。珊瑚是海洋中最重要的初级生产者，位于海洋生态“金字塔”的最底层。珊瑚礁是众多海洋生物的栖息地和繁殖庇护所，珊瑚生态系统的衰落对整个海洋生态系统的破坏是惊人的。珊瑚对气候变化十分敏感，其变暖耐受程度本来就比较小。海洋酸化的同时，海水温度上升，珊瑚的热耐区间的缩小，珊瑚虫和共生的虫黄藻因增温和酸化出现应激反应，出现珊瑚白化现象。珊瑚白化（coral bleaching）就是珊瑚颜色变白的现象。珊瑚因碳酸钙骨骼生长在外故本身是白色的，它的美丽颜色来自于体内的共生海藻，珊瑚依赖体内的微型共生海藻生存，海藻通过光合作用向珊瑚提供能量。珊瑚白化，意味着珊瑚体内为其供给能量的共生藻离开或死亡。如果白化严重，珊瑚最终会因为缺乏营养供应而死亡，进而导致珊瑚礁的退化甚至消失。珊瑚礁的退化和消失很可能导致以其为核心的底层生态系统的崩溃。海洋酸化对以碳酸钙质外壳作为防御组织的甲壳类、腹足类、以及以有孔虫为代表的肉足类海洋生物影响巨大。特别是对甲壳类、腹足类幼体和有孔虫，它们的碳酸钙壳体在酸化加剧的情况下，特别容易被溶蚀，造成畸形甚至死亡。这些微型、小型海洋无脊椎动物是很多鱼类和甲壳动物的食物，其数量的减少，不仅会造成海洋生态系统价值的降低，也会造成野生海洋水产减少和养殖水产的成本提高（饲料投入增多）。世界有10%的人口居住在沿海地区，4100 万人以海洋捕捞和海洋水产养殖为职业，捕捞量和水产养殖量的减少会导致失业人口的增多和沿海城市人口承载力的减少，造成社会人口的迁移和产业转型，进一步影响产业政策、人口政策、经济发展政策的调整。科学家模拟了海洋酸化加剧的情况，在较高浓度CO2(1500 ppm)实验环境下，变形鲍鱼幼苗的壳（上图①：b）比正常情况下（上图①：a）小。当CO2进一步增加时，幼苗失去了壳，在这些无壳幼苗（上图①：c）的表面可以检测到球状物质，这是钙质再沉淀的残渣。与正常发育的牡蛎幼虫（上图②：a）相比，高浓度CO2(3000 ppm)条件下发育出的畸形的牡蛎幼体具有更小的壳层（上图②：b）、凸铰合部（上图②：c）和突出的表壳（上图②：d）。就此而言，如果海洋酸化进一步恶化，将会造成野生鲍鱼、牡蛎繁殖和沿海天然环境育种的困难，对捕捞和水产养殖带来沉重打击。

退化红树林中的枯树摄影/ Fahroni/Getty Creative/视觉中国

酸化对贝类幼体的影响（显微镜下），①为杂色鲍幼体，②为牡蛎幼体。制图/郭香会

海洋酸化对雀鲷这类小型热带鱼类的危害也很大，来自加州大学戴维斯分校的法拉利等人的实验研究表明，按照目前的趋势，在本世纪的中后期以雀鲷为代表的鱼类会因为海洋酸化而在捕食活动中出现显著的定向和认知障碍。这是由于海洋酸化，海水中碳酸含量增高并通过鳃呼吸，进入鱼类血液造成高碳酸血症。高碳酸血症正是本文开头造成鱼群方向感缺失而搁浅的原因。不仅仅是鱼类，甲壳动物也难以幸免。美国国家海洋与大气管理局资助的研究表明，美国西北沿岸太平洋的海洋酸化正在影响一些幼年体珍宝蟹的甲壳和感知器官，而珍宝蟹是西海岸最珍贵的渔业资源之一。在近海，海洋酸化也对沿海最敏感的生态系统——红树林造成影响，有研究表明海洋酸化造成了红树林的衰退，而红树林是众多滩涂鱼类、甲壳动物、腹足类的生态庇护所。同时，红树林对抵御盐碱化和海水侵蚀有重要作用，其面积的减少也会导致沿岸盐碱化和海水侵蚀问题的恶化。

海洋酸化和全球变暖都是CO2的问题，其潜在的威胁十分巨大，也引起了各国的重视和合作。目前我们能做的还比较有限，但是越早重视、越早找到有效的解决途径对人类的未来越有利。

首先是需要加强各国政府间的合作，工业活动是碳排放的主要来源，只有国家层面的联合才能有计划和有执行力的控制碳排放。其次，要推动碳交易市场的建立和发展，这一举措能够调整发展的效率，减少低产能高排放的发生，在减排的同时促进发展中国家的发展与人口生活的改善。此外，最重要的是需要各国联合起来共同调整能源结构，减少化石燃料特别是煤炭的使用，大力发展太阳能、风能和潮汐能等清洁能源。对于未来，科技是第一生产力，科技投入的加大，促进能够满足大多数人口发展需要的新清洁能源的寻找以及固碳技术的发展，很可能才是未来扭转海洋与气候环境恶化并寻找可持续发展方向的金钥匙。

地球这颗美丽星球上蕴含勃勃生机的蓝色海洋值得你我共同守护。