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海洋酸化:CO2问题的另一面

二氧化碳排放正改变着海洋的化学平衡,卡罗尔•特里解释说,酸化将威胁海洋生态系统,而全世界有千百万人依靠它生活。

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海洋生态系统占了地球表面积的约三分之二,占了全球初级生产的大约一半,而且具有丰富的生物多样性。海洋还在地球的热传送以及海陆天气系统和气候的决定中起着重要作用。此外,海洋也是地球元素循环和蕴藏的关键。比如,海洋是地球上最大的碳元素仓库(比岩石中的还要多),其碳储存量分别是陆地生物圈和大气的19倍和54倍。海洋生态系统还通过渔业、水产养殖、运输、旅游休闲等产业,维持着千百万人的生计。海洋生态系统地区在地球的生命维持系统中扮演者重要的角色。

人为二氧化碳是引起气候变化的主要温室气体,它同样也改变了海洋的化学平衡。CO2问题的这一半最近才引起注意,但它可能和我们更熟悉的那一半同样严重。

1800年以来,表层海水已经吸收了超过5,000亿吨的二氧化碳,占化石燃料燃烧和水泥产业排放总量的约一半。通过吸收这些多余的二氧化碳,海洋延缓了大气中气候变化的效应。但是海洋所付出的代价直到最近才显现出来。二氧化碳和海水发生反应,形成了弱酸(碳酸),提高了海水的酸性(表现为pH的降低)。和前工业化时代相比,表层海水的pH指已经降低了约0.1。这可能看起来没有多少,但是pH值是在对数层面上进行测算的,衡量的是水中氢离子的数量。因此,0.1的降低实际上意味着氢离子增加了30%。如果这个趋势继续下去、我们用光所有化石燃料储量的话,海洋的pH值将直降,酸性将增加。到2100年,海水pH值将在现在的水平上(大约pH8.1)降低0.4之多,到2300年降低0.67。如果要让海水化学情况恢复到前工业化时期的水平,必须花上数千年时间,在此期间,表层海水逐渐和深层海水混合,与碳酸钙沉积物发生反应,通过它们的分解慢慢重新提高pH值。

 

横向:时间(百万年为单位),纵向:海水pH

图表一:过去(白色菱形,数据来自皮尔森和帕尔默,2000年)和目前的表层海水pH值。未来预测为以IPCC方案为基础的模型衍生价值(特里等,2006年)。

这样的pH值降低远远超过了生物近来所经历的年度正常变化,而且在最近的42万年从未发生过,甚至在过去的数千万年中都是首次。海洋生物的进化因此获得了一个稳定的pH环境。大约5,500万年前,海水 pH值的确曾经降到了2300年将会达到的水平,因此造成了许多海洋底栖钙质生物(贝壳类)的灭绝。但是,那次 海水pH值降低用了数千年时间,而目前的这次的速度要快得多,将在几百年甚至几十年的时间里发生。因此,科学家们不但关注海水 pH值降低的水平,也关注其发生的速度就毫不奇怪了。

海水二氧化碳浓度的增加会造成pH值和碳酸离子数量的双重减少,从而降低碳酸钙矿物的饱和值,使得钙质生物更难形成碳酸钙外壳、骨骼和小片。近来,世界大部分表层海水中的碳酸钙矿物都达到了饱和。但是,最近预测未来碳酸钙饱和值的研究利用了IPCC“一切照旧”的化石燃料使用构想,研究表明,由于热带海洋中二氧化碳的浓度翻番,霰石数量——一种珊瑚用来形成硬质礁盘的碳酸钙矿物——将变得过少,珊瑚的钙化降低20-60%,这意味着珊瑚礁的框架可能弱化,变得更易侵蚀。温水珊瑚也遭受到全球变暖的另一项影响:表层海水温度上升引起的珊瑚漂白。按照我们目前的认识,到2050年前后,热带和亚热带海域的珊瑚将变得稀少,原因就是海水温度的上升和霰石饱和值的下降。珊瑚礁生态系统庇护了无数的物种,是最具多样性的海洋栖息地。对于旅游业和渔业来说,它们还具有重要的社会经济价值,而且还起着重要的海岸防波堤作用。

据预测,到2100年,极地和副极地海域的霰石将达到临界或者欠饱和(含量太低了,以至于会对贝壳造成腐蚀,贝壳将溶解)。南大洋(围绕南极的海洋)和北极的大部分海域将出现霰石的过饱和与方解石饱和值的降低,那些依靠霰石和方解石来构建贝壳的生物,如翼足类(海蝶)和贝类在这里就难以生存了。它们是食物网的重要组成部分,鲸鱼和鲑鱼都以翼足类为食,而海象等哺乳动物也主要靠贝类生活。

深海冷水珊瑚作为栖息地的重要性,以及它的广泛地理分布才刚刚开始展现。因此,人们对于珊瑚在不断变浅的霰石饱和界面面前的脆弱性非常关注。在这个界面以下,霰石是欠饱和的,高于这个界面就变成饱和的了。目前这个界面深达数百米甚至数千米,但随着表层海水中的二氧化碳越来越多,它将朝着海面不断上移。在极地高纬度地区,在本世纪内这个界面就会更加靠近海面,这意味着对于深海冷水珊瑚等生物来说高纬度海域将变成欠饱和和腐蚀性的。

 

 

图表二,英格兰西南沿岸一颗石藻勃发的卫星照片。水中的牛奶状现象是由极其微小的钙化颗石藻类——贺胥黎艾氏颗石藻将碳酸钙从海水中析出而形成的。几百万年前,这类颗石藻勃发掉下的小片落在海床上,很快形成巨大的垩白沉积,比如多佛的白色悬崖。图片提供者:彼得·米勒,普利茅斯海洋实验室。

图表三,电子显微镜下的贺胥黎艾氏颗石藻(直径5微米),可以看到碳酸钙形成的小片。图片提供者:帕特里西娅·齐佛瑞,皇家学会会员哈里·艾德菲尔德教授,剑桥大学地球科学系。

名为颗石藻的微生植物勃发面积十分广大,从太空中都可以看得见。(参见图表二)它们现在是地球上最大的方解石生产者。它们死亡时,碳酸钙小片(参见图表三)就下雨般地落到海底,经过漫长的地质时代,这些小片被埋藏起来,能够形成像英格兰东南海岸的多佛白色悬崖那样宏伟的构造。这些小片还能起到“压舱石”的作用,让残骸中的有机部分更快的沉到深海海床,这样就能赶在有机碳在海面再循环并呼吸变成二氧化碳之前帮助其转化。与此正相反,钙化过程自身会产生二氧化碳。因此,一方面颗石藻有机部分的结晶和下沉会吸引二氧化碳,另一方面通过钙化形成的碳酸钙盘也会降低对二氧化碳的吸引。要弄清这个“微生物泵”不同部分之间在未来高二氧化碳海洋中的平衡,将会是一个挑战,但也很重要,这能帮助我们理解海洋、大气和陆地之间的碳交换。这一点特别重要,因为科学家们发现,当一种重要的颗石藻生活环境中二氧化碳浓度达到本世纪末的预期值时,它们形成方解石小片的能力就会大大降低,以至于钙化减少,小片变得畸形。由于这对地球碳循环具有反馈作用,因此它对微生物泵程度和方向的影响十分重要。

对于变化后的海洋化学环境对海洋生物的影响的研究还刚刚起步,科学家们现在正利用实验室控制实验或者说按照未来二氧化碳浓度配出的海水和海底生物群落(大量的自然封闭空间),再加上复杂的生态系统模型来预测未来的影响。迄今作为研究对象的大多数钙质生物,涵盖了主要的海洋钙质生物群(包括颗石藻、翼足类动物、有孔虫类、珊瑚类、钙化藻、贻贝、牡蛎、棘皮动物和甲壳纲动物),作为对二氧化碳提高的反应,它们的净钙化率都有所降低。在普利茅斯海洋实验室,人们用生物群落的方法来观察高二氧化碳海洋对生活在海床和沉积物内的动物及其生物多样性和生物地球化学的影响。这些动物中有一些在沉积物中打洞或挖沟(如海星、海胆和贝类),它们在维持生物多样性扮演着突出的角色,对于令人窒息的海水也具有重要的化学反馈作用,而且还有助于保持初级生产。其中一些还具有重要的经济价值,可以食用或者作为商业鱼类的饲料。

另外一些实验揭示了海洋酸化和一系列变化间的联系,包括卵受精、胚胎发育、幼体发育和定殖,以及导致生物相互之间以及与其生活环境无法互动的化学诱因变化。生物数量以及群落内互动的变化将显著影响主要功能基的相对构成、活性、时间选择、位置和优势,并由此影响到食物网的其它部分。

现在,海洋酸化已经成为大多数国际海洋研究组织的科研主流。随着对海洋酸化影响的研究出现,将来无疑还会有很多这里没有提到的影响和适应问题。弄清楚这些问题、预测未来海洋生态系统的情况、确定对地球生命维持系统地反馈作用,毫无疑问将是未来几十年中海洋科学家们面临的最大挑战。

表层海水的酸化正在发生,并且随着大气中的二氧化碳增多,酸化还将继续。海洋酸化是伴随世界变暖同时发生的。除非我们马上采取有效措施减少二氧化碳排放,否则生物和生态系统将不得不即刻同时应对多种迅速的全球剧变。从人类的时间轴来说,这些变化将在我们、我们的孩子和孙子的世代里一直持续。我们要求立即减少全球二氧化碳排放,除了未来危险的气候变化外,避免更加严重的海洋酸化是另一个有力的理由。正因为如此,普利茅斯海洋实验室已经在国内和国际层面努力唤起利益相关者和决策者的注意,并且鼓励国内外关于海洋酸化的研究计划。比如,2007年IPCC第四次报告中首次包括了海洋酸化,指出“有大气二氧化碳增加造成的海洋逐步酸化可能对海洋贝质生物(如珊瑚)及其相关物种造成消极影响(相当确定)。”欧盟的反应也很快,开始资助“欧洲海洋酸化研究项目” (EPOCA),英国自然环境研究委员会已经宣布资助一项大规模的海洋酸化研究计划,德国也在准备进行同样的研究,美国已经在国会通过一项议案,制定一个海洋酸化研究和监测计划。

随着对气候变化关注的增长,人们提出了越来越多的地球工程解决方法。但是,这些方法常常没有把海洋酸化的问题考虑在内。比如,增加平流层的二氧化硫来转移一些太阳能量、用海水泵抽出富含养分的深层海水来增加生产力并吸引二氧化碳,这些方法都没有考虑到海洋酸化,也没有看到对海洋环境潜在的有害影响,比如过多的生石灰进入海洋将吸收二氧化碳、铁和尿素肥料,导致海洋生产力增加,吸引二氧化碳。

 

图表四,根据不同大气二氧化碳浓度(稳定在从450-1000ppm的范围内)算出的表层海水pH值降低轨迹,此图被IPCC气候变化评估报告(2007)所采用,并以德国全球变化咨询委员会(WBGU)推荐的数据(2006)作为pH“防护轨”(红线)。

目前,专家意见就是:在全球层面降低海洋酸化影响的唯一办法就是立刻采取切实行动减少大气二氧化碳排放。德国全球变化咨询委员会提出了一个“防护轨”,即世界任何主要海域的pH值都不能低于前工业化时代平均值0.2。否则,我们就无法避免众多迫在眉睫的危险,包括:表层海水的霰石欠饱和、海洋生物钙化的崩溃,以及随之而来的海洋食物网的根本改变。从大气二氧化碳浓度来说,这个防护轨恰恰在450ppm的稳定水平上面一点(参见图表四)。因此,要降低未来海洋酸化的影响,对由化石燃料燃烧引起的全球二氧化碳排放进行即刻而切实的控制十分重要,这也是除避免危险气候变化之外的又一个有说服力的理由。

卡罗尔·特里,普利茅斯海洋实验室科研负责人。

 

 

 

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可惜的是,文中提到的普利茅斯海洋实验室网站地址已经不能使用,请登陆:www.pml.ac.uk

该评论由Zheng Shen翻译

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Unfortunately the link to the Plymouth Marine Laboratory website does not work - try www.pml.ac.uk

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匿名 | Anonymous

警示

之前没有关注过海洋酸化的影响,现在看来是非同小可的影响。以前到一些海边看到污染的情况很严重,到海洋自身无法调节的时候,后果就会很严重了。

Warning

In the past, I never paid attention to the effect of ocean acidification. Now it looks as though it has huge influence. I have seen seriously polluted beaches in the past and when I have been to the ocean, I've been unable to do anything about it. The consequences are very serious.

This comment was translated by Kate Truax.