海洋酸化的現(xiàn)狀與對策

王陸景

摘 要：本文揭示了工業(yè)革命以來大量的化石燃料的燃燒引起碳排放急劇的增長，大氣中CO2的濃度的增加導(dǎo)致了海洋酸化的產(chǎn)生，海洋酸化會破壞石灰質(zhì)海洋生物的石灰化過程，帶來海洋生態(tài)系統(tǒng)紊亂，還會對海洋生物產(chǎn)生毒性效應(yīng)，破壞海洋魚類的生存。本文指出，消除海洋酸化刻不容緩，而避免海洋酸化最有效的途徑就是減少碳的排放量。

關(guān)鍵詞：海洋酸化；生態(tài)危害；應(yīng)對措施

中圖分類號：X55 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）10-0001-02

1 引言

海洋酸化是由于CO2大量排放引起的環(huán)境問題之一。燃燒化石燃料和水泥生產(chǎn)以及森林砍伐等人類活動擾亂了自然界的碳循環(huán)，釋放出大量被禁錮的碳，由此導(dǎo)致了溫室效應(yīng)。而海洋對CO2的吸收使其在一定程度上緩解了溫室效應(yīng)的同時也引起了海洋系統(tǒng)內(nèi)眾多化學(xué)變化，致使海水PH值降低，即逐漸酸化。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，過去2500萬年來海洋pH值在8.2上下浮動，相對穩(wěn)定，但在距今300萬年時期開始緩慢降低，而海洋pH值在公元2000年左右開始急速下降，以這樣的速度下去預(yù)計在公元2150年海洋pH值將下降到7.6。且這種變化是全球性的，其影響涉及從赤道到兩極的海盆中所有對海水pH值敏感的生物和海洋鈣化生物。

“酸化”一詞指的是在pH標(biāo)度上從起點到終點的pH值降低過程。盡管海水的pH值高于7.0（因此在pH標(biāo)度上是堿性的），但是大氣CO2濃度升高仍然會導(dǎo)致海水的酸性上升和pH值降低。海洋酸化的產(chǎn)生主要是由于人類每年向大氣中排放CO2量的增加。

2 海洋酸化的化學(xué)過程

空氣中CO2的增多，使其融入海洋的速率也在增加。CO2在海洋碳酸鹽系統(tǒng)循環(huán)中發(fā)生了如圖1所示的反應(yīng)，其中反應(yīng)式：（1）在產(chǎn)生碳酸根離子的同時產(chǎn)生氫離子使海水pH值降低，反應(yīng)式。（2）消耗了碳酸根離子卻對pH值降低無正面作用。這就導(dǎo)致了不僅海水中碳酸根離子的濃度在降低，海洋的酸性也在增加。據(jù)估計，自人類社會邁入工業(yè)化以來，淺層海水的pH值降低至少0.1。因為pH值是氫離子濃度的量度，而且pH值是對數(shù)的，即pH值每下降1個單位，則氫離子濃度會上升10倍，因此pH值降低0.1相當(dāng)于海洋中氫離子的濃度上升26%。

CO2、H2O、碳酸（H2CO3）、碳酸氫根（HCO3-）和碳酸根（CO32-）之間發(fā)生幾個化學(xué)反應(yīng)。一個可能產(chǎn)生碳酸根離子并降低pH的反應(yīng)是：

CO2+H2OH2CO3H++HCO3-2H++CO32- （1）

然而，在目前海水的pH值下，另一個消耗碳酸根離子但不改變pH值的反應(yīng)也會發(fā)生：

CO2+H2O+CO32-2HCO3- （2）

第二個方程描述的反應(yīng)在現(xiàn)代海洋環(huán)境中更有可能發(fā)生，但是第一個反應(yīng)也會發(fā)生，所以總的變化是碳酸根離子濃度和pH值同時降低。

人類每年通過燃料燃燒、水泥生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的CO2量非常巨大，空氣中的CO2濃度從工業(yè)革命前的280μg·L-1上升到現(xiàn)在的380μg·L-1，并且其濃度將在22世紀(jì)甚至更長的時間里繼續(xù)升高。據(jù)估算，到2100年，空氣中的CO2濃度將達(dá)到1000μg·L-1，此濃度大大超過數(shù)百萬年來地球上的生物能夠耐受的濃度水平。

人類現(xiàn)在一年中產(chǎn)生釋放的碳量約為71億t，其中25%～30%（約20億t）被海洋吸收，33億t在大氣中積累。在過去200年里，海洋從大氣中吸收的CO2約有5250億t。據(jù)預(yù)測，在接下來的一個千年中，全球海洋每年吸收的CO2總量約為現(xiàn)在一年排放量的90%。

科學(xué)家估計，從工業(yè)革命至今，表層海洋的pH值已經(jīng)降低了0.1。因為pH值是氫離子濃度的量度，而且pH值是對數(shù)的，即pH值每下降1個單位，則氫離子濃度會上升10倍，因此pH降低0.1相當(dāng)于海洋中氫離子的濃度上升26%。如果繼續(xù)按照目前這種化石燃料消耗量和大氣CO2濃度升高的趨勢發(fā)展，則到21世紀(jì)末pH值可能會下降0.3-0.4，則海水氫離子濃度會比工業(yè)革命以前上升100-150%[1]。

3 海洋酸化的危害

3.1 對石灰化過程的影響

海水中CO32-的飽和度對海洋生物極為重要，因為CO32-是通過石灰化形成石灰石并組成海洋生物的貝殼和骨架。這些有石灰化過程的海洋生物包括珊瑚蟲、軟體動物、棘皮動物、有孔蟲類和含鈣的藻類。外殼和骨架之所以不會溶解，是因為海洋表層水體有超飽和Ca2+和CO32-。但是，當(dāng)海水中因CO2濃度升高而導(dǎo)致pH值下降時，碳酸鹽濃度也會隨之降低，并最終使得CO32-處于不飽和狀態(tài)，這種結(jié)果將嚴(yán)重影響石灰化過程。

CaCO3在海洋生物的結(jié)構(gòu)中以文石和方解石兩種形式存在。海水中碳酸鹽濃度降低時，文石比方解石更易于溶解，因此，那些以文石組成身體結(jié)構(gòu)的生物對海洋酸化更敏感。

3.2 對海洋生物的毒性效應(yīng)

有關(guān)CO2或酸化條件對海洋生物的潛在直接毒性效應(yīng)，對海洋生物的石灰化過程的潛在影響，人們都知之甚少，但是有證據(jù)證明這些影響都將會發(fā)生。比如，一些魚類會受到因為酸雨癥導(dǎo)致的pH值下降的威脅，酸雨癥使體液中碳酸增加而導(dǎo)致魚類死亡。血碳酸過多癥，即血液中CO2過量，也是魚類生存的威脅因素。研究表明，提高CO2濃度，將導(dǎo)致日本琥珀魚和褐牙鲆的死亡率上升。海洋pH值下降0.5或更多，海膽體內(nèi)的酸基平衡將被干擾，這能導(dǎo)致海膽的死亡。頭足類生物（如魷魚）特別容易受海洋中CO2濃度上升的影響，因為它們的血液需要非常高濃度的氧氣以補(bǔ)充游泳時耗費的能量。pH值下降0.25的情況下氧容量將減少50%，過低的pH值將降低這些物種的供氧能力。

3.3 對經(jīng)濟(jì)社會的影響

在發(fā)展迅速的近代，人類把目光從陸地轉(zhuǎn)向了資源更為豐富的海洋。海洋生態(tài)系統(tǒng)與人類生活息息相關(guān)。海洋生態(tài)系統(tǒng)中鈣質(zhì)外殼或骨骼的生物受到的的生存威脅不僅會影響海洋的化學(xué)環(huán)境，也會對依賴它們生存的沿海居民及產(chǎn)業(yè)造成相當(dāng)?shù)挠绊?。海洋酸化可能影響到食物網(wǎng)和生態(tài)系統(tǒng)以及它們提供的價值千百億美元的服務(wù)。除了海洋酸化對內(nèi)部生物及環(huán)境的影響從而影響人類的漁業(yè)，海產(chǎn)品，旅游業(yè)，海洋資源開發(fā)等方面，它對外界也有一定影響。降低pH值還可以使海洋噪聲源達(dá)到可聽范圍內(nèi)，對海洋生物以及利用海洋聲學(xué)的科學(xué)商業(yè)和海軍應(yīng)用具有潛在影響。

4 如何應(yīng)對海洋酸化

如果我們犧牲海洋，讓它們繼續(xù)吸收大氣CO2來緩沖氣候變化是否更好呢？海洋酸化和氣候變化是相同事物的兩個方面，都是人為CO2排放的直接后果，兩者是密不可分的。目前海洋吸收了人為CO2排放量的四分之一，這確實對大氣CO2濃度升高起了緩解作用。但是，這個“服務(wù)”只是減弱氣候變化但不能抑制氣候變化。從長遠(yuǎn)來看，在幾萬年的時間尺度上，大部分（80-90%）的人為CO2都會進(jìn)入海洋。然而這并不能保護(hù)氣候系統(tǒng)使其在這個時期不發(fā)生全球變暖。同時需要指出的是，海洋吸收CO2的效應(yīng)會對地球系統(tǒng)的功能產(chǎn)生深刻的影響。海洋在生物地球化學(xué)循環(huán)中充當(dāng)著重要的角色，不僅調(diào)節(jié)CO2，而且調(diào)節(jié)氧的產(chǎn)生、氮和其他重要營養(yǎng)鹽的循環(huán)，以及影響形成云的氣體的產(chǎn)生。很多物種是海陸兩棲的，很多人以健康的海洋維持生計。海洋不是一個獨立的實體，而是地球系統(tǒng)一個不可分割、相互關(guān)聯(lián)的部分。

大部分科學(xué)家贊同減少溫室氣體的排放是第二個問題最好的答案。剩下的問題最難回答，但也是最需要回答的問題，這是因為我們深知，在我們能預(yù)見的將來CO2水平還會繼續(xù)升高。現(xiàn)在很多科學(xué)家的重點放在多高濃度的CO2對地球和社會是“危險的”?；卮稹拔覀兡茏鍪裁?？”這個問題就要從對于問題的起因（CO2）我們能做什么轉(zhuǎn)移到對于它的后果我們能做什么。實際上，我們在尋求問題的答案?！拔磥砗Ｑ笊鷳B(tài)系統(tǒng)會變成什么樣子？海洋生態(tài)系統(tǒng)會為地球和人類提供什么樣的服務(wù)？”這是很大的挑戰(zhàn)。很多這類問題證明，海洋酸化是個能產(chǎn)生復(fù)雜后果的簡單問題[2]。

人類活動釋放到空氣中的CO2被海洋吸收導(dǎo)致的海洋酸化，及其對環(huán)境、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響已經(jīng)引起部分國家和國際組織的重視，但相關(guān)工作才剛剛起步，還需要投入更多的人力、物力支持，各國政府也必須正視海洋酸化對海洋生態(tài)系統(tǒng)、對人類社會造成的潛在影響和危害，制定應(yīng)對措施以及早預(yù)防，促進(jìn)人類社會與海洋環(huán)境的和諧發(fā)展。

5 結(jié)語

綜上所述，本文通過介紹由于CO2大量排放引起的海洋酸化環(huán)境問題，進(jìn)而詳述了該酸化過程的化學(xué)反應(yīng)過程，并分別討論了其對石灰化過程的影響、對海洋生物的毒性效應(yīng)以及對經(jīng)濟(jì)社會的影響。最后給出了一些應(yīng)對策略，本工作將對我國的環(huán)境治理工作有參考價值，比如減少碳的排放量將有助于緩解海洋酸化問題。

參考文獻(xiàn)

[1]陳清華，彭海君.海洋酸化的生態(tài)危害研究進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報，2009，（19）：108-111.

[2]李忠東.海洋酸化腐蝕海洋生命[J].科技潮，2011，（12）：66-67.