海洋酸化影響及國內(nèi)研究報告動態(tài)

1、. 海洋酸化影響及國研究動態(tài)摘要：介紹了海洋酸化的形成過程，目前研究的一些進(jìn)展，存在的問題以及對未來的展望。隨著人類向大氣量排放二氧化碳，不僅引發(fā)了溫室效應(yīng)和海平面上升等全球性環(huán)境問題，同時也引起了海洋酸化。海洋酸化將會導(dǎo)致海水化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化，進(jìn)而對海洋生物生存和開展產(chǎn)生影響，還會威脅到人類海洋經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)開展。本文通過綜述海洋酸化對海洋生態(tài)，海洋生物及海洋經(jīng)濟(jì)的影響來使大家了解其危害，重視環(huán)境的保護(hù)。關(guān)鍵詞：海洋酸化；海洋生態(tài)；海洋生物；海洋經(jīng)濟(jì)；環(huán)境保護(hù)Impacts of Ocean Acidification and Domestic Research SituationAbstra

2、ct: This study introduced the research progress ofocean acidification and raised some questions. It also gave forecasts for future researchonocean acidification. As human had beene*hausted large amounts ofcarbondio*ideinto the atmosphere, it notonlyled toglobal environmental problemssuchasthe greenh

3、ouse effectand sea level rise, butalso led toocean acidification. Ocean acidification will causechemical environmentchanges in seawater, and then affectthesurvival and development of marine organisms. Ocean acidification will also affect the sustainable development of the marine economy.This study r

4、eviewed the effect of ocean acidification on marine ecosystems, marine creaturesandmarine economy to make everyone understand thedangersofit and to pay attention to the protection of the environment.Key words: ocean acidification; marine ecosystem; marine creature; marine economy; environmental prot

5、ection海洋占地球面積的71%，它為我們提供豐富生物資源的同時，能夠吸收大氣量的二氧化碳，從而減緩了二氧化碳濃度持續(xù)上升的趨勢。但是隨著現(xiàn)代化石燃料的大量使用，大氣中二氧化碳總量不斷增加，有數(shù)據(jù)顯示這些二氧化碳不斷溶入海水中最終使海水的pH值降低1，形成海洋酸化。海洋酸化不僅對海洋生態(tài)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，影響海洋生物的生存和開展，同時對人類的海洋經(jīng)濟(jì)開展也產(chǎn)生了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，研究海洋酸化的影響，不僅有助于全球環(huán)境保護(hù)和海洋資源的可持續(xù)利用，也有助于對未來沿海海洋生態(tài)平安及海洋經(jīng)濟(jì)的開展進(jìn)展合理的評估和預(yù)測。對海洋酸化進(jìn)展相關(guān)的研究和評價對于我國建立成為海洋強(qiáng)國也是必然的要求。1 海洋酸化研

6、究背景大氣中二氧化碳濃度持續(xù)上升使海洋吸收二氧化碳的量不斷增加，導(dǎo)致海水pH值下降，這個過程被稱為海洋酸化。海洋酸化這一詞匯2003年第一次出現(xiàn)在自然雜志中，隨后，得到了世界圍廣泛的關(guān)注，各國相關(guān)領(lǐng)域的科研人員紛紛投入到海洋酸化的研究中。其實，早在上世紀(jì)50年代就有科學(xué)家通過研究大氣二氧化碳的動向得出海洋吸收了大量的二氧化碳，并預(yù)測注入到海洋中的二氧化碳將會改變海水的化學(xué)性質(zhì)2。但直到20世紀(jì)末科學(xué)界才開場真正意識到二氧化碳的持續(xù)上升對海洋環(huán)境帶來的嚴(yán)重危害，并開場對其進(jìn)展研究?，F(xiàn)已研究證明，從工業(yè)革命以來，海洋大約吸收了三分之一人為排放的二氧化碳 3-4，致使表層海水的pH平均值從工業(yè)革命前

7、的8.2下降到現(xiàn)在的8.15。目前，人類每年釋放到大氣中的二氧化碳量大約為71億噸，其中25% 30%被海洋吸收6。如果按照這樣的速度持續(xù)下去，到21世紀(jì)末，表層海水pH平均值將下降約0.30.4 5。到那時，海水酸度將比工業(yè)革命前大約100%150%7。2 海洋酸化的影響海洋酸化的影響主要表達(dá)在對海洋生態(tài)，海洋生物和海洋經(jīng)濟(jì)的影響。海水pH值降低，改變了海洋的水化環(huán)境，進(jìn)而影響到海洋生物的生物功能，如光合作用、呼吸作用、鈣化作用等。*些海洋生物可能因其獨(dú)特的生理特征會對海洋酸化嚴(yán)重不適應(yīng)，造成種群退化甚至滅絕。2.1海洋酸化對海洋生態(tài)的影響海洋酸化對海洋生態(tài)的影響包括改變海水碳酸鹽系統(tǒng)組成，

8、改變海水中金屬離子的化學(xué)形態(tài)，破壞珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)，改變海洋生物種群及群落組成構(gòu)造等。海洋酸化會影響海水的碳酸鹽系統(tǒng)。CO2的大量注入使得各類無機(jī)碳離子的比例發(fā)生變化，同時影響海水中CaCO3的飽和度。海水中CaCO3的飽和度主要由CO32-質(zhì)量分?jǐn)?shù)所決定。海洋吸收大量的CO2后導(dǎo)致pH值降低，使溶解的CO2、HCO3-和H+質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，同時CO32-質(zhì)量分?jǐn)?shù)會因為H+的增加而下降，導(dǎo)致CO32-飽和度下降。但是，這些影響主要發(fā)生在與空氣相接的海洋表層海水中，隨著深度的增加影響逐漸減弱。同時，CO32-飽和度與海水的溫度有關(guān)，不同海域會因為溫度的不同而飽和度不同。因此，海洋酸化將對不同海域和不

9、同深度海水的碳化學(xué)過程產(chǎn)生不同程度的影響8。Andreas J. Andersson 9研究說明海洋酸化能夠?qū)е聹\灘海洋沉積質(zhì)中穩(wěn)定的碳酸鹽礦物質(zhì)溶解加快。研究者預(yù)測，到2100年，海洋鈣化將會降低40%，到2300年會降低90%，碳酸鹽溶解速率增加和鈣化速率降低暗示今后珊瑚礁和其他碳酸鹽沉積質(zhì)環(huán)境在碳酸鹽原料方面可能產(chǎn)生較大的損失。海洋酸化能影響沉積質(zhì)對無機(jī)鹽的吸收與釋放。S. Widdibe 10通過研究說明沉積質(zhì)對養(yǎng)分的吸收和釋放明顯受到酸化的影響。海水pH值的下降會造成硝酸鹽吸收量和銨鹽釋放量的增加，并且亞硝酸鹽釋放量和磷酸鹽的吸收量減少。海洋酸化會改變海水中金屬離子的化學(xué)形態(tài)。Fra

10、nk J. Millero11研究顯示OH-和CO32-濃度降低會改變海水中金屬離子的溶解度，影響金屬離子的吸收，毒性以及氧化復(fù)原過程。Patrick L. Brezonik研究也得出了pH下降會改變相關(guān)金屬離子的溶解度12。這些變化可能會對海洋生物及其配體產(chǎn)生復(fù)合影響，需要進(jìn)一步的研究證明。海洋酸化對珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生非常大的影響。珊瑚礁是世界上多樣性最豐富的生物群落，為多種海洋生物提供了棲息環(huán)境。珊瑚體在生長過程中會產(chǎn)生CaCO3形成骨骼，待其死亡之后，形成珊瑚礁。當(dāng)pH值從8.1降至 7.8后，珊瑚種類的構(gòu)成將發(fā)生變化，多樣性會降低，珊瑚礁的補(bǔ)給也會減緩。當(dāng)pH 值低于7.7 時，珊瑚礁

11、的生長就會趨于停頓。珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的破壞將會使其他對珊瑚礁有依賴的海洋動物把珊瑚作為食物或棲息地的海洋動物無法生存，甚至?xí)绊懙秸麄€生物群落的穩(wěn)定和開展。海洋酸化勢必會使得那些對酸度敏感的生物無法繼續(xù)生存而導(dǎo)致其種群數(shù)量較少，而那些對酸度不敏感的生物將不受到影響或者受到的影響不是很顯著。這樣勢必會影響到整個海洋食物鏈和食物網(wǎng)的組成以及整個海洋生態(tài)系統(tǒng)生物群落的組成構(gòu)造。這對于海洋生物的物種多樣性是一個極大的破壞。2.2 海洋酸化對海洋生物的影響關(guān)于海洋酸化對海洋生物的影響研究主要集中在海洋酸化對海洋生物生長，發(fā)育，繁殖，生理等方面的影響。研究對象主要有海洋無脊椎動物，包括棘皮動物海膽，軟體動物

12、貝類，頭足類烏賊，節(jié)肢動物龍蝦，藤壺，多毛類沙蠶，此外還有浮游藻類含鈣藻類等。相關(guān)的研究國外開展的相對較多，國開展的較少。海洋酸化對海洋生物幼蟲的生長發(fā)育影響顯著。NannA. Fangue13通過研究證明了海膽幼蟲對海洋酸化表現(xiàn)的特別敏感。何盛毅等14通過研究說明，海洋酸化顯著影響馬氏珠母貝的D型幼蟲，出現(xiàn)幼蟲殼長殼高偏小，增長緩慢，致使幼蟲體型偏小，畸形率高，死亡率增加。從而可以預(yù)測海洋酸化會對多種無脊椎動物的早期發(fā)育產(chǎn)生不利影響，影響其種群構(gòu)造。溫度和酸化對海洋生物的生長發(fā)育具有協(xié)同影響。Ana I. Catarin研究說明溫度和pH值與氧的吸收(VO2)有一個交互作用，能夠影響海膽幼蟲

13、的生長和發(fā)育15。J. A. Ericson 16研究了溫度和酸化對南極海膽受精和早期發(fā)育的影響，結(jié)果顯示在周圍溫度較低時0，配子對酸化的適應(yīng)性較大；隨著溫度的上升， pH值對受精成功率有負(fù)面的影響3時降低11%。Maria Byrne17通過試驗顯示海膽幼蟲的發(fā)育對升溫和酸化特別敏感，在幼蟲胚胎發(fā)育過程中出現(xiàn)的高死亡率，酸化的影響比升溫的影響更大。海洋酸化能顯著影響海洋生物的鈣化過程，包括：軟體動物、棘皮動物、珊瑚蟲和含鈣藻類等。鈣化過程是這些海洋生物貝殼和骨架的形成過程，化學(xué)反響式為18：Ca2+2HCO3- CaCO3+ H2O+ CO2鈣化過程的同時，CaCO3還會發(fā)生溶解反響： Ca

14、CO3 Ca2+ CO32-因此，鈣化率受CaCO3飽和度的影響。 Ca2+在海水中根本保持穩(wěn)定，主要取決于 CO3 2-19。鈣化作用依賴于飽和濃度的CO3 2-，海水酸化導(dǎo)致CO3 2-到達(dá)不飽和狀態(tài)，因而使得鈣化作用得到抑制。S. Dupont等20通過研究得出海洋酸化能影響棘皮動物的鈣化作用，從而影響其正常的生長和發(fā)育。海洋酸化降低了珊瑚蟲的鈣化速率，使珊瑚蟲生長減緩，珊瑚礁的恢復(fù)率低于死亡率，致使珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生退化。對于貝類的水產(chǎn)養(yǎng)殖而言，海洋酸化是一個嚴(yán)重的威脅。貝類在生長過程中須通過鈣化反響生成碳酸鈣質(zhì)的貝殼，海洋酸化會降低貝類的鈣化率而使其無常生長，從而使貝類養(yǎng)殖業(yè)蒙受巨大

15、損失。Daiju Narita21通過試驗估量了由于海洋酸化所導(dǎo)致的軟體動物生產(chǎn)減少形成的全球和地區(qū)的經(jīng)濟(jì)損失。結(jié)論顯示假定在當(dāng)前水平的軟體動物持續(xù)需求量的條件下，受到海洋酸化影響而引起的全球經(jīng)濟(jì)損失大約為每年60億美元，實際上如果在未來收入增加使得軟體動物需求量上升，這個值可能會超過1000億美元。海洋酸化對海洋生物具有毒性效應(yīng)。血碳酸過多癥血液中的碳酸含量增加是影響魚類生存的威脅因素。一些魚類會因海洋酸化而得血碳酸過多癥至其死亡。海水pH值下降0.5，海膽體的酸基平衡將會受到干擾，導(dǎo)致海膽的死亡。K. E. Arnold 22研究了海洋酸化對歐洲龍蝦Homarus gammarus幼蟲發(fā)育

16、的影響，結(jié)果沒有顯示碳酸鹽濃度有很大的變化，但是對龍蝦幼蟲發(fā)育卻產(chǎn)生了抑制，因此研究者推測可能是酸中毒或血碳酸過多癥對龍蝦正常自我調(diào)節(jié)功能產(chǎn)生影響。但是，有些海洋生物對酸度具有調(diào)控作用，在一定的圍，不會受到海洋酸化所產(chǎn)生的毒性效應(yīng)。如Magdalena A. Gutowska 23研究海洋酸化對頭足類烏賊S. officinalis生長的影響，結(jié)果顯示烏賊不僅是一個有效的酸度根底調(diào)控者，而且在這此過程中不干擾特有組織中的新代平衡和降低有氧呼吸的能力。烏賊對血碳酸過多癥沒有表現(xiàn)出嚴(yán)重的不耐受性，由此研究者預(yù)測，對于更多的頭足類魷魚、長蛸也有這樣的耐受性。海洋酸化會影響海洋生物的生理過程。明亮等1

17、9測定了櫛孔扇貝在不同酸度條件下的呼吸率，發(fā)現(xiàn)櫛孔扇貝的呼吸活動受酸化影響顯著，均隨著酸化的加劇出現(xiàn)了明顯下降。研究者分析認(rèn)為櫛孔扇貝呼吸率的影響可能是由于酸化抑制了調(diào)節(jié)櫛孔扇貝呼吸作用的酶的活性而引起的。呼吸的降低將會導(dǎo)致代的減慢，從而導(dǎo)致其生長的減緩，這對貝類生長是非常不利的。海洋酸化會改變海洋生物對*些營養(yǎng)鹽、微量元素和微量有機(jī)物的吸收和利用率。海洋酸化可能會導(dǎo)致海洋生物生理調(diào)節(jié)機(jī)制的變化對膜蛋白的影響，從而對這些物質(zhì)的吸收和利用發(fā)生變化。Shi 研究發(fā)現(xiàn)低pH值將降低浮游植物吸收鐵元素的能力24。假設(shè)干金屬元素的化學(xué)性質(zhì)因pH值的變化而改變，海洋生物對這些金屬元素的生物富集作用及毒性效

18、應(yīng)會因此發(fā)生改變。Inmaculada Riba Lpez25研究顯示沉積質(zhì)酸化會改變金屬元素在菲律賓蛤仔體的生物富集效果。海洋酸化對海洋浮游藻類的影響也十分顯著。CO2 是植物進(jìn)展光合作用的原料之一，通過研究顯示，大多數(shù)浮游植物的光合作用受CO2濃度的限制26，因此，海水中CO2濃度的增加將會使它們的光合作用得到增強(qiáng)。但是，海水CO2 濃度升高也將伴隨著海水的pH值下降，這兩者是同時存在的兩種環(huán)境變化。酸性的增加可能會導(dǎo)致藻類生理調(diào)節(jié)機(jī)制發(fā)生變化( 如營養(yǎng)代、細(xì)胞膜氧化復(fù)原與膜蛋白、電子傳遞等)，引起負(fù)面效應(yīng)26。因此，海洋酸化終究會導(dǎo)致浮游藻類固碳量增加還是減少，取決于酸化與CO2濃度升高

19、效應(yīng)的平衡27。WU YaPing 等28研究顯示，當(dāng)CO2濃度降低，光合作用明顯降低；當(dāng)CO2濃度升高(低于700 ppmv)，光合作用相比于周圍環(huán)境沒有顯著的影響；當(dāng)CO2濃度繼續(xù)升高高于700ppmv，浮游植物的光合作用逐漸降低，說明CO2濃度的持續(xù)上升對光合作用產(chǎn)生了負(fù)面影響。海洋酸化對沉積質(zhì)中原核生物的活動也可能存在影響。Namiha Yamada29通過人工模擬酸化條件來研究海洋酸化對深海區(qū)原核生物活動的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在pH為7.0或更低時，原核生物活動受到大量抑制，特別是在富含有機(jī)物的樣品中。海洋酸化能夠潛在地改變深海區(qū)原核生物的異養(yǎng)活動和種群構(gòu)造。原核生物在有機(jī)物的降解和再礦

20、化中起到十分重要的作用，這些結(jié)論暗示了有機(jī)碳的再循環(huán)，特別是對沉降物的再循環(huán)，能夠因為CO2注入導(dǎo)致的海洋酸化而下降。當(dāng)然，有些海洋生物對海洋酸化表現(xiàn)出了較強(qiáng)的耐受性。如M. Cigliano 30通過海洋酸化對自然環(huán)境條件下多種底棲動物的影響研究顯示大局部多毛類能夠在這些條件中定居和生存，說明多毛類對海洋酸化有較強(qiáng)的耐受性。此外，研究還包括其他一些容。Namiha Yamada 等31研究海洋酸化對水解酶活性的影響，包括亮氨酸氨肽酶(LAPase)， -葡糖苷酶(BGase)，磷酸酶(P-ase)， 葡糖苷酶(AGase)，脂肪酶(L-ase)。這些酶對有機(jī)物的降解過程有很重要的作用。結(jié)論說

21、明酸化會影響大局部酶的活性，能引起海洋生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)發(fā)生變化，特別是蛋白質(zhì)和脂類物質(zhì)。2.3 海洋酸化對海洋經(jīng)濟(jì)的影響海洋酸化對海洋經(jīng)濟(jì)的影響，最主要是對海洋漁業(yè)產(chǎn)量的影響。在影響漁業(yè)生產(chǎn)的各種復(fù)雜關(guān)系中，海水化學(xué)性質(zhì)是重要的一局部。海洋酸化使得海洋經(jīng)濟(jì)生物死亡率增加而導(dǎo)致漁業(yè)產(chǎn)量下降，影響海水養(yǎng)殖業(yè)和海洋捕撈業(yè)的穩(wěn)定和開展，同時對地區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益和人民的生產(chǎn)生活也造成重大的影響。通過相關(guān)研究，我們可以合理的預(yù)測，海洋酸化對漁業(yè)生產(chǎn)的直接經(jīng)濟(jì)損失每年大約在100億美元左右32。此外，海洋酸化對珊瑚礁旅游業(yè)造成的經(jīng)濟(jì)損失也非常大。珊瑚礁作為天然的海洋風(fēng)景，一直吸引著大量的游客度假觀光。據(jù)聯(lián)合國環(huán)

22、境規(guī)劃署( UNEP) 2001年估計，世界圍珊瑚礁的總經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值將近300億美元/ a。這些產(chǎn)值將來可能會因為*些環(huán)境因素變化包括海洋酸化而面臨危險。3 海洋酸化國研究動態(tài)自從海洋酸化在國際社會被廣泛認(rèn)同之后，我國政府對海洋酸化研究高度重視。根據(jù)國家自然科學(xué)基金工程支助情況可以看出，政府對海洋酸化的支持力度逐年加大。從2007年起，每年都有工程被支助，特別是在近幾年，工程數(shù)量不斷增加。2010年支助的工程為3項，2011年到達(dá)了6項，而2012年則到達(dá)了9項，可見政府對這一領(lǐng)域的研究重視度在不斷加大。近兩年被支助的工程有：長牡蠣對海洋酸化的生物響應(yīng)及生理適應(yīng)機(jī)制初探2011、鹿角珊瑚幼蟲附著及

23、生長發(fā)育過程中基因表達(dá)對海洋酸化脅迫響應(yīng)研究2011、潮間帶小型底棲生物對海洋酸化的響應(yīng)2011、CO2驅(qū)動的海洋酸化對二種貝類早期發(fā)育的影響2011、我國南海海洋酸化生態(tài)效應(yīng)研究：生態(tài)系統(tǒng)水平響應(yīng)與機(jī)制2011、海洋酸化對近海養(yǎng)殖水域浮游植物群落及養(yǎng)殖貝類浮游幼蟲生長發(fā)育的影響2011；海洋酸化對海膽浮游幼體鈣化生長的影響及機(jī)制2012、不同粒徑硅藻對海洋酸化的生理生態(tài)響應(yīng)2012、海洋酸化對異養(yǎng)浮游細(xì)菌多樣性及群落構(gòu)造、功能的影響研究2012、印度洋浮游植物功能群初級生產(chǎn)力調(diào)控因子與碳輸出效率研究(2012、海洋酸化脅迫下三角褐指藻固碳途徑中的差異表達(dá)基因研究2012、峽口剖面二疊系-三疊

24、系P/T界限高分辨硼同位素組成及其對海洋酸化事件的指示2012、全球氣候變化背景下的海洋碳循環(huán)和海洋酸化模擬研究2012、海洋環(huán)境生物學(xué)2012、南部北部上升流中碳酸鈣飽和度及其影響因素研究2012。4 海洋酸化研究存在的問題及展望從上述研究容可以看出，海洋酸化的研究主要集中在對海洋生物單個群體生活史包括生長和發(fā)育，繁殖以及各種生理過程的影響，涉及海洋生態(tài)的研究容較少。然而，對于海洋酸化的研究，除了研究它對單個物種的影響以外，還需要著重研究的是對生物群落或者生態(tài)系統(tǒng)的影響。通過研究海洋酸化對物種與物種之間，生物與周圍環(huán)境之間的關(guān)系是否發(fā)生變化，說明其是否對海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。雖然海洋酸化對海

25、洋生態(tài)的影響已被人們認(rèn)識到，但是大多都處于理論階段，相關(guān)的研究卻很少，國更是鮮有報道。除此之外，很多研究只涉及海洋酸化這一單一因素，少數(shù)涉及了溫度和酸化兩個因素，且大局部只局限于在實驗室中進(jìn)展?，F(xiàn)實的海洋環(huán)境比實驗室中模擬的要復(fù)雜的多，在自然條件下開展相關(guān)的研究工作雖較為困難，但卻更有說服力且切合實際。而且，很多研究都是在較短期完成，沒有做到現(xiàn)場的長期的研究，這對于海洋酸化對生物短期生存的影響是可以研究透徹，但是對于生物能否在長期的生存中得到進(jìn)化，從而能夠適應(yīng)海洋酸化這種環(huán)境變化卻很難預(yù)測?？尚业氖牵邢嚓P(guān)研究把重點(diǎn)放在了海洋生物是否會在這一長期的緩慢的變化過程中發(fā)生變異，從而更能適應(yīng)未來的海

26、洋環(huán)境。如Sue-Ann Watson通過研究得出海洋酸化導(dǎo)致貝類進(jìn)化33。研究者發(fā)現(xiàn)，貝類在不斷酸化的海洋環(huán)境中，雖然越來越難以獲得自身鈣化作用所必須的CaCO3，但是最終貝類并沒有大量死亡，而是在生長過程中形成了較輕的貝殼來應(yīng)對這種環(huán)境的改變。這項研究為我們開拓了新的視角來對待海洋酸化，這也為我們今后的相關(guān)研究指明了方向。其實，海洋生物并沒有我們想象中的則脆弱，在經(jīng)歷了歷史上屢次重大的環(huán)境變革后依然能保持著如此多的物種多樣性，足見其適應(yīng)力和恢復(fù)力。當(dāng)然，我們也不能因此聊以自慰，繼續(xù)肆無忌憚的破壞環(huán)境。作為地球主宰的人類，我們應(yīng)該擔(dān)負(fù)起保護(hù)地球環(huán)境的責(zé)任，應(yīng)該肩負(fù)起保持生物物種多樣性的歷史重

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