海洋酸化影響及國內研究動態(tài)

海洋酸化影響及國內研究動態(tài)摘要：介紹了海洋酸化的形成過程，目前研究的一些進展，存在的問題以及對未來的展望。隨著人類向大氣中大量排放二氧化碳，不僅引發(fā)了溫室效應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。海洋酸化將會導致海水化學環(huán)境發(fā)生變化，進而對海洋生物生存和發(fā)展產生影響，還會威脅到人類海洋經濟的可持續(xù)發(fā)展。本文通過綜述海洋酸化對海洋生態(tài)，海洋生物及海洋經濟的影響來使大家了解其危害，重視環(huán)境的保護。關鍵詞：海洋酸化；海洋生態(tài)；海洋生物；海洋經濟；環(huán)境保護ImpactsofOceanAcidificationandDomesticResearchSituationAbstract:Thisstudyintroducedtheresearchprogressofoceanacidificationandraisedsomequestions.Italsogaveforecastsforfutureresearchonoceanacidification.Ashumanhadbeenexhaustedlargeamountsofcarbondioxideintotheatmosphere,itnotonlyledtoglobalenvironmentalproblemssuchasthegreenhouseeffectandsealevelrise,butalsoledtooceanacidification.Oceanacidificationwillcausechemicalenvironmentchangesinseawater,andthenaffectthesurvivalanddevelopmentofmarineorganisms.Oceanacidificationwillalsoaffectthesustainabledevelopmentofthemarineeconomy.Thisstudyreviewedtheeffectofoceanacidificationonmarineecosystems,marinecreaturesandmarineeconomytomakeeveryoneunderstandthedangersofitandtopayattentiontotheprotectionoftheenvironment.Keywords:oceanacidification;marineecosystem;marinecreature;marineeconomy;environmentalprotection海洋占地球面積的71%，它為我們提供豐富生物資源的同時，能夠吸收大氣中大量的二氧化碳，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)產生嚴重的破壞，影響海洋生物的生存和發(fā)展，同時對人類的海洋經濟發(fā)展也產生了嚴峻的挑戰(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)安全及海洋經濟的發(fā)展進行合理的評估和預測。對海洋酸化進行相關的研究和評價對于我國建設成為海洋強國也是必然的要求。1海洋酸化研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，得到了世界范圍內廣泛的關注，各國相關領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50年代就有科學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，并預測注入到海洋中的二氧化碳將會改變海水的化學性質[2]。但直到20世紀末科學界才開始真正意識到二氧化碳的持續(xù)上升對海洋環(huán)境帶來的嚴重危害，并開始對其進行研究?，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)革命前的8.2下降到現(xiàn)在的8.1[5]。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世紀末，表層海水pH平均值將下降約0.3~0.4[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體現(xiàn)在對海洋生態(tài)，海洋生物和海洋經濟的影響。海水pH值降低，改變了海洋的水化環(huán)境，進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。某些海洋生物可能因其獨特的生理特征會對海洋酸化嚴重不適應，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，改變海水中金屬離子的化學形態(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結構等。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-質量分數(shù)所決定。海洋吸收大量的CO2后導致pH值降低，使溶解的CO2、HCO3-和H+質量分數(shù)增加，同時CO32-質量分數(shù)會因為H+的增加而下降，導致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，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同深度海水的碳化學過程產生不同程度的影響[8]。AndreasJ.Andersson[9]研究表明海洋酸化能夠導致淺灘海洋沉積質中穩(wěn)定的碳酸鹽礦物質溶解加快。研究者預測，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環(huán)境在碳酸鹽原料方面可能產生較大的損失。海洋酸化能影響沉積質對無機鹽的吸收與釋放。S.Widdicombe[10]通過研究表明沉積質對養(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形態(tài)。FrankJ.Millero[11]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，毒性以及氧化還原過程。PatrickL.Brezonik研究也得出了pH下降會改變相關金屬離子的溶解度[12]。這些變化可能會對海洋生物及其配體產生復合影響，需要進一步的研究證明。海洋酸化對珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)產生非常大的影響。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生CaCO3形成骨骼，待其死亡之后，形成珊瑚礁。當pH值從8.1降至7.8后，珊瑚種類的構成將發(fā)生變化，多樣性會降低，珊瑚礁的補給也會減緩。當pH值低于7.7時，珊瑚礁的生長就會趨于停止。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，甚至會影響到整個生物群落的穩(wěn)定和發(fā)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的組成以及整個海洋生態(tài)系統(tǒng)生物群落的組成結構。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（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。相關的研究國外開展的相對較多，國內開展的較少。海洋酸化對海洋生物幼蟲的生長發(fā)育影響顯著。NannA.Fangue[13]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]通過研究表明，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。從而可以預測海洋酸化會對多種無脊椎動物的早期發(fā)育產生不利影響，影響其種群結構。溫度和酸化對海洋生物的生長發(fā)育具有協(xié)同影響。AnaI.Catarin研究表明溫度和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，結果顯示在周圍溫度較低時（0℃），配子對酸化的適應性較大；隨著溫度的上升，pH值對受精成功率有負面的影響（3℃時降低11%）。MariaByrne[17]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，化學反應式為[18]：Ca2++2HCO3-?CaCO3+H2O+CO2鈣化過程的同時，CaCO3還會發(fā)生溶解反應：CaCO3?Ca2++CO32-因此，鈣化率受CaCO3飽和度（Ω）的影響。[Ca2+]在海水中基本保持穩(wěn)定，Ω主要取決于[CO32-][19]。鈣化作用依賴于飽和濃度的CO32-，海水酸化導致CO32-達到不飽和狀態(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。對于貝類的水產養(yǎng)殖而言，海洋酸化是一個嚴重的威脅。貝類在生長過程中須通過鈣化反應生成碳酸鈣質的貝殼，海洋酸化會降低貝類的鈣化率而使其無法正常生長，從而使貝類養(yǎng)殖業(yè)蒙受巨大損失。DaijuNarita[21]通過試驗估量了由于海洋酸化所導致的軟體動物生產減少形成的全球和地區(qū)的經濟損失。結論顯示假定在當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濟損失大約為每年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。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，海膽體內的酸基平衡將會受到干擾，導致海膽的死亡。K.E.Arnold[22]研究了海洋酸化對歐洲龍蝦（Homarusgammarus）幼蟲發(fā)育的影響，結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節(jié)功能產生影響。但是，有些海洋生物對酸度具有調控作用，在一定的范圍內，不會受到海洋酸化所產生的毒性效應。如MagdalenaA.Gutowska[23]研究海洋酸化對頭足類烏賊（S.officinalis）生長的影響，結果顯示烏賊不僅是一個有效的酸度基礎調控者，而且在這此過程中不干擾特有組織中的新陳代謝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)出嚴重的不耐受性，由此研究者預測，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。張明亮等[19]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。研究者分析認為櫛孔扇貝呼吸率的影響可能是由于酸化抑制了調節(jié)櫛孔扇貝呼吸作用的酶的活性而引起的。呼吸的降低將會導致代謝的減慢，從而導致其生長的減緩，這對貝類生長是非常不利的。海洋酸化會改變海洋生物對某些營養(yǎng)鹽、微量元素和微量有機物的吸收和利用率。海洋酸化可能會導致海洋生物生理調節(jié)機制的變化（對膜蛋白的影響），從而對這些物質的吸收和利用發(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]。若干金屬元素的化學性質因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應會因此發(fā)生改變。InmaculadaRibaLópez[25]研究顯示沉積質酸化會改變金屬元素在菲律賓蛤仔體內的生物富集效果。海洋酸化對海洋浮游藻類的影響也十分顯著。CO2是植物進行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。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致藻類生理調節(jié)機制發(fā)生變化(如營養(yǎng)代謝、細胞膜氧化還原與膜蛋白、電子傳遞等)，引起負面效應[26]。因此，海洋酸化究竟會導致浮游藻類固碳量增加還是減少，取決于酸化與CO2濃度升高效應的平衡[27]。WUYaPing等[28]研究顯示，當CO2濃度降低，光合作用明顯降低；當CO2濃度升高(低于700ppmv)，光合作用相比于周圍環(huán)境沒有顯著的影響；當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)上升對光合作用產生了負面影響。海洋酸化對沉積質中原核生物的活動也可能存在影響。NamihaYamada[29]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)活動和種群結構。原核生物在有機物的降解和再礦化中起到十分重要的作用，這些結論暗示了有機碳的再循環(huán)，特別是對沉降物的再循環(huán)，能夠因為CO2注入導致的海洋酸化而下降。當然，有些海洋生物對海洋酸化表現(xiàn)出了較強的耐受性。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部分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的耐受性。此外，研究還包括其他一些內容。NamihaYamada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)，β-葡糖苷酶(BGase)，磷酸酶(P-ase)，α–葡糖苷酶(AGase)，脂肪酶(L-ase)。這些酶對有機物的降解過程有很重要的作用。結論表明酸化會影響大部分酶的活性，能引起海洋生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)發(fā)生變化，特別是蛋白質和脂類物質。2.3海洋酸化對海洋經濟的影響海洋酸化對海洋經濟的影響，最主要是對海洋漁業(yè)產量的影響。在影響漁業(yè)生產的各種復雜關系中，海水化學性質是重要的一部分。海洋酸化使得海洋經濟生物死亡率增加而導致漁業(yè)產量下降，影響海水養(yǎng)殖業(yè)和海洋捕撈業(yè)的穩(wěn)定和發(fā)展，同時對地區(qū)的經濟效益和人民的生產生活也造成重大的影響。通過相關研究，我們可以合理的預測，海洋酸化對漁業(yè)生產的直接經濟損失每年大約在100億美元左右[32]。此外，海洋酸化對珊瑚礁旅游業(yè)造成的經濟損失也非常大。珊瑚礁作為天然的海洋風景，一直吸引著大量的游客度假觀光。據聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)2001年估計，世界范圍內珊瑚礁的總經濟產值將近300億美元/a。這些產值將來可能會因為某些環(huán)境因素變化（包括海洋酸化）而面臨危險。3海洋酸化國內研究動態(tài)自從海洋酸化在國際社會被廣泛認同之后，我國政府對海洋酸化研究高度重視。根據國家自然科學基金項目支助情況可以看出，政府對海洋酸化的支持力度逐年加大。從2007年起，每年都有項目被支助，特別是在近幾年，項目數(shù)量不斷增加。2010年支助的項目為3項，2011年達到了6項，而2012年則達到了9項，可見政府對這一領域的研究重視度在不斷加大。近兩年被支助的項目有：長牡蠣對海洋酸化的生物響應及生理適應機制初探（2011）、鹿角珊瑚幼蟲附著及生長發(fā)育過程中基因表達對海洋酸化脅迫響應研究（2011）、潮間帶小型底棲生物對海洋酸化的響應（2011）、CO2驅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)效應研究：生態(tài)系統(tǒng)水平響應與機制（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制（2012）、不同粒徑硅藻對海洋酸化的生理生態(tài)響應（2012）、海洋酸化對異養(yǎng)浮游細菌多樣性及群落結構、功能的影響研究（2012）、印度洋浮游植物功能群初級生產力調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基因研究（2012）、湖北宜昌峽口剖面二疊系-三疊系（P/T）界線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（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內容可以看出，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)的研究內容較少。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)境之間的關系是否發(fā)生變化，說明其是否對海洋生態(tài)系統(tǒng)產生影響。雖然海洋酸化對海洋生態(tài)的影響已被人們認識到，但是大多都處于理論階段，相關的研究卻很少，國內更是鮮有報道。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，且大部分只局限于在實驗室中進行。現(xiàn)實的海洋環(huán)境比實驗室中模擬的要復雜的多，在自然條件下開展相關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內完成，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化，從而能夠適應海洋酸化這種環(huán)境變化卻很難預測。可幸的是，有相關研究把重點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，從而更能適應未來的海洋環(huán)境。如Sue-AnnWatson通過研究得出海洋酸化導致貝類進化[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對這種環(huán)境的改變。這項研究為我們開拓了新的視角來看待海洋酸化，這也為我們今后的相關研究指明了方向。其實，海洋生物并沒有我們想象中的那么脆弱，在經歷了歷史上多次重大的環(huán)境變革后依然能保持著如此多的物種多樣性，足見其適應力和恢復力。當然，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，我們應該擔負起保護地球環(huán)境的責任，應該肩負起保持生物物種多樣性的歷史重任。參考文獻[1]KenCaldaria,MichaelEwicket.Anthrop-ogeniccarbonandoceanpH[J].Nature,2003,doi:10.1038/425365a[2]石莉，桂靜，吳克勤.海洋酸化及國際研究動態(tài)[J].海洋科學進展，2011，29(1)：122-128[3]FashamM.J.S,BallifioB.M,BowlesM.C.AnewvisionofoceanbiogeochemistryafteradecadeoftheJointGlobalOceanFluxStudy[J],Ambio,SpecialReport,2001(10):4-30[4]SabineC.L,FeelyR.A,Gruber,N,etal.TheoceansinkforanthropogenicCO2[J].Science,2004,305(5682):367-371[5]IPCC.SummaryforPolieymakers[C]//SolomonS,QinD,ManningM,etal,eds.ClimateChange2007:ThePhysicalSeienceBasis.ContributionofWorkingGroupItotheFourthAssessmentReportoftheIntergbvemmentalPanelonClimateChange.Cambridge,UnitedKingdomandNewYork,NY,USA:CambridgeUniversityPress.2007:1-18[6]陳清華，彭海君.海洋酸化的生態(tài)危害研究進展[J].科技導報，2009，27(19)：108-111[7]JBijma,MBarange,LBrander,GCardew,etal.Impactsofoceanacidification[J].SciencePolicyBriefing,2009(37):1-12[8]Orr.James.Anthropogenicoceanacidificationoverthetwenty-firstcenturyanditsimpactoncalcifyingorganism[J].Nature,2005,doi:10.1038/nature04095[9]AndreasJ.Andersson,NicholasR.Bates,etal.DissolutionofcarbonatesedimentsunderrisingpCO2andoceanacidification:observationsfromDevil’sHole,Bermuda[J].AquatGeochem,2007,13(3):237–264[10]S.Widdicombe,H.R.Needham.ImpactofCO2-inducedseawateracidificationontheburrowingactivityofNereisvirensandsedimentnutrientflux[J].Mar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