海洋酸化：當(dāng)海水變成鹽汽水

文 | 蕭楚 編輯 | 王旭輝

昔日的“海底雨林”變?yōu)椤昂５谆哪?攝影/The Ocean Agency/Adobe Stock/圖蟲創(chuàng)意

近些年，在美國西海岸和墨西哥灣海域有這樣一種異常的現(xiàn)象：一些深海魚類如鮭魚、鯊魚和鱈魚等魚群有時(shí)會迷失方向，誤入近岸淺水域，被海浪沖上岸擱淺死亡。轉(zhuǎn)入海底，原本色彩繽紛的珊瑚也開始顏色變淡、逐漸白化。依存于珊瑚的眾多海洋生物的數(shù)量因此顯著減少，原本多姿多彩且是眾多生物庇護(hù)所的“海底雨林”變成了“海底沙漠”……

這些生態(tài)失衡的景象看似沒有關(guān)聯(lián)，實(shí)際上卻是同一現(xiàn)象的不同結(jié)果。美國西雅圖國家海洋與大氣管理局(NOAA)太平洋海洋環(huán)境實(shí)驗(yàn)室資深科學(xué)家理查德·菲力指出，這些現(xiàn)象背后的元兇很可能就是海洋酸化（OA）。

提起海洋酸化，有人可能會以為是說海水變得像醋一樣酸——其實(shí)不然，海洋酸化是指海水堿性降低，趨于向酸性轉(zhuǎn)變的過程。近一百多年來，表層海水平均pH 值從8.1 下降到了約7.9，這一幅度遠(yuǎn)超此前氣候變化下的幅度。自工業(yè)革命開始，人類釋放到大氣中的人為二氧化碳(CO2)約有26%被海洋吸收。在此過程中，海水酸化氫離子濃度(H+)在逐漸增加，而海水的pH、碳酸鹽離子濃度(CO32 ?)和碳酸鈣(CaCO3)礦物（如文石）飽和度則相應(yīng)降低。

海洋酸化過程 制圖/蕭楚

海洋酸化既是全球碳循環(huán)改變的結(jié)果，也是全球變暖的體現(xiàn)。廣闊的海洋作為水圈的最主要構(gòu)成，在與大洋地殼為代表的巖石圈、海面之上大氣圈和海洋生物為代表的生物圈進(jìn)行物質(zhì)能量交換的過程中，參與了碳循環(huán)。同時(shí)海洋也是地球各圈層系統(tǒng)中在流動性強(qiáng)且儲量大上最具代表性的碳匯（碳匯是指自然界中碳的“匯聚體”，代表碳到何處去）。海洋中高達(dá)38 萬億噸碳，超過生物圈（2 萬億噸）與大氣圈（8500億噸）碳儲量總和十倍。正因?yàn)楹Ｑ蟮木薮筇紖R屬性且與大氣碳交匯性強(qiáng)，它才成為了全球變暖背景下的大氣碳排放的“收容所”。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類使用化石燃料產(chǎn)生的約85 億噸碳和土地利用如雨林毀林開荒產(chǎn)生的10 億噸碳都進(jìn)入到了大氣中。廣闊的海面與大氣氣體交換則導(dǎo)致CO2進(jìn)入海水，CO2凈溶解量高達(dá)23 億噸碳。當(dāng)CO2溶解在海水中時(shí)，它與水反應(yīng)生成碳酸(H2CO3)，這一過程很像我們生活中的自制“氣泡水”，碳酸之后分解成碳酸氫鹽(HCO3-)、碳酸鹽(CO32-)和氫離子(H+)。高濃度的氫離子會使海水像氣泡水一樣向更低pH 轉(zhuǎn)化，也就是我們所說的“酸化”。

海洋酸化是海水化學(xué)性質(zhì)上的一種大規(guī)模快速變化，可能對海洋生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性和各項(xiàng)功能造成一系列影響。雖然目前尚未觀察到人為導(dǎo)致海洋酸化的顯著危害，但其各項(xiàng)作用的累積作用將在本世紀(jì)顯現(xiàn)并呈現(xiàn)積重難返之勢。隨著海水pH 值的降低，各種物種的鈣化組織如骨骼、殼體發(fā)育會如預(yù)期減少。在海洋酸化的背景下，珊瑚礁和深海珊瑚將出現(xiàn)鈣化、生長速度放緩和數(shù)量減少情況，并由此對珊瑚相關(guān)生物造成的間接作用而對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生廣泛影響。

珊瑚白化過程 制圖/蕭楚

由于各類生物對海洋酸化反應(yīng)存在差異，以及浮游植物類和中層捕食體的變化可能會推動海洋食物網(wǎng)能量營養(yǎng)傳遞變化，海洋漁業(yè)的產(chǎn)量和穩(wěn)定性將受到不利影響。雖然目前的海洋酸化狀況對海洋生態(tài)系統(tǒng)功能的影響小于捕魚等其他人類活動，但隨著本世紀(jì)海洋酸化加劇，其對不同生物群的影響將會加劇。在一些生態(tài)系統(tǒng)中，海洋酸化和其他人為環(huán)境變化有可能通過減少生物多樣性和突破生態(tài)系統(tǒng)承受臨界點(diǎn)來改變生態(tài)系統(tǒng)功能，對生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)作和社會生產(chǎn)帶來巨大災(zāi)難。例如,海洋酸化造成的水產(chǎn)養(yǎng)殖減產(chǎn)可能帶來的糧食和飼料危機(jī)。

從理論上講，在食物網(wǎng)和生態(tài)系統(tǒng)中位置發(fā)揮重要作用的關(guān)鍵物種的減少會導(dǎo)致整體生物多樣性減少，大規(guī)模和快速的環(huán)境變化會降低生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生產(chǎn)力。例如，作為眾多海洋魚類、鳥類（企鵝）和哺乳動物（如海狗、鯨類）食物的磷蝦，如果其數(shù)量大量減少，勢必會導(dǎo)致相關(guān)捕食者的減少乃至滅絕。沿海生態(tài)系統(tǒng)，包括沿海上升流區(qū)、珊瑚礁、紅樹林、海藻林、海草床、河口和其他近岸系統(tǒng)，是迄今為止人類進(jìn)行有鰭魚類、貝類等水產(chǎn)養(yǎng)殖和娛樂活動所依賴的最重要的生態(tài)系統(tǒng)。因此海洋酸化和其他環(huán)境變化未來對生態(tài)系統(tǒng)所造成的改變對人類有巨大影響。我們以幾種重要海洋生物舉例說明海洋酸化影響人類的層級模式。珊瑚是海洋中最重要的初級生產(chǎn)者，位于海洋生態(tài)“金字塔”的最底層。珊瑚礁是眾多海洋生物的棲息地和繁殖庇護(hù)所，珊瑚生態(tài)系統(tǒng)的衰落對整個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)的破壞是驚人的。珊瑚對氣候變化十分敏感，其變暖耐受程度本來就比較小。海洋酸化的同時(shí)，海水溫度上升，珊瑚的熱耐區(qū)間的縮小，珊瑚蟲和共生的蟲黃藻因增溫和酸化出現(xiàn)應(yīng)激反應(yīng)，出現(xiàn)珊瑚白化現(xiàn)象。珊瑚白化（coral bleaching）就是珊瑚顏色變白的現(xiàn)象。珊瑚因碳酸鈣骨骼生長在外故本身是白色的，它的美麗顏色來自于體內(nèi)的共生海藻，珊瑚依賴體內(nèi)的微型共生海藻生存，海藻通過光合作用向珊瑚提供能量。珊瑚白化，意味著珊瑚體內(nèi)為其供給能量的共生藻離開或死亡。如果白化嚴(yán)重，珊瑚最終會因?yàn)槿狈I養(yǎng)供應(yīng)而死亡，進(jìn)而導(dǎo)致珊瑚礁的退化甚至消失。珊瑚礁的退化和消失很可能導(dǎo)致以其為核心的底層生態(tài)系統(tǒng)的崩潰。海洋酸化對以碳酸鈣質(zhì)外殼作為防御組織的甲殼類、腹足類、以及以有孔蟲為代表的肉足類海洋生物影響巨大。特別是對甲殼類、腹足類幼體和有孔蟲，它們的碳酸鈣殼體在酸化加劇的情況下，特別容易被溶蝕，造成畸形甚至死亡。這些微型、小型海洋無脊椎動物是很多魚類和甲殼動物的食物，其數(shù)量的減少，不僅會造成海洋生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值的降低，也會造成野生海洋水產(chǎn)減少和養(yǎng)殖水產(chǎn)的成本提高（飼料投入增多）。世界有10%的人口居住在沿海地區(qū)，4100 萬人以海洋捕撈和海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖為職業(yè)，捕撈量和水產(chǎn)養(yǎng)殖量的減少會導(dǎo)致失業(yè)人口的增多和沿海城市人口承載力的減少，造成社會人口的遷移和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，進(jìn)一步影響產(chǎn)業(yè)政策、人口政策、經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策的調(diào)整。科學(xué)家模擬了海洋酸化加劇的情況，在較高濃度CO2(1500 ppm)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，變形鮑魚幼苗的殼（上圖①：b）比正常情況下（上圖①：a）小。當(dāng)CO2進(jìn)一步增加時(shí)，幼苗失去了殼，在這些無殼幼苗（上圖①：c）的表面可以檢測到球狀物質(zhì)，這是鈣質(zhì)再沉淀的殘?jiān)?。與正常發(fā)育的牡蠣幼蟲（上圖②：a）相比，高濃度CO2(3000 ppm)條件下發(fā)育出的畸形的牡蠣幼體具有更小的殼層（上圖②：b）、凸鉸合部（上圖②：c）和突出的表殼（上圖②：d）。就此而言，如果海洋酸化進(jìn)一步惡化，將會造成野生鮑魚、牡蠣繁殖和沿海天然環(huán)境育種的困難，對捕撈和水產(chǎn)養(yǎng)殖帶來沉重打擊。

退化紅樹林中的枯樹 攝影/ Fahroni/Getty Creative/視覺中國

酸化對貝類幼體的影響（顯微鏡下），①為雜色鮑幼體，②為牡蠣幼體。 制圖/郭香會

海洋酸化對雀鯛這類小型熱帶魚類的危害也很大，來自加州大學(xué)戴維斯分校的法拉利等人的實(shí)驗(yàn)研究表明，按照目前的趨勢，在本世紀(jì)的中后期以雀鯛為代表的魚類會因?yàn)楹Ｑ笏峄诓妒郴顒又谐霈F(xiàn)顯著的定向和認(rèn)知障礙。這是由于海洋酸化，海水中碳酸含量增高并通過鰓呼吸，進(jìn)入魚類血液造成高碳酸血癥。高碳酸血癥正是本文開頭造成魚群方向感缺失而擱淺的原因。不僅僅是魚類，甲殼動物也難以幸免。美國國家海洋與大氣管理局資助的研究表明，美國西北沿岸太平洋的海洋酸化正在影響一些幼年體珍寶蟹的甲殼和感知器官，而珍寶蟹是西海岸最珍貴的漁業(yè)資源之一。在近海，海洋酸化也對沿海最敏感的生態(tài)系統(tǒng)——紅樹林造成影響，有研究表明海洋酸化造成了紅樹林的衰退，而紅樹林是眾多灘涂魚類、甲殼動物、腹足類的生態(tài)庇護(hù)所。同時(shí)，紅樹林對抵御鹽堿化和海水侵蝕有重要作用，其面積的減少也會導(dǎo)致沿岸鹽堿化和海水侵蝕問題的惡化。

海洋酸化和全球變暖都是CO2的問題，其潛在的威脅十分巨大，也引起了各國的重視和合作。目前我們能做的還比較有限，但是越早重視、越早找到有效的解決途徑對人類的未來越有利。

首先是需要加強(qiáng)各國政府間的合作，工業(yè)活動是碳排放的主要來源，只有國家層面的聯(lián)合才能有計(jì)劃和有執(zhí)行力的控制碳排放。其次，要推動碳交易市場的建立和發(fā)展，這一舉措能夠調(diào)整發(fā)展的效率，減少低產(chǎn)能高排放的發(fā)生，在減排的同時(shí)促進(jìn)發(fā)展中國家的發(fā)展與人口生活的改善。此外，最重要的是需要各國聯(lián)合起來共同調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，減少化石燃料特別是煤炭的使用，大力發(fā)展太陽能、風(fēng)能和潮汐能等清潔能源。對于未來，科技是第一生產(chǎn)力，科技投入的加大，促進(jìn)能夠滿足大多數(shù)人口發(fā)展需要的新清潔能源的尋找以及固碳技術(shù)的發(fā)展，很可能才是未來扭轉(zhuǎn)海洋與氣候環(huán)境惡化并尋找可持續(xù)發(fā)展方向的金鑰匙。

地球這顆美麗星球上蘊(yùn)含勃勃生機(jī)的藍(lán)色海洋值得你我共同守護(hù)。

所羅門群島的雀鯛 攝影/ imageBROKER/ R.Dirscherl/ Image Broker/視覺中國