海洋酸化日益嚴重：海洋生物面臨巨大生存威脅
全球海洋酸化的生態效應正以前所未有的速度擴大。英國卡迪夫大學曾發布研究結果稱目前海洋酸化達到14百萬年來未見的水平。另外，有研究報道由我國自然資源部第三海洋研究所研究員陳立奇領導的團隊通過歷次中國南北極考察航次的觀測分析，也發現南北極海域酸化水體正快速擴張，海洋酸化正在深刻地影響南北極脆弱的生態系統。
什麼是海洋酸化？
當海水吸收了空氣中過量的二氧化碳，產生弱碳酸，導致海水酸鹼度降低的現象被稱為海洋酸化。pH是海水酸鹼度的一個度量，小於7即為酸性。一般海水應為弱鹼性，海洋表層水的pH值約為8.2，但自從上個世紀以來，近三分之一人類活動排放的二氧化碳通過大氣擴散溶解進入海洋，強迫全球海洋以前所未有的速度酸化，海水的平均pH值已從8.18降至8.07，雖然這看起來很少，但海水實際酸度卻增加了30%，這一酸化速度甚至超過了55百萬年前那場生物滅絕的酸化速度。酸性的增加，將改變海水化學的種種平衡，使依賴於化學環境穩定性的多種海洋生物乃至生態系統面臨巨大威脅。圖1展示給我們大氣二氧化碳濃度、海水二氧化碳分壓和海水pH的變化關係。
圖1 紅色是大氣二氧化碳，黃色是海水中二氧化碳的分壓，藍色是海水pH值（pH越小酸性越強）原圖出自Annu. Rev. Mar. Sci
海洋酸化將給海洋生物造成嚴重影響
海洋生物對於酸鹼度的要求是非常嚴格的，當海水變酸後，首當其衝的就是珊瑚及其造就的珊瑚礁生態系統。珊瑚蟲通過形成碳酸鈣的骨骼，聚合成珊瑚礁，因為海水中過多的二氧化碳會改變海水碳酸鹽緩衝體系的化學平衡，抑制碳酸鈣質珊瑚礁的沉澱生成，除此之外，碳酸鈣更是墨魚骨、鸚鵡螺殼以及成千上萬鈣質殼體生物的軀殼材料。如甲殼類動物和在海洋中為自己建造鈣化庇護所的生物被認為是最受威脅的，因為酸性海洋會阻礙它們形成外殼。
海洋酸化會阻礙珊瑚礁生長，而被稱為「海洋中的熱帶雨林」的珊瑚礁生態系統又是海洋生產力最強的生態系統。科學研究發現約21%的海洋物種的生存依賴於僅占海洋面積的0.1%的珊瑚礁生態系統。某些模型研究發現，海洋酸化引起珊瑚礁的消失可以造成的經濟損失達300-3750億元每年，甚至更高。至於其生態系統價值，如珊瑚礁崩潰後，輻射到其他21%的相依存物種（如海星、扇貝、甲殼類等等），造成的損失更是難以評估。早在2015年，就有科學家呼籲大家在人類摧毀美麗的珊瑚礁系統之前，帶著我們的孩子抓緊時間去欣賞一下這多姿多彩的珊瑚礁生態系統吧！
另外，海洋初級生產者浮游植物在海洋和全球碳循環中扮演著舉足輕重的角色，調節著全球氣候。氮是浮游植物生長所必需的元素，全球面積一半以上海區的初級生產力受到了氮限制。束毛藻的固氮作用是海洋生態系統中「新氮」的重要來源之一，可貢獻高達50%的全球海洋總固氮量，對海洋初級生產力以及碳、氮生物地球化學循環起著至關重要的影響。廈門大學近海海洋環境科學國家重點實驗室史大林教授研究團隊發現，因大氣CO2上升而引起的海洋酸化，拉低了海洋微量元素鐵的可利用性，抑制束毛藻的固氮作用。這意味著海洋酸化會降低海洋可利用活性氮的儲庫，這將會進一步加劇全球海洋的氮限制，從而可能會演變成人類文明史上最大的生態災難。
圖2海洋中重要的固氮生物--束毛藻（原圖出自：biying.com）
同時顆石藻作為全球大洋分布最為廣泛的初級生產者之一，對於全球海洋二氧化碳吸收和碳的向下輸出埋藏具有非常重要的意義。最近，廈門大學高坤山教授課題組探討了顆石藻對海洋酸化的進化學響應。他們在歷時兩年的科學研究中發現大洋球石藻受酸化的影響，在長期適應酸化過程中具備了不可逆轉的進化學特徵。這表明海洋酸化會減少顆石藻類的鈣化量，降低其生長速率，影響顆石藻類碳匯（光合）與碳源（鈣化）過程在海洋碳循環中的作用，這預示著海洋酸化可能會降低全球海洋吸收大氣二氧化碳的能力，將會使我們面臨更加嚴峻的挑戰。
圖3：長期適應酸化1000代後，顆石藻鈣化作用途徑被下調，即使轉移到非酸化環境被下調的鈣化作用也不可逆轉，顯示了進化學響應。PIC:顆粒無機碳；POC:顆粒有機碳。原圖出自：廈門大學近海海洋環境科學國家重點實驗室
其次，酸化的損害也可以在食物網的更高食階發現，酸化產生的連鎖反應，從基礎生產者一直上行到大型食用魚類。科學家們預測，到本世紀末，由於酸化，波羅的海和巴倫支海的大西洋鱈魚的大小會減少到現在的四分之一。
迅速發展的海洋酸化，與其他多重壓力因子相結合，威脅更是嚴重。比如，一些人類活動的副產品--微塑料污染和全球升溫的協同作用，使得海洋越來越不利於生物生存，也使得許多海洋生物喪失適應能力。
到2100年，科學家預計大氣中CO2濃度將從工業化以前的280ppm上升到540ppm至970ppm。相關模型預測100年後，海水pH將下降0.3-0.5，與自然過程相比，人類引發的海洋酸化發生速度非常快，也許只有那些快速繁衍後代的生物，比如微生物，才能跟上海洋酸化快速前進的步伐。
海洋是地球生命起源的搖籃，人與海洋需要和諧共存。保護海洋，人人有責！保護海洋環境就是保護人類自己的生命。
作者| 田夕凡 廈門大學海洋化學 博士
審稿| 高樹基 廈門大學近海海洋環境科學國家重點實驗室 教授
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