海洋酸化影响及国内研究动态

海洋酸化影响及国内研究动态摘要：介绍了海洋酸化的形成过程，目前研究的一些进展，存在的问题以及对未来的展望。随着人类向大气中大量排放二氧化碳，不仅引发了温室效应和海平面上升等全球性环境问题，同时也引起了海洋酸化。海洋酸化将会导致海水化学环境发生变化，进而对海洋生物生存和发展产生影响，还会威胁到人类海洋经济的可持续发展。本文通过综述海洋酸化对海洋生态，海洋生物及海洋经济的影响来使大家了解其危害，重视环境的保护。关键词：海洋酸化；海洋生态；海洋生物；海洋经济；环境保护ImpactsofOceanAcidificationandDomesticResearchSituationAbstract:Thisstudyintroducedtheresearchprogressofoceanacidificationandraisedsomequestions.Italsogaveforecastsforfutureresearchonoceanacidification.Ashumanhadbeenexhaustedlargeamountsofcarbondioxideintotheatmosphere,itnotonlyledtoglobalenvironmentalproblemssuchasthegreenhouseeffectandsealevelrise,butalsoledtooceanacidification.Oceanacidificationwillcausechemicalenvironmentchangesinseawater,andthenaffectthesurvivalanddevelopmentofmarineorganisms.Oceanacidificationwillalsoaffectthesustainabledevelopmentofthemarineeconomy.Thisstudyreviewedtheeffectofoceanacidificationonmarineecosystems,marinecreaturesandmarineeconomytomakeeveryoneunderstandthedangersofitandtopayattentiontotheprotectionoftheenvironment.Keywords:oceanacidification;marineecosystem;marinecreature;marineeconomy;environmentalprotection海洋占地球面积的71%，它为我们提供丰富生物资源的同时，能够吸收大气中大量的二氧化碳，从而减缓了二氧化碳浓度持续上升的趋势。但是随着现代化石燃料的大量使用，大气中二氧化碳总量不断增加，有数据显示这些二氧化碳不断溶入海水中最终使海水的pH值降低[1]，形成海洋酸化。海洋酸化不仅对海洋生态产生严重的破坏，影响海洋生物的生存和发展，同时对人类的海洋经济发展也产生了严峻的挑战。因此，研究海洋酸化的影响，不仅有助于全球环境保护和海洋资源的可持续利用，也有助于对未来沿海海洋生态安全及海洋经济的发展进行合理的评估和预测。对海洋酸化进行相关的研究和评价对于我国建设成为海洋强国也是必然的要求。1海洋酸化研究背景大气中二氧化碳浓度持续上升使海洋吸收二氧化碳的量不断增加，导致海水pH值下降，这个过程被称为海洋酸化。海洋酸化这一词汇2003年第一次出现在《自然》杂志中，随后，得到了世界范围内广泛的关注，各国相关领域的科研人员纷纷投入到海洋酸化的研究中。其实，早在上世纪50年代就有科学家通过研究大气二氧化碳的动向得出海洋吸收了大量的二氧化碳，并预测注入到海洋中的二氧化碳将会改变海水的化学性质[2]。但直到20世纪末科学界才开始真正意识到二氧化碳的持续上升对海洋环境带来的严重危害，并开始对其进行研究。现已研究证明，从工业革命以来，海洋大约吸收了三分之一人为排放的二氧化碳[3-4]，致使表层海水的pH平均值从工业革命前的8.2下降到现在的8.1[5]。目前，人类每年释放到大气中的二氧化碳量大约为71亿吨，其中25%~30%被海洋吸收[6]。如果按照这样的速度持续下去，到21世纪末，表层海水pH平均值将下降约0.3~0.4[5]。到那时，海水酸度将比工业革命前大约100%~150%[7]。2海洋酸化的影响海洋酸化的影响主要体现在对海洋生态，海洋生物和海洋经济的影响。海水pH值降低，改变了海洋的水化环境，进而影响到海洋生物的生物功能，如光合作用、呼吸作用、钙化作用等。某些海洋生物可能因其独特的生理特征会对海洋酸化严重不适应，造成种群退化甚至灭绝。2.1海洋酸化对海洋生态的影响海洋酸化对海洋生态的影响包括改变海水碳酸盐系统组成，改变海水中金属离子的化学形态，破坏珊瑚礁生态系统，改变海洋生物种群及群落组成结构等。海洋酸化会影响海水的碳酸盐系统。CO2的大量注入使得各类无机碳离子的比例发生变化，同时影响海水中CaCO3的饱和度。海水中CaCO3的饱和度主要由CO32-质量分数所决定。海洋吸收大量的CO2后导致pH值降低，使溶解的CO2、HCO3-和H+质量分数增加，同时CO32-质量分数会因为H+的增加而下降，导致CO32-饱和度下降。但是，这些影响主要发生在与空气相接的海洋表层海水中，随着深度的增加影响逐渐减弱。同时，CO32-饱和度与海水的温度有关，不同海域会因为温度的不同而饱和度不同。因此，海洋酸化将对不同海域和不同深度海水的碳化学过程产生不同程度的影响[8]。AndreasJ.Andersson[9]研究表明海洋酸化能够导致浅滩海洋沉积质中稳定的碳酸盐矿物质溶解加快。研究者预测，到2100年，海洋钙化将会降低40%，到2300年会降低90%，碳酸盐溶解速率增加和钙化速率降低暗示今后珊瑚礁和其他碳酸盐沉积质环境在碳酸盐原料方面可能产生较大的损失。海洋酸化能影响沉积质对无机盐的吸收与释放。S.Widdicombe[10]通过研究表明沉积质对养分的吸收和释放明显受到酸化的影响。海水pH值的下降会造成硝酸盐吸收量和铵盐释放量的增加，并且亚硝酸盐释放量和磷酸盐的吸收量减少。海洋酸化会改变海水中金属离子的化学形态。FrankJ.Millero[11]研究显示OH-和CO32-浓度降低会改变海水中金属离子的溶解度，影响金属离子的吸收，毒性以及氧化还原过程。PatrickL.Brezonik研究也得出了pH下降会改变相关金属离子的溶解度[12]。这些变化可能会对海洋生物及其配体产生复合影响，需要进一步的研究证明。海洋酸化对珊瑚礁生态系统产生非常大的影响。珊瑚礁是世界上多样性最丰富的生物群落，为多种海洋生物提供了栖息环境。珊瑚体在生长过程中会产生CaCO3形成骨骼，待其死亡之后，形成珊瑚礁。当pH值从8.1降至7.8后，珊瑚种类的构成将发生变化，多样性会降低，珊瑚礁的补给也会减缓。当pH值低于7.7时，珊瑚礁的生长就会趋于停止。珊瑚礁生态系统的破坏将会使其他对珊瑚礁有依赖的海洋动物（把珊瑚作为食物或栖息地的海洋动物）无法生存，甚至会影响到整个生物群落的稳定和发展。海洋酸化势必会使得那些对酸度敏感的生物无法继续生存而导致其种群数量较少，而那些对酸度不敏感的生物将不受到影响或者受到的影响不是很显著。这样势必会影响到整个海洋食物链和食物网的组成以及整个海洋生态系统生物群落的组成结构。这对于海洋生物的物种多样性是一个极大的破坏。2.2海洋酸化对海洋生物的影响关于海洋酸化对海洋生物的影响研究主要集中在海洋酸化对海洋生物生长，发育，繁殖，生理等方面的影响。研究对象主要有海洋无脊椎动物，包括棘皮动物（海胆），软体动物（贝类，头足类乌贼），节肢动物（龙虾，藤壶），多毛类（沙蚕），此外还有浮游藻类（含钙藻类）等。相关的研究国外开展的相对较多，国内开展的较少。海洋酸化对海洋生物幼虫的生长发育影响显著。NannA.Fangue[13]通过研究证明了海胆幼虫对海洋酸化表现的特别敏感。何盛毅等[14]通过研究表明，海洋酸化显著影响马氏珠母贝的D型幼虫，出现幼虫壳长壳高偏小，增长缓慢，致使幼虫体型偏小，畸形率高，死亡率增加。从而可以预测海洋酸化会对多种无脊椎动物的早期发育产生不利影响，影响其种群结构。温度和酸化对海洋生物的生长发育具有协同影响。AnaI.Catarin研究表明温度和pH值与氧的吸收(VO2)有一个交互作用，能够影响海胆幼虫的生长和发育[15]。J.A.Ericson[16]研究了温度和酸化对南极海胆受精和早期发育的影响，结果显示在周围温度较低时（0℃），配子对酸化的适应性较大；随着温度的上升，pH值对受精成功率有负面的影响（3℃时降低11%）。MariaByrne[17]通过试验显示海胆幼虫的发育对升温和酸化特别敏感，在幼虫胚胎发育过程中出现的高死亡率，酸化的影响比升温的影响更大。海洋酸化能显著影响海洋生物的钙化过程，包括：软体动物、棘皮动物、珊瑚虫和含钙藻类等。钙化过程是这些海洋生物贝壳和骨架的形成过程，化学反应式为[18]：Ca2++2HCO3-↔CaCO3+H2O+CO2钙化过程的同时，CaCO3还会发生溶解反应：CaCO3↔Ca2++CO32-因此，钙化率受CaCO3饱和度（Ω）的影响。[Ca2+]在海水中基本保持稳定，Ω主要取决于[CO32-][19]。钙化作用依赖于饱和浓度的CO32-，海水酸化导致CO32-达到不饱和状态，因而使得钙化作用得到抑制。S.Dupont等[20]通过研究得出海洋酸化能影响棘皮动物的钙化作用，从而影响其正常的生长和发育。海洋酸化降低了珊瑚虫的钙化速率，使珊瑚虫生长减缓，珊瑚礁的恢复率低于死亡率，致使珊瑚礁生态系统发生退化。对于贝类的水产养殖而言，海洋酸化是一个严重的威胁。贝类在生长过程中须通过钙化反应生成碳酸钙质的贝壳，海洋酸化会降低贝类的钙化率而使其无法正常生长，从而使贝类养殖业蒙受巨大损失。DaijuNarita[21]通过试验估量了由于海洋酸化所导致的软体动物生产减少形成的全球和地区的经济损失。结论显示假定在当前水平的软体动物持续需求量的条件下，受到海洋酸化影响而引起的全球经济损失大约为每年60亿美元，实际上如果在未来收入增加使得软体动物需求量上升，这个值可能会超过1000亿美元。海洋酸化对海洋生物具有毒性效应。血碳酸过多症（血液中的碳酸含量增加）是影响鱼类生存的威胁因素。一些鱼类会因海洋酸化而得血碳酸过多症至其死亡。海水pH值下降0.5，海胆体内的酸基平衡将会受到干扰，导致海胆的死亡。K.E.Arnold[22]研究了海洋酸化对欧洲龙虾（Homarusgammarus）幼虫发育的影响，结果没有显示碳酸盐浓度有很大的变化，但是对龙虾幼虫发育却产生了抑制，因此研究者推测可能是酸中毒或血碳酸过多症对龙虾正常自我调节功能产生影响。但是，有些海洋生物对酸度具有调控作用，在一定的范围内，不会受到海洋酸化所产生的毒性效应。如MagdalenaA.Gutowska[23]研究海洋酸化对头足类乌贼（S.officinalis）生长的影响，结果显示乌贼不仅是一个有效的酸度基础调控者，而且在这此过程中不干扰特有组织中的新陈代谢平衡和降低有氧呼吸的能力。乌贼对血碳酸过多症没有表现出严重的不耐受性，由此研究者预测，对于更多的头足类（鱿鱼、长蛸）也有这样的耐受性。海洋酸化会影响海洋生物的生理过程。张明亮等[19]测定了栉孔扇贝在不同酸度条件下的呼吸率，发现栉孔扇贝的呼吸活动受酸化影响显著，均随着酸化的加剧出现了明显下降。研究者分析认为栉孔扇贝呼吸率的影响可能是由于酸化抑制了调节栉孔扇贝呼吸作用的酶的活性而引起的。呼吸的降低将会导致代谢的减慢，从而导致其生长的减缓，这对贝类生长是非常不利的。海洋酸化会改变海洋生物对某些营养盐、微量元素和微量有机物的吸收和利用率。海洋酸化可能会导致海洋生物生理调节机制的变化（对膜蛋白的影响），从而对这些物质的吸收和利用发生变化。Shi研究发现低pH值将降低浮游植物吸收铁元素的能力[24]。若干金属元素的化学性质因pH值的变化而改变，海洋生物对这些金属元素的生物富集作用及毒性效应会因此发生改变。InmaculadaRibaLópez[25]研究显示沉积质酸化会改变金属元素在菲律宾蛤仔体内的生物富集效果。海洋酸化对海洋浮游藻类的影响也十分显著。CO2是植物进行光合作用的原料之一，通过研究显示，大多数浮游植物的光合作用受CO2浓度的限制[26]，因此，海水中CO2浓度的增加将会使它们的光合作用得到增强。但是，海水CO2浓度升高也将伴随着海水的pH值下降，这两者是同时存在的两种环境变化。酸性的增加可能会导致藻类生理调节机制发生变化(如营养代谢、细胞膜氧化还原与膜蛋白、电子传递等)，引起负面效应[26]。因此，海洋酸化究竟会导致浮游藻类固碳量增加还是减少，取决于酸化与CO2浓度升高效应的平衡[27]。WUYaPing等[28]研究显示，当CO2浓度降低，光合作用明显降低；当CO2浓度升高(低于700ppmv)，光合作用相比于周围环境没有显著的影响；当CO2浓度继续升高（高于700ppmv），浮游植物的光合作用逐渐降低，说明CO2浓度的持续上升对光合作用产生了负面影响。海洋酸化对沉积质中原核生物的活动也可能存在影响。NamihaYamada[29]通过人工模拟酸化条件来研究海洋酸化对深海区原核生物活动的影响，结果发现，在pH为7.0或更低时，原核生物活动受到大量抑制，特别是在富含有机物的样品中。海洋酸化能够潜在地改变深海区原核生物的异养活动和种群结构。原核生物在有机物的降解和再矿化中起到十分重要的作用，这些结论暗示了有机碳的再循环，特别是对沉降物的再循环，能够因为CO2注入导致的海洋酸化而下降。当然，有些海洋生物对海洋酸化表现出了较强的耐受性。如M.Cigliano[30]通过海洋酸化对自然环境条件下多种底栖动物的影响研究显示大部分多毛类能够在这些条件中定居和生存，说明多毛类对海洋酸化有较强的耐受性。此外，研究还包括其他一些内容。NamihaYamada等[31]研究海洋酸化对水解酶活性的影响，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)。这些酶对有机物的降解过程有很重要的作用。结论表明酸化会影响大部分酶的活性，能引起海洋生态系统物质循环发生变化，特别是蛋白质和脂类物质。2.3海洋酸化对海洋经济的影响海洋酸化对海洋经济的影响，最主要是对海洋渔业产量的影响。在影响渔业生产的各种复杂关系中，海水化学性质是重要的一部分。海洋酸化使得海洋经济生物死亡率增加而导致渔业产量下降，影响海水养殖业和海洋捕捞业的稳定和发展，同时对地区的经济效益和人民的生产生活也造成重大的影响。通过相关研究，我们可以合理的预测，海洋酸化对渔业生产的直接经济损失每年大约在100亿美元左右[32]。此外，海洋酸化对珊瑚礁旅游业造成的经济损失也非常大。珊瑚礁作为天然的海洋风景，一直吸引着大量的游客度假观光。据联合国环境规划署(UNEP)2001年估计，世界范围内珊瑚礁的总经济产值将近300亿美元/a。这些产值将来可能会因为某些环境因素变化（包括海洋酸化）而面临危险。3海洋酸化国内研究动态自从海洋酸化在国际社会被广泛认同之后，我国政府对海洋酸化研究高度重视。根据国家自然科学基金项目支助情况可以看出，政府对海洋酸化的支持力度逐年加大。从2007年起，每年都有项目被支助，特别是在近几年，项目数量不断增加。2010年支助的项目为3项，2011年达到了6项，而2012年则达到了9项，可见政府对这一领域的研究重视度在不断加大。近两年被支助的项目有：长牡蛎对海洋酸化的生物响应及生理适应机制初探（2011）、鹿角珊瑚幼虫附着及生长发育过程中基因表达对海洋酸化胁迫响应研究（2011）、潮间带小型底栖生物对海洋酸化的响应（2011）、CO2驱动的海洋酸化对二种贝类早期发育的影响（2011）、我国南海海洋酸化生态效应研究：生态系统水平响应与机制（2011）、海洋酸化对近海养殖水域浮游植物群落及养殖贝类浮游幼虫生长发育的影响（2011）；海洋酸化对海胆浮游幼体钙化生长的影响及机制（2012）、不同粒径硅藻对海洋酸化的生理生态响应（2012）、海洋酸化对异养浮游细菌多样性及群落结构、功能的影响研究（2012）、印度洋浮游植物功能群初级生产力调控因子与碳输出效率研究(2012）、海洋酸化胁迫下三角褐指藻固碳途径中的差异表达基因研究（2012）、湖北宜昌峡口剖面二叠系-三叠系（P/T）界线高分辨硼同位素组成及其对海洋酸化事件的指示（2012）、全球气候变化背景下的海洋碳循环和海洋酸化模拟研究（2012）、海洋环境生物学（2012）、南部北部上升流中碳酸钙饱和度及其影响因素研究（2012）。4海洋酸化研究存在的问题及展望从上述研究内容可以看出，海洋酸化的研究主要集中在对海洋生物单个群体生活史（包括生长和发育，繁殖以及各种生理过程）的影响，涉及海洋生态的研究内容较少。然而，对于海洋酸化的研究，除了研究它对单个物种的影响以外，还需要着重研究的是对生物群落或者生态系统的影响。通过研究海洋酸化对物种与物种之间，生物与周围环境之间的关系是否发生变化，说明其是否对海洋生态系统产生影响。虽然海洋酸化对海洋生态的影响已被人们认识到，但是大多都处于理论阶段，相关的研究却很少，国内更是鲜有报道。除此之外，很多研究只涉及海洋酸化这一单一因素，少数涉及了温度和酸化两个因素，且大部分只局限于在实验室中进行。现实的海洋环境比实验室中模拟的要复杂的多，在自然条件下开展相关的研究工作虽较为困难，但却更有说服力且切合实际。而且，很多研究都是在较短期内完成，没有做到现场的长期的研究，这对于海洋酸化对生物短期生存的影响是可以研究透彻，但是对于生物能否在长期的生存中得到进化，从而能够适应海洋酸化这种环境变化却很难预测。可幸的是，有相关研究把重点放在了海洋生物是否会在这一长期的缓慢的变化过程中发生变异，从而更能适应未来的海洋环境。如Sue-AnnWatson通过研究得出海洋酸化导致贝类进化[33]。研究者发现，贝类在不断酸化的海洋环境中，虽然越来越难以获得自身钙化作用所必须的CaCO3，但是最终贝类并没有大量死亡，而是在生长过程中形成了较轻的贝壳来应对这种环境的改变。这项研究为我们开拓了新的视角来看待海洋酸化，这也为我们今后的相关研究指明了方向。其实，海洋生物并没有我们想象中的那么脆弱，在经历了历史上多次重大的环境变革后依然能保持着如此多的物种多样性，足见其适应力和恢复力。当然，我们也不能因此聊以自慰，继续肆无忌惮的破坏环境。作为地球主宰的人类，我们应该担负起保护地球环境的责任，应该肩负起保持生物物种多样性的历史重任。参考文献[1]KenCaldaria,MichaelEwicket.Anthrop-ogeniccarbonandoceanpH[J].Nature,2003,doi:10.1038/425365a[2]石莉，桂静，吴克勤.海洋酸化及国际研究动态[J].海洋科学进展，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]陈清华，彭海君.海洋酸化的生态危害研究进展[J].科技导报，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].MarineEcologyprogressseries,2007,341:111-122[11]FrankJ.Millero,RyanWoosley,BenjaminDitrolio,etal.Effectofoceanacidificationonthespeciationofmetalsinseawater[J].Oceanography,2009,22(4):72-85[12]PatrickL.Brezonik,CarlE.Mach,CarolynJ.Sampson.GeochemicalcontrolsforAl,Fe,Mn,Cd,Cu,Pb,andZnduringexperimentalacidificationandrecoveryofLittleRockLake,WI,USA[J].Biogeochemistry,2003,62:119–143[13]NannA.Fangue,MichaelJ.O’Donnell,etal.Alaboratory-based,experimentalsystemforthestudyofoceanacidificationeffectsonmarineinvertebratelarvae[J].LimnologyandOceanography:Methods8,2010,441-452,doi:10:4319/lom.2010.8.441[14]何盛毅，林传旭，何毛贤，等.海洋酸化对马氏珠母贝胚胎和早期幼虫发育的影响[J].生态学杂志，2011，30(4)：747-751[15]AnaI.Catarino,MathieuBauwens,PhilippeDubois.Acid–basebalanceandmetabolicresponseoftheseaurchinParacentrotuslividustodifferentseawaterpHandtemperatures[J].EnvironSciPollutRes,2012,19(6):2344-2353[16]J.A.Ericson,M.A.Ho,etal.Combin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