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海洋酸化

海洋酸化（英语：Ocean acidification）指的是地球海洋中海水的pH值随时间演进而降低的现象。全球海洋表面层于1950年至2020年间的平均pH值已从约8.15下降至8.05。[2]人类活动产生的二氧化碳（CO2)）排放是海洋酸化的主要原因，大气中二氧化碳浓度于2020年已超过410百万分比（ppm）。这些二氧化碳会被海洋吸收，产生碳酸 (H
2CO
3)，并分解成碳酸氢根离子 (HCO−
3) 和氢离子 (H+
)。游离氢离子会将海水中pH值降低（酸度增加）（但并不表示现在海水已呈酸性，由于目前pH值仍高于8，呈碱性），并降低海水中碳酸盐饱和性。海洋中生物钙化活动（英语：Marine biogenic calcification）（如软体动物和珊瑚）依赖取得碳酸钙（CaCO
3）来建构保护壳和骨骼，会因此变得特别脆弱。[3]

所谓"海洋酸化"指的是海洋的pH值随着时间演进而降低的现象。[1]

pH值降低0.1代表世界海洋中的氢离子浓度增加26%（pH值是种对数的概念，因此pH单位变化1相当于海水中氢离子浓度变化为10倍）。海洋表面层的pH值和碳酸盐饱和状态会随海洋深度和位置而变化。较冷和较高纬度的水域能够吸收更多的二氧化碳，而导致更高的酸度，而将这些区域海水的pH值和碳酸盐饱和性降低。影响大气-海洋二氧化碳交换以及当地海洋酸化的其他因素包括有洋流和上升流的区域、靠近大型河流出海口、海冰覆盖，以及燃烧化石燃料和农业活动造成的氮与硫排放。[4][5][6]

海洋pH值下降对海洋生物有一系列的有害影响，包括生物钙化活动减少、代谢率降低、免疫反应转弱，以及生殖能量等减少。[7]因此海洋酸化正在影响为大部分人类提供食物、生计和其他生态系服务的海洋生态系统。估计全球约有10亿人完全或是部分依赖珊瑚礁提供的渔业、旅游业和沿海管理服务。海洋持续酸化后将会威胁到与海洋相关的食物链。[8][9]

联合国永续发展目标 14（英语：Sustainable Development Goal 14）（涉及"水下生命"的目标）是"最大限度减少和解决海洋酸化的影响"。[10]减少二氧化碳排放（即气候变化缓解措施）是解决导致酸化根本原因的唯一解决方案。消除大气中二氧化碳将有助于扭转这种趋势。更特定的碳截存手段（例如增强海洋碱性、增强风化（英语：Enhanced weathering））也可减少酸化，这些策略仍在研究阶段，技术成熟度较低，风险仍多。[11][12][13]

海洋酸化过程曾在地球历史中发生过数次。[14]由此产生的海洋生态崩溃对全球碳循环和气候造成长期的影响。

成因 编辑

 
全球海洋表面层pH值分布图（上图（Panel a）：1700年的约略年度平均pH值，下图（Panel b）1700年平均值与2000年年度平均pH值间的差异）。[4]
 
地球于"快速碳循环"中，每年有几吉吨（gigatons，或简写为Gt，十亿吨）的碳在陆地、大气与海洋之间移动。黄色数字代表自然产生的通量、红色数字代表人类产生的排放，白色数字代表储存的碳。"慢速碳循环"（也称深层碳循环，如火山喷发与板块活动所产生）的碳活动未包括在内。[15]
影片：海洋酸化所造成的影响，由美国国家海洋暨大气总署（NOAA）所属单位制作。
参见：[[:海洋碳循环]]

全球于2021年的大气中二氧化碳浓度约为415ppm，比第一次工业革命前高出约50%。[16]目前的高水准和快速增长速度是在地球过去5,500万年的地质记录中前未曾见过。这种过量二氧化碳排放显然是由人类所驱动：包括使用化石燃料、进行工业流程和土地利用与利用利用改变所导致。海洋目前充当人为二氧化碳的碳汇，所吸收的约占人为二氧化碳排放总量的四分之一。[17]海洋吸收额外的二氧化碳后，导致海水酸碱化学发生全面转变，结果是更低的pH值和更低的碳酸盐饱和性，对许多海洋生物的生存构成威胁。[17]

全球海洋自1850年起已累计吸收达175±35吉吨的碳，其中三分之二以上 (120吉吨) 是从1960年起才被吸收的。海洋在史上吸收的碳随着人为呈指数增长的排放而增加。全球海洋于1850年到2022年期间已吸收人为排放总量的26%。[16]于1850年至2021年期间，全球的碳排放量为670±65吉吨，41%滞留在大气中、26%进入海洋，与31%留存在陆地上。[16]

碳循环描述的是海洋、陆地生物圈、岩石圈[18]和大气之间的二氧化碳交换。碳循环涉及有机化合物（例如纤维素）和无机碳化合物（例如二氧化碳、碳酸根离子和碳酸氢根离子,统称为溶解无机碳（英语：Dissolved inorganic carbon）（DIC））。这些无机碳化合物囊括海洋中多种形式的溶解二氧化碳，在海洋酸化中发挥尤其重要的作用。[19]

当二氧化碳溶解于水时，会与水反应而形成离子和非离子化学物质，呈平衡状态：溶解的游离二氧化碳(CO
2(aq)))、碳酸(H
2CO
3)、碳酸氢盐(HCO−
3) 和碳酸盐(CO2−
3 ）。这些成分间的比例取决于海水温度、压力和盐度等因素（如比耶鲁姆图（英语：Bjerrum plot）所示）。此类不同的溶解无机碳透过海洋溶解泵（英语：solubility pump）从海洋表面层转移到其内部。可用雷维尔系数（英语：Revelle factor）（也称缓冲系数）来衡量海洋吸收大气中二氧化碳的阻力。

主要影响 编辑

海洋吸收人为二氧化碳之后，导致其化学性质改变。[4][20]:395海洋于过去270年（自1750年左右开始）中约已吸收近3成的人为二氧化碳排放量，其pH值、碳酸根离子浓度和碳酸钙矿物饱和状态(Ω) 一直在下降，此过程通常被称为"海洋酸化"，导致海洋钙化生物更难构建保护壳或骨骼，最终是广泛的海洋生态系统受害。[4]

海洋酸化被称为"全球气候变化的邪恶孪生兄弟"和"另一个二氧化碳问题"。[21][22]海洋温度升高、氧气含量降低与海洋酸化同时发生，三者构成气候变化对海洋环境压力的"致命三重奏"。[23]此对珊瑚礁和其他有壳海洋生物[24][25]以及依赖前两者提供生态系服务族群的影响最为严重。

pH值降低 编辑

参见：洋

二氧化碳溶入海水后会增加其氢离子浓度，而将pH值降低，如下方程式所示：[26]

CO2 (aq) + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ HCO3− + H+ ⇌ CO32− + 2 H+.

在浅海区沿岸和大陆棚区域，有几个因素相互作用，会影响大气-海洋件二氧化碳交换，及由此产生的pH值变化，[27][28]其中包括生物过程，（例如光合作用和呼吸作用），[29]及海水上升流。[30]此外，流入沿海水域的淡水所产生的河流代谢（英语：Stream metabolism）会造成大量，但属于局部性的pH值变化。[27]

淡水水体似乎也在酸化，但呈现的是一个更复杂且不太明显的现象。[31][32]

降低海洋生物钙化作用 编辑

 
使用微分干涉相差显微镜所看到的各种有孔虫门样本。
 
比耶鲁姆图（英语：Bjerrum plot）所示，由于海洋酸化，海水中溶解二氧化碳和碳酸氢盐浓度增加，以及碳酸盐浓度降低。

海洋化学变化会对生物体及其栖息地产生广泛的影响，分为直接和间接的两种。酸度增加的最重要影响之一与生物碳酸钙外壳的形成有关。[3]生物钙化作用涉及将溶解离子沉淀成固体碳酸钙结构，对于多种海洋生物（例如钙板金藻、有孔虫门、甲壳动物、软体动物等）的生物学和生存很重要。外壳形成之后，除非周围海水含有饱和性浓度的碳酸根离子，否则很容易溶解。

添加到海洋中的额外二氧化碳很少以溶解的形式存在。大部分会分解成额外的碳酸氢根和游离氢离子。氢的增加大于碳酸氢盐的，[33]造成反应不平衡：

HCO−
3 ⇌ CO2−
3 + H+

为保持化学平衡，海洋中已有的一些碳酸根离子会与一些氢离子结合，进一步生成碳酸盐。海洋碳酸根离子的浓度会因此降低，而把海洋生物建构外壳（即钙化作用）的重要元素剥夺：

Ca2+ + CO2−
3 ⇌ CaCO
3

比耶鲁姆图中显示溶解二氧化碳和碳酸氢盐浓度的增加，以及碳酸盐浓度的降低。

饱和状态降低 编辑

 
全球海洋中（A）霰石及（B）方解石 于不同深度的饱和性分布图。[34]

海水中矿物的溶解度状态（饱和性，以Ω表示）是矿物形成或溶解的热力学势的量度，而碳酸钙则由以下方程式描述：

 

此处的Ω是形成矿物（Ca2+和CO32−）反应离子的浓度（或活性度）除以平衡时的表观化学平衡 (Ksp) 的乘积，即当沉淀和溶解速率相等时。[35]海水中的溶解边界是由于温度、压力和深度而形成，称为饱和层位。[3]高于此饱和水平，Ω的值会大于1，碳酸钙不易溶解。大多数钙化生物生活在这样的水域。[3]低于此表面层深度，Ω的值小于1，碳酸钙将会溶解。碳酸盐补偿深度是碳酸盐溶解平衡海底碳酸盐供应的海洋深度，此深度以下的沉积物将不含碳酸钙。[36]海水中二氧化碳水平增加以及由此导致的pH值降低，会将CO32−的浓度和碳酸钙的饱和状态降低，而增加碳酸钙的溶解。

碳酸钙最常以两种同质异形体出现：霰石和方解石。霰石比方解石更易于溶解，因此霰石饱和层位和补偿深度总是比方解石饱和层位更接近海洋表面层。[3]这也表示那些产生霰石的生物会比那些产生方解石的生物体更容易受到海洋酸度变化的影响。[37]海洋酸化和由此导致的碳酸盐饱和状态降低，导致这两种碳酸盐的饱和水平往上移动到更接近海洋表面层的位置。[3]饱和状态降低，是导致海洋生物钙化减少的主要因素之一，因为无机碳酸钙沉淀与其饱和状态成正比，且在饱和状态较低的水域中会对钙化生物形成压力。[38]

自然变异与气候回馈 编辑

更多信息：碳酸盐补偿深度

近来有大量含未饱和霰石的海水在北美洲太平洋大陆棚区域（从加拿大温哥华往南到北加利福尼亚州的附近）上涌。[39]这些大陆棚海洋因有大多数海洋生物在那里生活或产卵，因此会对当地海洋生态系统产生重要影响。其他大陆棚海域可能也会经历类似的影响。[39]

在海洋深处达数千米的地区，随着压力的增加和温度的降低，控制碳酸钙沉淀的化学平衡发生变化，碳酸钙壳开始溶解。[40]发生这种情况的深度称为碳酸盐补偿深度。海洋酸化将增加这种溶解作用，并在数十至数百年的时间尺度上导致碳酸盐补偿深度变浅。[40]发生下沉流的区域会首先受到影响。[41]

在北太平洋和北大西洋中的饱和状态也在减少（碳酸盐补偿深度变得越来越浅）。[20]:396海洋不同水层混合导致二氧化碳进入更深的海域，广阔海洋的酸化也在进展中，而导致碳酸盐补偿深度变得更浅。在北太平洋，这些碳酸盐饱和度深度会以每年1-2米的速度往上升。[20]:396

预计未来几个世纪中，由于海洋酸化而导致碳酸盐沉积物埋藏量显著减少，甚至会发生已存在碳酸盐沉积物受到溶解。[42]

测量值和估计值 编辑

当今和近代历史 编辑

 
由全球海洋资料分析计划（英语：Global Ocean Data Analysis Project）（GLODAP）与世界海洋地图集（英语：World Ocean Atlas）取得的数据而制作的全球海洋图表，显示介于1700年代至1900年代之间，由于人为排放二氧化碳增加，导致其中的pH值变化。

估计在1950年至2020年间，海洋表面层的平均pH值从约8.15下降至8.05。[2]表示世界海洋中的氢离子浓度增加约26%。[43]例如单单在1995年至2010年的15年期间，从夏威夷到阿拉斯加州的太平洋上层100米，酸度就增加6%。[44]

IPCC第六次评估报告指出，"目前海洋表面层的pH值是至少过去26,000年来未曾见过，目前的变化速度也至少是自那时期以来前所未见。"[45]:76在过去20-30年间，全球海洋内部的pH值均有所下降。[45]:76报告并指出，"自20世纪80年代末以来，开阔海洋表面层海水的pH值每十年下降约0.017至0.027"。[46]:716

pH值下降速度因地区而异，由不同的强迫机制之间复杂的相互作用所造成：[46]:716 "在热带太平洋，其中部和东部上升流区域的pH值下降速度更快，每十年下降0.022至0.026。"被认为是"除吸收人为二氧化碳之外，富含二氧化碳的下层水流上升增加所致。"[46]:716 一些地区表现出较慢的酸化速度：在热带西太平洋的暖水团中，每十年可观测到pH值下降0.010至0.013。[46]:716

海洋酸化发生的速度可能会受到海面温度变暖速度的影响，因为温暖的海水不会吸收那么多的二氧化碳。[47]当海水变暖幅度加大，将会限制二氧化碳吸收，并导致pH值变化较小。[47]不同海盆温度变化是造成不同地区酸化速率差异的主要原因之一。

目前的海洋酸化速度类似于古新世－始新世极热事件（PETM，约5,600万年前）的温室事件，当时海面温度上升5-6 °C，导致海洋表面层生态系统经历各种影响，但深海的海底生物却经历一次重大物种灭绝。[48]目前碳由大气进入海洋系统的速率大约是古新世－始新世极热事件发生的速率的十倍。[49]

目前全球已建造，或正在建造分布广泛的观测系统，用于监测全球大洋和一些沿海系统的海水二氧化碳化学和酸化进程。[17]

全球不同海洋区域酸度增加程度
地点 酸度变化
每十年		 期间 资料来源 发布日期
冰岛[50] 降低0.024 1984年 – 2009年 直接测量 2009年
德瑞克海峡（于南美洲南端）[51] 降低0.018 2002年 – 2012年 直接测量 2012年
加那利群岛 (取自全球海洋气候研究估算状态（ESTOC）数据库)[52] 降低0.017 1995年 – 2004年 直接测量 2010年
夏威夷 (取自夏威夷海洋时间序列Hawaii Ocean Time-series（英语：夏威夷海洋時間序列Hawaii Ocean Time-series）研究结果)[53] 降低0.019 1989年 – 2007年 直接测量 2009年
百慕大 (取自百慕大西洋时间序列研究（英语：Bermuda Atlantic Time-series Study）研究结果)[54] 降低0.017 1984年 – 2012年 直接测量 2012年
珊瑚海[55] 降低0.002 ~1700年 – ~1990年 透过气候代理重建 2005年
东地中海n[56] 降低0.023 1964年 – 2005年 透过气候代理重建 2016年
全球某些地区的pH值变化率
(可从来源表格取得更多地区的资料)[57]:Table 5.SM.3
站名, 地区 研究期间 pH值变化
每十年
赤道太平洋 Tropical Atmosphere Ocean (TAO）网络 2004年 – 2011年 降低0.026
印度洋 Indian Ocean Subtropical Productivity Study (IO-STPS)项目 1991年 – 2011年 降低0.027
地中海 Dynamics of the Mediterranean Frontal System (Dyfamed)项目 1995年 – 2011年 降低0.03
北大西洋 冰岛海（英语：Iceland Sea） (68°N, 12.67°W) 1985年 – 2008年
1985年 – 2010年 		降低0.024
降低0.014
北大西洋 伊尔明厄海 (64.3°N, 28°W) 1983年 – 2004年 降低0.026
北太平洋 North Pacific Subtropical Stommel-Yang System (NP-STSS) 1991年 – 2011年 降低0.01
南冰洋 西南极半岛的Palmer Long-Term Ecological Research（PAL-LTER）项目 1993年 – 2012年 增加0.02

地质历史 编辑

在地球历史上曾发生过海洋酸化事件 -[14]在卡皮坦纪大灭绝（英语：Capitanian mass extinction）期间、[58][59][60]二叠纪—三叠纪灭绝事件期间、[61][62][63]三叠纪-侏罗纪灭绝事件期间、[64][65][66]和在白垩纪—古近纪灭绝事件期间。[67]

这五次地质历史中的大规模物种灭绝事件，其中三起与大气中二氧化碳快速增加有关，可能是由于火山作用和/或海洋气体水合物的热解离所致。[68]水中二氧化碳浓度升高影响到生物多样性。[69]由于海水吸收火山产生的二氧化碳而导致的碳酸钙饱和度下降，被认为是三叠纪-侏罗纪灭绝事件中海洋大规模物种灭绝的一种可能机制。[70]三叠纪-侏罗纪灭绝事件仍然是海洋酸化所导致大规模灭绝最为明确的一例，因为（a）碳同位素记录显示当时火山活动增强，降低碳酸盐沉积，而降低碳酸盐补偿深度和碳酸盐饱和度[66][65][71]且(b)据实验研究预测，[72]灭绝对拥有厚霰石骨架的生物体具有明显的针对性，[73]海洋酸化也被认为是二叠纪—三叠纪灭绝事件[62][61]和白垩纪—古近纪灭绝事件[67]的原因之一。总体而言，多种气候压力源（包括海洋酸化在内）可能是地质灭绝事件的原因。[68]

海洋酸化导致最显著的例子是古新世—始新世极热事件，发生于大约5,600万年前，当时有大量碳进入海洋和大气，导致许多海盆的碳酸盐沉积物溶解。[69]使用相对较新的pH地球化学测试方法显示整个PETM时期的pH值下降0.3个单位。[74][75]一项针对海洋碳酸盐系统饱和状态的研究显示在PETM期间可能并未发生太大变化，在最好的地质类比下，而是当时的碳释放速率比人类引起的碳排放慢得多。但仍需要更强的检测气候代理方式来测试饱和状态，以评估这种pH变化对钙化生物的影响程度。

预测未来值 编辑

 
由NOAA所属大西洋海洋与气象实验室（英语：Atlantic Oceanographic and Meteorological Laboratory）于珊瑚礁附近架设的原位二氧化碳浓度侦测器（珊瑚礁早期警示系统），用以研究海洋酸化之用。
 
由NOAA所属太平洋海洋环境实验室（英语：Pacific Marine Environmental Laboratory）架设的系留自动二氧化碳侦测浮标，供海洋酸化研究用。

重要的是目前海洋酸化的速率远高于过往地质历史。这种更快的变化会妨碍生物体以渐进的方式去调适，并阻挡气候循环反馈发挥作用以减轻海洋酸化。目前海洋酸化，导致pH值朝低于过去3亿年的方向前进。[76][67]估计目前的海洋酸化速度，（即pH值降低速度）也是前所未有。[77][14]由此而预测的未来值被认为将会是地质记录中未曾见过的。[78][79][80]海洋pH值下降与其他海洋生物地球化学变化相结合，将可能会破坏海洋生态系统的功能，并从2100年开始扰乱许多与海洋相关的商品和服务。[81]

海洋化学进一步变化的程度（包括海洋pH值），将取决于各国及其政府采取的气候变化缓解措施。[45]使用共享社会经济路径 (SSP) 情景可对全球社会经济变化进行建模。

在非常高的排放情景下 (SSP5-8.5)，模型预测到本世纪末（相对于19世纪末），海洋表面层pH值可能下降多达0.44个单位。[82]:608表示会低至约7.7，并且表示氢离子浓度比迄今已增加的，会再增加两到四倍。

在不同排放情景下，估计过去与将来的海洋表面层平均pH值
[45]:values estimated from Figure TS.11 (d)
时间段 海洋表面层
pH值 (接近)
第一次工业革命之前 (1850年) 8.17
当前 (2021年) 8.08
将来 (2100年) 于低排放情景下 (SSP 1-2.6) 8.0
将来 (2100) 于非常高排放情景下 (SSP 5-8.5) 7.7

对海洋生物钙化的影响 编辑

参见：海洋生物钙化作用（英语：Marine biogenic calcification）
 
图表显示一翼足目外壳于低pH值海水中随时间演进而溶化的进程。（来源：NOAA）
 
根据2100年的海洋化学预测，一翼足目外壳可于45天内溶化的不同阶段图像。（来源：NOAA）
 
因海洋酸化造成不健康的翼足目外壳，上方边缘破损、右下方呈雾状及正下方螺纹变得严重脆弱。（来源：NOAA）

研究结果的复杂度 编辑

海洋酸化导致的生物钙化作用变化，对整体生态的后果很复杂，但许多钙化物种可能会受到不利影响。[17][20]:413海洋酸化加剧后会让生物体更难取得碳酸根离子，无法生产坚硬的外壳。[83]海洋钙化生物跨越食物链（从自营生物到异营生物），包括有钙钣金藻、珊瑚、有孔虫门、棘皮动物、甲壳动物和软体动物等。[81][84]

地球总体上的所有海洋生态系统都将受到酸化和其他几种海洋生物地球化学变化的影响。[85]海洋酸化将会迫使一些生物体做资源重分配，以维持钙化作用。[86]例如长牡蛎（Magallana gigas）被认为会因海水中pH值失衡，而改变代谢及钙化速率。[87]

方解石和霰石在正常条件下会在表面层海水中维持稳定（因为碳酸根离子于海水中维持相对过饱和状态）。但随着海洋pH值下降，碳酸根离子的浓度会降低。碳酸钙变得不够饱和，其结构易受到钙化应力和溶解的影响。[88]研究显示特别是珊瑚、[89][90]钙钣金藻、[84][27][91]珊瑚藻目、[92]有孔虫目、[93]贝类和翼足目[94]暴露于升高浓度的二氧化碳时会减少钙化或溶解增强。即使现在开始采取积极的海洋保护（英语：Ocean preservation）措施，也可能无法将许多受影响的贝类种群恢复。[95]

一些研究发现不同生物对海洋酸化有不同的反应，在大气pCO2（二氧化碳的分压） 升高的情况下，钙钣金藻的钙化和光合作用均会增加,[96]但随着二氧化碳升高，初级生产和钙化会同样下降，[97]不同物种的反应方向并不相同。[98]

赭色海星在酸度增加的水域中会加快生长。[99]

海洋酸化导致生物钙化作用减少，会影响到海洋生物驱动将碳从大气移转到海洋内部和海底沉积物（英语：Marine sediment）的封存，而将所谓的生物泵作用减弱。[67]海洋酸化也会减少南极洲海洋浮游植物的尺寸，将其储存碳的效率降低。[100]人们越来越多透过使用生理框架（包括不利后果路径（英语：Adverse Outcome Pathway）（AOP）框架）来研究及模拟此类变化。[87]

 
来自北大西洋，一种名为Coccolithus pelagicus的钙板金藻。


钙板金藻 编辑

更多信息：钙板金藻

钙板金藻是种单细胞真核浮游植物（藻类）。了解此种藻类的钙化变化会特别重要，因为其减少后可能会对气候产生二次影响：它将透过影响海洋云层来降低地球的反照率，而加剧全球暖化。[101]一项于2008年所做，对北大西洋沉积物岩心进行的研究发现，虽然1780年至2004年工业时期中钙板金藻的物种组成保持不变，但这种藻类的体型于此期间已增加40%以作应对。[96]

珊瑚 编辑

更多信息：珊瑚和珊瑚礁

由于海洋变暖、海洋酸化、污染和过度捕捞等活动造成的多重物理损害，暖水珊瑚正在明显减少（在过去30-50年里已损失50%），预期这些压力还会加剧。[102][20]:416

珊瑚生长外骨骼的内部隔间（腔肠）中的液体对于钙化生长极为重要。当外部海水中霰石的饱和状态达到环境水平时，珊瑚会在腔肠中迅速生长霰石晶体，其外骨骼也会迅速生长。如果外部海水中霰石的饱和状态低于环境水平，珊瑚就必须更努力维持腔肠内平衡，而减慢霰石晶体的生长，导致外骨骼生长速度减慢。当将霰石泵入内部隔间在能量上并非有利时，珊瑚会停止生长。[103]根据目前碳排放进展，预计到2050-60年，大约有70%的北大西洋冷水珊瑚会生活在具有腐蚀酸性的水域中。[104]

酸化主要会降低珊瑚建构致密外骨骼的能力，而非影响外骨骼的线性延展。预计到本世纪末，某些珊瑚物种的外骨骼密度可能会减少20%以上。[105]

在澳大利亚大堡礁一块400平方米区域进行的一项原位实验，当将海水中二氧化碳水平升高至接近工业化前的pH值，显示净钙化会增加7%。[106]一项类似的实验将原位海水二氧化碳水平升高到2050年后不久的预估水平，结果发现净钙化会减少34%。[107]

但一项于2007年至2012年对昆士兰州和西澳大利亚州珊瑚礁的实地研究发现，由于珊瑚体内平衡调节，对环境pH值变化的抵抗力比之前想像的更强。发现是由热变化（海洋热浪），而非酸化，导致珊瑚白化，热变化成为气候变化导致珊瑚礁发生脆弱性的主要因素。[108]

二氧化碳渗漏点的研究 编辑

在某些地方，二氧化碳会从海底冒出，而局部改变海水中的pH值和其他化学成分。在这些二氧化碳渗漏处的研究中，发现不同生物体有不同反应。[109]由于一些珊瑚物种对酸化的敏感性，而引发学界对位于二氧化碳渗漏点附近的珊瑚礁群落做大量研究。在巴布亚新几内亚，二氧化碳渗漏导致pH值下降，与珊瑚物种多样性下降有关联。[110]然而在帕劳，二氧化碳渗漏与珊瑚物种多样性减少并无关联，但在低pH值地点，珊瑚骨骼受到侵蚀的程度会较高。

翼足目和蛇尾 编辑

翼足目和蛇尾是北极区域食物网的基础，但都因酸化而受到严重破坏。翼足目动物的壳因酸化程度增加而溶解，蛇尾在重新生长附肢时会失去肌肉质量。[111]翼足目动物需要霰石来制造其外壳，霰石由碳酸根离子和溶解的钙和锶构成，而酸化导致海水持续降低过饱合碳酸盐含量。[112]北极水域中有机物的降解将海洋酸化作用放大，一些北极水域已呈霰石不饱和状态。[113][114][115]

将蛇尾的卵暴露于预期北极酸化的条件时，它们会在几天内死亡。[116]同样的，实验中将温带海星（普通海星的亲戚）幼虫暴露于pH值降低0.2至0.4的环境时，只有不到0.1%能存活超过8天。[81]

对生态系的其他影响 编辑

 
显示全球海洋中霰石饱和性于1880年代与2006年-2015年（平均值）之间的变化，由于海洋酸化作用，几乎全部的pH值均呈降低状态。[117]

其他生物影响 编辑

生物体除发生生物钙化减慢和/或逆转之外，还会遭受其他不利影响，或是对食物资源间接产生负面影响，或是直接产生生殖或生理影响。[3]例如海洋中二氧化碳浓度升高会产生二氧化碳引起的体液酸化，称为高碳酸血症。[118]

声学特性 编辑

据观察，增加酸度会降低美洲大赤鱿的代谢率[119]并抑制贻贝的免疫反应。[120]可能是因为海洋酸化而改变海水的声学特性，让声音更进一步传播，增加海洋噪音。[121]这会影响所有使用声音进行回声定位或沟通的动物。[122]大西洋长鳍鱿鱼卵在酸化水中需要更长的孵化时间，同时孵化鱿鱼的平衡囊（英语：Statocyst）会较小而且呈畸形。[123]但此类研究仍在进行中，且尚未完全了解这些过程对于海洋生物或生态系统中的影响。[124]

藻类和海草 编辑

更多信息：优氧化

海洋酸化的另一可能影响是有害藻华事件增加，而会导致鳀鱼和贝类等小型生物体中的毒素（软骨藻酸（英语：domoic acid）、短尾藻毒素（英语：Brevetoxin）、石房蛤毒素）累积，进而增加遗忘性贝类中毒（英语：amnesic shellfish poisoning）、神经毒性贝类中毒（英语：neurotoxic shellfish poisoning）及麻痹性贝毒的发生率。[125]藻华可能有害，但其他有益的光合生物可能会受益于二氧化碳水平增加。最重要的是海草将从中受益。[126]研究发现由于海草光合作用活性增强，生物钙化藻类的速率也会上升，这可能是因为局部光合作用活性吸收二氧化碳，并提提升局部的pH值。[126]

鱼苗 编辑

海洋酸化也会对海洋鱼类的幼鱼产生影响，例如嗅觉系统，这是它们早期发展中很关键的部分。海葵双锯鱼幼鱼主要生活在被植物包围的海洋珊瑚礁中。[108]而已知幼鱼会利用嗅觉来分辨被植物包围的珊瑚礁和未包围的之间的差异。[108]这种幼鱼需此类能力以找到适合其生长的区域。海鱼嗅觉系统的另一用途是区分其父母和其他成鱼，以避免近亲繁殖。

在一实验性水族馆中，海葵双锯鱼被饲养在pH值8.15 ± 0.07的的海水中（与我们目前海洋的pH值相似）。[108]为测试不同pH值的影响，将海水的pH值做两种修改，与预测未来大气二氧化碳水平的气候变化模型对应。[108]模型预测在2100年的二氧化碳浓度可能为1,000ppm（会达到7.8 ± 0.05pH值的程度）。

实验显示当由于暴露于7.8 ± 0.05的pH值海水中时，它们对环境讯号的反应与处于当前海洋pH值水平时的反应截然不同。[108]于前者海水中，鱼苗对任何提示均无反应。但一项于2022年发表的统合分析，发现已发表的测试海洋酸化对鱼类行为影响的研究，其效应值在过去十年中已下降一个数量级，且在过去五年中的效应值已低到可忽略不计。 [127]

鳗鱼胚胎是种"极危物种"物种，[128]也受到海洋酸化的影响，[129]特别是欧洲鳗鲡。虽然其一生大部分的时间都在淡水中度过（通常是在河流、溪流或河口），但它们会在马尾藻海产卵后死亡。欧洲鳗鲡关键生命阶段之一于此地经历海洋酸化的影响。

鱼类胚胎和幼苗通常比成鱼对pH值变化更为敏感（因其对pH值的调节尚未完全发育）。[130]欧洲鳗鲡胚胎因此更容易受到马尾藻海pH值变化的影响。 于2021所进行的一项研究，发现在生理反应能力有限的早期生命史阶段，暴露于预测的本世纪末海洋pCO2条件将会影响该物种在自然界中的正常发育，而极端酸化会对孵化条件下的胚胎生存和发育产生负面影响。[131]

酸化、升温和低氧的复合效应 编辑

更多信息：气候变化对海洋的影响和海洋低氧现象
 
往赤道方向吹的风把氧气最低带（英语：oxygen minimum zone）的含低溶解氧、高营养及高溶解无机物（英语：dissolved inorganic carbon）的海水透过上升流，导致浅海区沿岸和大陆棚区域的pH值降低。[132][133]

大量研究的结果显示海洋酸化和海洋温度升高，对海洋生物和海洋环境产生复合式的影响。这种影响远超过两者个别影响的加总。[134]此外，海洋变暖以及二氧化碳水平升高导致浮游植物生产力增加，加剧海洋低氧。海洋低氧是其中生物的额外压力源，会增加海洋分层（英语：ocean stratification），而随着时间演进，会限制不同海水层间营养物质交换，并降低生物梯度。[135][136]

已有统合分析将海洋酸化、暖化和脱氧对海洋造成有害影响的方向和程度进行量化。[137][138]这些分析已经由模拟生态系统（英语：mesocosm）研究更进一步测试，研究模拟这些压力源的相互作用，并发现会对海洋食物网造成的灾难性影响：纵然海中二氧化碳增加可能会增加海中植物的初级生产力，但因为热压力对于海中植食性动物的压力更大，而把此种效益抵销。[139][140]

对经济和社会的影响 编辑

海洋酸度增加后会减缓水中的生物钙化速度，导致珊瑚礁规模变小且生长缓慢，而珊瑚礁有支撑大约25%的海洋生物的功能，.[141][142]所产生的影响是既深又远 - 从渔业和沿海环境一直到海洋最深处。[17]海洋酸度增加不仅导致珊瑚死亡，也摧毁依赖珊瑚礁所支持的各种海洋居民的生计。[143]

渔业与旅游业 编辑

海洋酸化产生的威胁也包括商业捕鱼和沿海旅游业的衰退。将来还可能会破坏多种海洋商品和服务，估计约有4至8亿人的生计受到影响，取决于温室气体排放情景。[81]

全球约有10亿人完全或部分依赖珊瑚礁提供的渔业、旅游业和沿海管理服务。海洋持续酸化将会威胁未来与海洋相关的食物链。[8][9]

北极 编辑

于北极海域的商业捕鱼受到酸化威胁。从根本上威胁此地区的食物网。此地食物网属于简单型，从小型生物到大型掠食者中只有很少的步骤。例如翼足目动物是"许多高等掠食者 - 如大型浮游生物、鱼类、海鸟、鲸 - 的主要猎物"。[144]翼足类和蛇尾都是重要的食物来源，将其从简单的食物网中移除，会对整个生态系统构成严重威胁。位于食物网底层的生物钙化生物受到负面影响，渔业也会受到破坏。

美国商业捕鱼 编辑

 
一只于美国罗德岛州附近海域中的成年美洲螯龙虾。

美国商业捕鱼的2007年产值为38亿美元，其中73%来自生物钙化动物及其直接捕食者。[145]美洲螯龙虾、北极蛤和扇贝生长受到影响，表示可供销售和消费的数量也会减少。[146]阿拉斯加帝王蟹捕捞也受到严重威胁，因为螃蟹也是生物钙化动物。当幼年阿拉斯加帝王蟹暴露在酸化程度较高的环境时，95天后的死亡率达到100%。[147]美国于2006年允许捕捞的阿拉斯加帝王蟹配额占螃蟹捕捞总量的32%，大量销往日本与加拿大，当数量减少后，会有重大的经济后果。[148]

可能的反应 编辑

气候变化缓解 编辑

主条目：气候变化缓解、二氧化碳移除和碳截存

减少二氧化碳排放（即缓解措施）是解决海洋酸化的唯一解决方案。而一些缓解措施着重于由大气中移除二氧化碳（CDR）（例如直接空气捕获（DAC）、生物能源与碳捕获和储存（BECCS））。如此做也可减慢酸化速度。

从海洋中去除二氧化碳的方法包括海洋施肥（英语：Ocean fertilization）、人工上升流/下降流、海藻养殖（英语：Seaweed farming）、生态系统复育、增强海洋碱性、增强风化和电化学过程。[149]:12-36 这些方法都是利用海洋以移除来自大气的二氧化碳，并将其储存在海洋中。这些方法可帮助缓解气候变化，但可能会对海洋生物产生副作用。所有二氧化碳移除方法的研究自2019年起都有很大进展。[80]

总体上"基于海洋的方法具有每年去除1-100吉吨二氧化碳的潜力"。[150]:TS-94估计成本约为每吨二氧化碳40-500美元。例如增强海中风化作用每年可去除2-4吉吨二氧化碳，成本估计为每吨二氧化碳50-200美元。[150]:TS-94

添加碱性的除碳技术 编辑

参见：碳截存 § 添加碱以中和酸

一些碳移除技术会为海洋添加碱性，此法可立即缓冲pH值变化，对于实施区域中的生物有益。其中两种是海洋碱性增强和电化学方法。[80]但由于扩散作用，对远处水域的影响将会将非常小，这也是称其为"局部海洋酸化缓解"的原因。这两种技术都具有可大规模运作，并有效去除二氧化碳的潜力。[80]:Table 9.1但价格昂贵，也存在许多风险和副作用，目前技术成熟度较低。[149]:12-36

海洋碱性增强 编辑

海洋碱性增强（OAE）是一种"涉及在海洋表面沉积碱性矿物质或其分解产物以移除二氧化碳的方法"。[151]:2241此过程会增加海洋表面层总碱性，将有助于增加海洋对二氧化碳的吸收。此过程涉及透过采用岩石（硅酸盐、石灰石和氧化钙）的加速风化来增加碳酸氢盐的数量。[80]:181过程模仿硅酸盐-碳酸盐循环。 二氧化碳或变成碳酸氢盐，并以此形式保留100多年，或是沉淀为碳酸钙。当碳酸钙埋藏在深海中时，可无限期将碳保留。

增强风化是海洋碱性增强方法中的一种。此法透过洒下细小的岩石颗粒来增加碱性。可在陆地和海洋上实施（最终均会影响海洋）。

添加碱性除能封存二氧化碳外，还可以缓冲海洋的pH值，降低海洋酸化。但由于人们对生物体如何应对增加的碱性（即使是天然来源的碱性物质）知之甚少。[80]例如一些硅酸盐岩石的风化可能会在风化所在释放大量的微量金属。

海洋碱性增强行动（采矿、粉碎、运输）与其他二氧化碳移除技术相比，所需的成本和能源较高。[80]估计直接向海洋添加碱性矿物质，移除每吨二氧化碳的成本为20-50美元。[149]:12-50

实验用的碱性材料包括石灰石、水镁石、橄榄石和碱性溶液。另一方法是在海水淡化过程中使用电力以提高碱性，以捕获水中的二氧化碳。[152]

电化学方法 编辑

电化学方法(或称电解法）可直接从海水中去除二氧化碳。[80]电化学过程也是海洋碱性增强的一种。有些方法着重于直接去除二氧化碳（以碳酸盐和二氧化碳气体的形式），而有些方法则利用沉淀金属氢氧化残留物来增加海水的碱性，以吸收二氧化碳。由此过程中产生的氢气可经分离，做能源使用，或是制成如盐酸的产品。

然而实施电解碳捕获成本昂贵，所消耗的能源也较高。[80]评估此过程对环境影响的研究正在进行中。一些影响，包括废水中存有毒化学物质以及废水中溶解无机碳数量减少，都会对海洋生物产生负面影响。[80]

政策和目标 编辑

 
参与人民气候大游行（2017年）（英语：People's Climate March (2017)）的示威者要求为克服海洋酸化采取行动。

全球政策 编辑

当人们对海洋酸化的认识不断增强之后，目的在加强对此监测的政策也被制定。[153]法国籍海洋科学家让-皮埃尔·加图索（英语：Jean-Pierre Gattuso）曾在2015年表示，"在先前的气候谈判中，海洋问题仅受到最低限度的关注。我们的研究结果为2015年联合国气候峰会（于巴黎举行）上提供令人信服的论点，而促进彻底变革"。[154]

国际间合作，例如《联合国卡塔赫纳公约（UN Cartagena Convention）》（1986年生效），[155]在加强对高度脆弱地区地方政府提供的支持非常重要。许多国家，例如太平洋岛屿国家和领土制定有区域政策，或国家海洋政策、国家行动计划、国家调适行动计划以及气候变化和减少灾害风险联合国家行动计划，以帮助实现永续发展目标 14。现在开始根据这些框架来应对海洋酸化的影响。[156]

联合国海洋十年计划 编辑

联合国海洋十年（UN Ocean Decade，2021年-2030年）计划之下有一个名为"研究海洋酸化，促进永续发展"（OARS）的项目，是由全球海洋酸化观测网络（GOA-ON）及其合作伙伴提出，并已被正式批准为联合国海洋十年科学促进永续发展中的一项。[157][158]OARS以GOA-ON的工作为基础，其目标如下： 进一步发展海洋酸化科学、增加海洋化学变化的观测、确定对当地和全球的海洋生态系统的影响，并为决策者提供缓解和适应海洋酸化所需的资讯。

全球气候指标 编辑

海洋酸化的重要性体现在其被纳入七个全球气候指标之一。[159]这些指标是一组描述气候变化的参数（而非将气候变化简化为仅有气温升高一项）。指标包括气候变化最相关领域的讯息：气温和能源、大气成分、海洋和水以及冰冻圈。全球气候指标是于全球气候观测系统（英语：Global Climate Observing System） (GCOS)的工作过程中，于1992年由科学家和气候传播专家共同确定。[160]此指标已获得世界气象组织（WMO）的认可。指标构成WMO年度全球气候状况声明的基础，这项声明已提交给联合国气候变化纲要公约 (UNFCCC) 缔约方会议 (COP)。此外，欧盟执行委员会的哥白尼气候变化服务（C3S）将这些指标用于其年度发布的"欧洲气候状况"报告中。

永续发展目标 14 编辑

联合国于2915年通过《2030年议程》和17个永续发展目标（SDG）系列，其中包括一个专门针对海洋的目标 - 永续发展目标 14，[10]呼吁"为达到永续发展而保护和永续利用海洋及其中资源"。永续发展目标 14.3直接针对海洋酸化问题提出处理建议。目标 14.3的完整标题是："最大限度减少和解决海洋酸化的影响，包括透过加强各级科学合作"。[161]此目标有一个指标：指标 14.3.1要求"在商定的一组代表性采样站测量的平均海洋酸度（pH）"。[162]

联合国教科文组织之下的政府间海洋学委员会（IOC）被指定为永续发展目标 14.3.1指标的托管机构。IOC-UNESCO的任务是制定永续发展目标 14.3.1指标方法，每年收集目标指标的数据并向联合国报告进展。[163][164]

国家层级的政策 编辑

美国 编辑

美国于2009年通过《联邦海洋酸化研究和监测法案》支持政府机构例如美国国家海洋暨大气总署（NOAA）的"海洋酸化计划"。[165][166]美国国家环境保护局（EPA）于2015年驳回一项公民要求EPA根据1976年有毒物质控制法案（英语：Toxic Substances Control Act of 1976）以监管二氧化碳的请愿（目的为减轻海洋酸化）。[167][168]EPA在驳回中说明海洋酸化带来的风险正透过国内行动（例如巴拉克·奥巴马颁布的总统气候行动计划（英语：Presidential Climate Action Plan））而得到"更有效率、更有效果解决"酸化的风险，同时政府正寻求多种途径与其他国家合作，加上各国内部也在自行努力，以减少温室气体排放和森林砍伐，促进使用清洁能源和增进能源效率。[169]

历史 编辑

对海洋酸化的研究以及对该问题的意识升高已经持续几十年。基础研究始于1909年丹麦化学家瑟伦·索任生创建的酸碱值衡量单位（pH值）。[170]到1950年代左右，海洋发挥吸收化石燃料二所产氧化碳的巨大作用已为专家所知，但未得到更广泛的科学界重视。[171]在整个20世纪中的大部分，人们的焦点一直是海洋吸收二氧化碳的有益部分（显著改善气候变化）。 "好事多到过了头"的概念较迟经由一些关键事件引发才发展出来，而海洋作为多余热量和二氧化碳储存库，以应对气候变化的重要缓冲仍然发挥关键作用。[171]

到1970年代初，有关海洋中长期累积二氧化碳而造成的问题已在世界各地出现，而引起激烈的争论。研究人员对燃烧化石燃料，造成二氧化碳在大气和海洋中累积提出评论，并提请人们注意对海洋生物可能造成的影响。到1990年代中期，随着大气中二氧化碳浓度急剧上升，导致海洋中pH值和碳酸根离子不可避免的变化，成为关注珊瑚礁命运科学家们所担忧的焦点。[171]

到20世纪末，海洋已吸收全球变暖约90%的热量，与燃烧化石燃料累积排放二氧化碳的50%，对海洋生物的影响也变得越来越重要，其间的权衡取舍变得更为清晰。至2003年，在筹划2004年于巴黎召开"首届高二氧化碳世界海洋研讨会（First Symposium on the Ocean in a High-CO2 World）"之时，全球已有许多有关海洋酸化的新研究成果被发表。[171]

国际科学院伙伴（英语：InterAcademy Partnership）成员于2009年呼吁世界领导人"认识到减少大气中二氧化碳累积是缓解海洋酸化中唯一可行的解​​决方案"。[172]该声明也强调"重振行动，减少对海洋生态系统的过度捕捞和污染等压力因素，以增强海洋酸化的韧性"的重要性。[173]

例如于2010年所做的研究发现，仅在1995年至2010年的15年期间，从夏威夷到阿拉斯加的太平洋上层100米的酸度就已增加6%。[44]

根据NOAA局长简·卢布琴科（英语：Jane Lubchenco）于2012年7月发布的声明，"地表水体的变化比最初所做的估计要快得多。这是我们对存在大气中二氧化碳的数量非常担心的另一原因。而人类仍在持续排放中。"[174]

于2013年所做的一项研究发现海洋酸度增加的速度比地球史上发生的任何进化危机时期的都要快上10倍。[175]

"第三届高二氧化碳世界海洋研讨会"于2012年在美国加利福尼亚州蒙特瑞举行。会议发表的政策制定者摘要指出"海洋酸化的研究工作正在迅速发展"。[89]

于2015年，22位领先海洋科学家在英文学术期刊《科学》杂志上发表的综合报告中表示燃烧化石燃料产生的二氧化碳正以比二叠纪—三叠纪灭绝事件（又称大死亡，为地球上已知最严重的灭绝事件）以来的任何时候都更快将海洋的化学成分改变。[154]报告强调各国政府商定仅将全球变暖升温控制在2 °C之内，明显的是温室气体排放量削减幅度不够，无法阻止其对世界海洋的"巨幅影响"。[154]

参见 编辑

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外部链接 编辑

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