酸化:全球海洋告急

珊瑚礁孕育了非同尋常的生物多樣性，但是它們都遭受多種力量的圍困，包括暴露于有毒化學(xué)物質(zhì)和承受直接物理破壞。更嚴(yán)峻的威脅是，化石燃料燃燒導(dǎo)致海洋化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，但這種危險(xiǎn)卻鮮為人知。如今，生產(chǎn)過程中所釋放的二氧化碳，其1/3都進(jìn)入了海洋，降低了自然狀態(tài)下呈堿性的pH值。這種向更具酸性的環(huán)境的轉(zhuǎn)變，似乎降低了珊瑚礁（以及許多其他海洋生物）生長發(fā)育的能力。

 撰文 斯科特.C.多尼（Scott C. Doney）

     1956年，美國加利福尼亞州斯克里普斯海洋研究所的地 球化學(xué)家羅杰?雷維爾(Roger Revelle)和漢斯?修斯(Hans Suess)指出，必須測定空氣和海洋中的二氧化碳含量，以便 “更清楚認(rèn)識到預(yù)知的大量工業(yè)生產(chǎn)的二氧化碳可能對未來 50年氣候產(chǎn)生的影響。”換句話說，他們想指出如今的形勢 多么可怕。那個時候，他們不得不為這種觀測的重要意義而 辯護(hù)，在今天看來多么令人驚訝，但在當(dāng)時，科學(xué)家們還不 能肯定人類排放的二氧化碳是否真正會在大氣中累積起來。 一些科學(xué)家認(rèn)為，二氧化碳將被海洋無害地吸收，或被陸地 上生長的植物恰當(dāng)?shù)匚铡?

     雷維爾和他為開展該項(xiàng)目而雇傭的年青研究人員、已 故的查爾斯?戴維?基林(Charles David Keeling)，意識到他 們必須在偏遠(yuǎn)地點(diǎn)安裝儀器，這些地點(diǎn)遠(yuǎn)離二氧化碳來源 地和沉積地，這樣的安排，會引起測定的結(jié)果不規(guī)律地變化。他們選擇的一個地點(diǎn)，幾乎遠(yuǎn)離任何人能夠到達(dá)的工 業(yè)活動地與植物生長地：南極；另一個地點(diǎn)則位于美國夏 威夷州莫納羅亞山頂上新建的氣象站。

     莫納羅亞山的監(jiān)測活動，從1958年一直持續(xù)到現(xiàn)在(其 間只有一次短暫的中斷)。夏威夷沒有南極洲那么遙遠(yuǎn)，它 見證了二氧化碳水平急劇升降的情況，二氧化碳水平升降與北半球植物生長季節(jié)同步；但是在每年末，這種溫室氣體的濃度總是高于它12個月前的水平。因此，沒過多久， 科學(xué)界就認(rèn)識到雷維爾是正確的――二氧化碳進(jìn)入大氣， 必定有許多留在那里。雷維爾的預(yù)測還正確地表明，很大 部分二氧化碳最終會進(jìn)入海洋，而且雷維爾很久以前就明 白，進(jìn)入海洋的二氧化碳會徹底改變海水的化學(xué)性質(zhì)。與 氣候變化的某些方面不同，這種效應(yīng)的真實(shí)性――本質(zhì)上 是海洋酸化(acidification)，這一點(diǎn)并不存在多少爭議，盡管 現(xiàn)在科學(xué)家還在繼續(xù)揭示海洋酸化的全面影響。

     人類影響有多嚴(yán)重？ 
     自工業(yè)革命開始以來，海洋已經(jīng)足足吸收了排放到大氣中的化石燃料碳的一半

     基林進(jìn)行了半個世紀(jì)的記錄，這極有價(jià)值，但是連貫 起來看，這段時間對評價(jià)現(xiàn)狀來說，還是太短了。然而， 通過測定陷入冰芯中的空氣泡，科學(xué)家們已經(jīng)能夠獲得更 長時間范圍的信息。根據(jù)這種自然檔案，科學(xué)家們了解 到，幾千年來，大氣二氧化碳濃度幾乎恒定不變，然后隨 著19世紀(jì)工業(yè)化開始而飚升起來。目前，二氧化碳比幾百 年前多了30%，而且，到本世紀(jì)末，還可能比以前的水平 提高一倍或兩倍。

     二氧化碳急劇增加，主要來源是燃燒化石燃料(fossilfuel)――煤炭、石油和天然氣(水泥生產(chǎn)和熱帶雨林燃燒也增加了一些二氧化碳，但是為了簡單明了，我們把這部分 二氧化碳忽略不計(jì))。與活體生物的成分不同，化石燃料幾 乎不含或根本不含放射性形式的碳――碳同位素碳14，碳 14的原子核有8個中子，而不是通常的6個中子?；剂?中，兩種穩(wěn)定碳同位素(碳12和碳13)的比例也是獨(dú)一無二 的。因此，化石燃料燃燒在大氣中留下了與眾不同的同位 素標(biāo)記，這樣，就沒有人能夠懷疑二氧化碳增加量從何而 來了。

      吸收率可能發(fā)生變化，化石燃料產(chǎn)生二氧化碳，現(xiàn) 在，其中40%留在大氣中；其余被陸地植被吸收或被海洋 吸收，目前兩者所占比例大體相同。海洋是巨大的自然碳 庫，因而到目前為止，進(jìn)入海洋的化石燃料二氧化碳增量 還相對較小。因此，檢測和量化二氧化碳吸收情況，要求 特別精確的測量，至少達(dá)到千分之一的精度。此外，各個 地區(qū)的二氧化碳數(shù)量相去甚遠(yuǎn)，要完成這項(xiàng)任務(wù)，就必須 投入資源，長期不懈地繪制全世界碳濃度圖。在20世紀(jì)80 年代后期和20世紀(jì)90年代，海洋學(xué)家嚴(yán)格開展了這方面的 工作，作為二氧化碳全球評價(jià)的組成部分，而全球評價(jià)則 由JGOFS(全球海洋通量聯(lián)合研究計(jì)劃)和WOCE(世界海洋環(huán) 流實(shí)驗(yàn))這兩個項(xiàng)目承擔(dān)。

     然而，那些調(diào)查本身并沒有確定：在測定的碳中，哪 部分是自然產(chǎn)生的，哪部分是人類排入大氣的。1996年， 尼古拉斯?格魯伯(Nicolas Gruber)(目前在美國加利福尼亞 大學(xué)洛杉磯分校)和他的兩個同事開發(fā)了一種創(chuàng)新技術(shù)，以 區(qū)分二氧化碳的來源。格魯伯把該方法用于分析JGOFS和 WOCE的所有數(shù)據(jù)，這項(xiàng)工作于2004年完成，結(jié)果表明， 自工業(yè)革命開始以來，海洋足足吸收了排放到大氣中的化 石碳的一半。

     證明這個過程的另一種方法，即是重復(fù)測量同一海域 的碳含量。人們必須將海洋中的化石碳與各種生物來源碳 仔細(xì)區(qū)分開來，而且觀察時間跨度必須為10年或更久，才 能揭示化石燃料燃燒對自然變化背景產(chǎn)生影響的總體趨 勢。去年，在美國海洋與大氣管理局大西洋海洋學(xué)與氣象 學(xué)實(shí)驗(yàn)室的里克?萬寧霍夫(Rik Wanningkhof)和我率領(lǐng)的一 次研究考察中，完成了這樣一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

     我們的科學(xué)調(diào)查船上有31位科學(xué)家、技術(shù)員和學(xué)生， 我們幾乎花了兩個月時間來抽樣檢驗(yàn)?zāi)洗笪餮笪鞑康奈锢?與化學(xué)性質(zhì)，調(diào)查范圍從海面到海底，從南極附近開始， 到赤道附近結(jié)束。1989年，當(dāng)我還是研究生時，我就和其 他科學(xué)家一起對這個區(qū)域進(jìn)行過初次測試。

     我們比較了2005年的 觀測結(jié)果和16年前的結(jié)果， 發(fā)現(xiàn)如今南大西洋上部幾百 米層面的碳濃度總體上比過去要高，這與海洋一直吸收大 氣二氧化碳的觀點(diǎn)相吻合。其他海洋學(xué)家發(fā)現(xiàn)，太平洋和 印度洋也存在類似的傾向。那么，這種變化對海洋環(huán)境究 竟預(yù)示著什么呢？

     海洋化學(xué)基礎(chǔ)知識

     解釋這些海洋狀況變化的影響，需要回顧一下某些基 礎(chǔ)化學(xué)知識。但是請耐心聽我說，這并沒有那么痛苦。二 氧化碳與水化合生成碳酸，就是碳酸飲料中的那種弱酸。 像所有酸一樣，碳酸向溶液中釋放氫離子(H+)，在這種情 況下，同時產(chǎn)生了碳酸氫根離子(HCO3-1)和更少的碳酸根離 子(CO3-2)，也在周圍游動。少部分碳酸留在溶液中，不發(fā) 生離解，少量二氧化碳也如此。因而，由此形成的碳化合 物與離子相當(dāng)復(fù)雜。

     所有這類溶解和離解的一個簡單結(jié)果，就是氫離子濃 度提高了，化學(xué)家通常用人們熟悉的pH值(pH scale)來進(jìn)行 量化。pH值下降一個單位，就相當(dāng)于氫離子濃度提高到原 來的10倍，讓水的酸性更強(qiáng)；而pH值上升一個單位，就相 當(dāng)于氫離子濃度下降為原來的1/10，讓水的堿性更強(qiáng)；中 性pH值(純水的pH值)為7。原始海水pH值為8～8.3，這就意 味著，在自然狀態(tài)下，海水略帶堿性。

     比起工業(yè)革命之前來，海洋吸收二氧化碳已經(jīng)導(dǎo)致現(xiàn) 代地球表面海水的pH值大約下降了0.1(堿性變?nèi)?。除非人 類立即大幅度削減對化石燃料需求，不然到2100年，海洋 pH值就將再下降0.3。在對更遙遠(yuǎn)的將來所進(jìn)行的大致預(yù) 測中，美國華盛頓卡內(nèi)基研究所的海洋學(xué)家肯?卡爾代拉(Ken Caldeira)指出，從現(xiàn)在開始的幾個世紀(jì)里，海洋pH值將比過去3億年里的任何時候都要低，這讓人憂心忡忡。

     pH值變動看起來似乎很小，但是它們足以引起我們警 覺。值得注意的是，最新實(shí)驗(yàn)表明，pH值變化可能危害某 些海洋生物――特別是危害依賴碳酸鹽離子來形成外殼(或 其他硬質(zhì)結(jié)構(gòu))的海洋生物，碳酸鹽離子來自碳酸鈣，這令 人憂慮。

     乍看起來，這種擔(dān)憂似乎自相矛盾。畢竟，如果海洋吸收的某些二氧化碳離解成碳酸鹽離子，人們就可以期望 有大量碳酸鹽離子在周圍活動，甚至超過其他方式可以得 到的量。盡管這種邏輯是站不住腳的，因?yàn)樗雎粤怂?已產(chǎn)生的氫離子的影響，氫離子往往與碳酸鹽離子化合， 形成碳酸氫鹽離子，因而最終結(jié)果是碳酸鹽離子濃度下 降。

     令人擔(dān)憂的是，pH值下降(從而導(dǎo)致碳酸鹽離子濃度 下降，根據(jù)預(yù)測可能在本世紀(jì)下降一半)將妨礙某些生物 形成碳酸鈣的能力，足以使這些生物難以生長。某些最為 豐富的生物可能會遭受同樣影響，其中包括叫做球石藻類 ( coccolithophorid)的浮游植物( phytoplankton)，它們被一小塊碳酸鈣覆蓋，常?？梢钥吹剿鼈兛拷Ｃ嬗蝿莹D―它們在此利用充裕的陽光進(jìn)行光合作用。其他重要例子是浮游生 物有孔蟲( foraminifera，與阿米巴有關(guān))和翼足目軟體動物 ( pteropod，小型海洋蝸牛)，這些微小的生物是魚類和海洋 哺乳動物(包括某些鯨類)的主要食物來源。

     生物學(xué)家還擔(dān)心，珊瑚(coral)會遭受這種影響，它們 表面看起來像植物，但實(shí)際是小型動物群，與海葵(sea anemone)有親緣關(guān)系。它們過濾水中浮游生物，進(jìn)行采 食，并分泌碳酸鈣骨架，隨著時間的推移，這些碳酸鈣骨 架累積而形成珊瑚礁(coral reef)，珊瑚礁位于海洋中生產(chǎn) 率最高和生物多樣性最強(qiáng)的生態(tài)系統(tǒng)之列。珊瑚藻(分泌 碳酸鈣并且常常類似珊瑚的藻類)也對大量珊瑚礁的酸化 產(chǎn)生了影響。例如澳大利亞海岸外的大堡礁(Great Barrier R e e f )――世界上最大的生物構(gòu)造，完全是珊瑚和珊瑚 藻一代一代累積的結(jié)果。不容易看到的例子發(fā)生在海洋 更深之處，那里冷水珊瑚群落點(diǎn)綴著大陸邊緣和海底山 (seamount)，形成重要的魚類棲息地。

     淺水珊瑚絢麗多彩，部分原因在于共生藻的作用。共 生藻生活在珊瑚細(xì)胞內(nèi)部，為了應(yīng)對各種各樣的環(huán)境壓 力，這些藻類有時候離開自己的寄主，將白色的碳酸鈣骨 架暴露在下面。例如，這種“漂白”事件會因極度暖和而 發(fā)生。一些科學(xué)家猜測，海洋酸化(或者更恰當(dāng)?shù)卣f，海洋 堿性狀態(tài)的微微下降)往往促使這類事件的發(fā)生。

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