全球海洋告急-酸性的環(huán)境

　　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(guò)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(zhǎng)發(fā)育的能力。

　　撰文 斯科特.C.多尼(Scott C. Doney)

　　1956年，美國(guó)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(cè)定空氣和海洋中的二氧化碳含量，以便 “更清楚認(rèn)識(shí)到預(yù)知的大量工業(yè)生產(chǎn)的二氧化碳可能對(duì)未來(lái) 50年氣候產(chǎn)生的影響。”換句話(huà)說(shuō)，他們想指出如今的形勢(shì) 多么可怕。那個(gè)時(shí)候，他們不得不為這種觀(guān)測(cè)的重要意義而 辯護(hù)，在今天看來(lái)多么令人驚訝，但在當(dāng)時(shí)，科學(xué)家們還不 能肯定人類(lèi)排放的二氧化碳是否真正會(huì)在大氣中累積起來(lái)。 一些科學(xué)家認(rèn)為，二氧化碳將被海洋無(wú)害地吸收，或被陸地 上生長(zhǎng)的植物恰當(dāng)?shù)匚铡?/p>

　　雷維爾和他為開(kāi)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(shí)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(lái)源 地和沉積地，這樣的安排，會(huì)引起測(cè)定的結(jié)果不規(guī)律地變化。他們選擇的一個(gè)地點(diǎn)，幾乎遠(yuǎn)離任何人能夠到達(dá)的工 業(yè)活動(dòng)地與植物生長(zhǎng)地：南極;另一個(gè)地點(diǎn)則位于美國(guó)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(cè)活動(dòng)，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(méi)有南極洲那么遙遠(yuǎn)，它 見(jiàn)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(zhǎng)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(gè)月前的水平。因此，沒(méi)過(guò)多久， 科學(xué)界就認(rèn)識(shí)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(cè)還正確地表明，很大 部分二氧化碳最終會(huì)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(huì)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(zhēng)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(lèi)影響有多嚴(yán)重?

　　自工業(yè)革命開(kāi)始以來(lái)，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(gè)世紀(jì)的記錄，這極有價(jià)值，但是連貫 起來(lái)看，這段時(shí)間對(duì)評(píng)價(jià)現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，還是太短了。然而， 通過(guò)測(cè)定陷入冰芯中的空氣泡，科學(xué)家們已經(jīng)能夠獲得更 長(zhǎng)時(shí)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(lái)，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(kāi)始而飚升起來(lái)。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(lái)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(jiǎn)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(gè)中子，而不是通常的6個(gè)中子。化石燃料 中，兩種穩(wěn)定碳同位素(碳12和碳13)的比例也是獨(dú)一無(wú)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(méi)有人能夠懷疑二氧化碳增加量從何而 來(lái)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(kù)，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(duì)較小。因此，檢測(cè)和量化二氧化碳吸收情況，要求 特別精確的測(cè)量，至少達(dá)到千分之一的精度。此外，各個(gè) 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(zhǎng)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(kāi)展了這方面的 工作，作為二氧化碳全球評(píng)價(jià)的組成部分，而全球評(píng)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(gè)項(xiàng)目承擔(dān)。

　　然而，那些調(diào)查本身并沒(méi)有確定：在測(cè)定的碳中，哪 部分是自然產(chǎn)生的，哪部分是人類(lèi)排入大氣的。1996年， 尼古拉斯·格魯伯(Nicolas Gruber)(目前在美國(guó)加利福尼亞 大學(xué)洛杉磯分校)和他的兩個(gè)同事開(kāi)發(fā)了一種創(chuàng)新技術(shù)，以 區(qū)分二氧化碳的來(lái)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(kāi)始以來(lái)，海洋足足吸收了排放到大氣中的化 石碳的一半。

　　證明這個(gè)過(guò)程的另一種方法，即是重復(fù)測(cè)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(lái)源碳 仔細(xì)區(qū)分開(kāi)來(lái)，而且觀(guān)察時(shí)間跨度必須為10年或更久，才 能揭示化石燃料燃燒對(duì)自然變化背景產(chǎn)生影響的總體趨 勢(shì)。去年，在美國(guó)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(wàn)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(gè)月時(shí)間來(lái)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(kāi)始， 到赤道附近結(jié)束。

　　1989年，當(dāng)我還是研究生時(shí)，我就和其 他科學(xué)家一起對(duì)這個(gè)區(qū)域進(jìn)行過(guò)初次測(cè)試。

　　我們比較了2005年的 觀(guān)測(cè)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(guò)去要高，這與海洋一直吸收大 氣二氧化碳的觀(guān)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(lèi)似的傾向。那么，這種變化對(duì)海洋環(huán)境究 竟預(yù)示著什么呢?

　　海洋化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

　　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(shí)。但是請(qǐng)耐心聽(tīng)我說(shuō)，這并沒(méi)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(shí)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?chē)蝿?dòng)。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(lèi)溶解和離解的一個(gè)簡(jiǎn)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(lái)進(jìn)行 量化。pH值下降一個(gè)單位，就相當(dāng)于氫離子濃度提高到原 來(lái)的10倍，讓水的酸性更強(qiáng);而pH值上升一個(gè)單位，就相 當(dāng)于氫離子濃度下降為原來(lái)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(lái)，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(lèi)立即大幅度削減對(duì)化石燃料需求，不然到2100年，海洋 pH值就將再下降0.3。在對(duì)更遙遠(yuǎn)的將來(lái)所進(jìn)行的大致預(yù) 測(cè)中，美國(guó)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(kāi)始的幾個(gè)世紀(jì)里，海洋pH值將比過(guò)去3億年里的任何時(shí)候都要低，這讓人憂(yōu)心忡忡。

　　pH值變動(dòng)看起來(lái)似乎很小，但是它們足以引起我們警 覺(jué)。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(lài)碳酸鹽離子來(lái)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(lái)自碳酸鈣，這令 人憂(yōu)慮。

　　乍看起來(lái)，這種擔(dān)憂(yōu)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?chē)顒?dòng)，甚至超過(guò)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(yōu)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(cè)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(zhǎng)。某些最為 豐富的生物可能會(huì)遭受同樣影響，其中包括叫做球石藻類(lèi) ( 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?dòng)——它們?cè)诖死贸湓５年?yáng)光進(jìn)行光合作用。其他重要例子是浮游生 物有孔蟲(chóng)( foraminifera，與阿米巴有關(guān))和翼足目軟體動(dòng)物 ( pteropod，小型海洋蝸牛)，這些微小的生物是魚(yú)類(lèi)和海洋 哺乳動(dòng)物(包括某些鯨類(lèi))的主要食物來(lái)源。

　　生物學(xué)家還擔(dān)心，珊瑚(coral)會(huì)遭受這種影響，它們 表面看起來(lái)像植物，但實(shí)際是小型動(dòng)物群，與?？?sea anemone)有親緣關(guān)系。它們過(guò)濾水中浮游生物，進(jìn)行采 食，并分泌碳酸鈣骨架，隨著時(shí)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(lèi)似珊瑚的藻類(lèi))也對(duì)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(yú)類(lèi)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(duì)各種各樣的環(huán)境壓 力，這些藻類(lèi)有時(shí)候離開(kāi)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(huì)因極度暖和而 發(fā)生。一些科學(xué)家猜測(cè)，海洋酸化(或者更恰當(dāng)?shù)卣f(shuō)，海洋堿性狀態(tài)的微微下降)往往促使這類(lèi)事件的發(fā)生。