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德国HYDRO-BIOS公司积分采水器在海洋酸化研究中的应用

类别:海水化学
海洋酸化
 
海洋酸化是指由于海洋吸收、释放大气中过量二氧化碳(CO2),使海水正在逐渐变酸。工业革命以来,海水pH值下降了0.1。海水酸性的增加,将改变海水化学的种种平衡,使依赖于化学环境稳定性的多种海洋生物乃至生态系统面临巨大威胁。

目 录  
1名词解释
2研究历史
3产生原因
4酸化危害
   4.1 浮游植物
   4.2 软体动物
   4.3 鱼类影响
   4.4 暴雨侵袭
   4.5 人类生计
   4.6 珊瑚或将消失

5防范措施
6摩纳哥宣言

1名词解释

海洋酸化即海水由于吸收了空气中过量的二氧化碳,导致酸碱度降低的现象。酸碱度一般用pH值来表示,范围为0-14,pH值为0时代表酸性最强,pH值为14代表碱性最强。蒸馏水的pH值为7,代表中性。海水应为弱碱性,海洋表层水的pH值约为8.2。当空气中过量的二氧化碳进入海洋中时,海洋就会酸化。科学家研究表明,由于人类活动影响,到2012年,过量的二氧化碳排放已将海水表层pH值降低了0.1,这表示海水的酸度已经提高了30%。预计到2100年海水表层酸度将下降到7.8,到那时海水酸度将比1800年高150%。

2研究历史

1956年,美国地球化学家洛根.罗维尔开始着手研究大工业时期制造的二氧化碳在未来50年中将产生怎样的气候效应。洛根和他的合作伙伴在远离二氧化碳排放点的偏远地区设立了两个监测站。一个在南极,那里远离尘嚣,没有工业活动,而且一片荒芜,几乎没有植被生长;另一个在夏威夷的莫纳罗亚山顶。50年来,他们的工作几乎从未间断。
洛根通过监测发现,每年的二氧化碳浓度都高于前一年,而且二氧化碳的浓度变化与北半球植物的生长季节的更替是同步的。这一观测结果让科学界很快认识到,洛根的担忧是正确的:被释放到大气中的二氧化碳不会全部被植物和海洋吸收,有相当部分残留在大气中。洛根还通过计算发现:被海洋吸收的二氧化碳数量非常巨大。
2012年,美国和欧洲科学家发布了一项新研究成果,证明海洋正经历3亿年来最快速的酸化,这一酸化速度甚至超过了5500万年前那场生物灭绝时的酸化速度。

3产生原因

海洋与大气在不断进行着气体交换,排放到大气中的任何一种成分最终都会溶于海洋。在工业时代到来之前,大气中碳的变化主要是自然因素导致的,这种自然变化造成了全球气候的自然波动。从工业革命开始,人类开采使用煤、石油和天然气等化石燃料,并砍伐了大量森林,至21世纪初,已经排出超过5000亿吨二氧化碳。这使得大气中的碳含量水平逐年上升。受海风的影响大气成分最先溶入几百英尺深的海洋表层,在随后的数个世纪中,这些成分会逐渐扩散到海底的各个角落。研究表明,在19世纪和20世纪,海洋吸收了人类排放的二氧化碳中的30%,并且仍在以约每小时一百万吨的速度吸收着。人类活动导致了海水的不断酸化。

4酸化危害

工业革命以来,人类活动释放的CO2有超过1/3被海洋吸收,使表层海水的氢离子浓度近200年间增加了三成,pH值下降了0.1。作为海洋中进行光合作用的主力,浮游植物的门类众多、生理结构多样,对海水中不同形式碳的利用能力也不同,海洋酸化会改变种间竞争的条件。
2003年,“海洋酸化”这个术语第一次出现在英国著名科学杂志《自然》上。到2005年,研究灾难和突发事件的专家詹姆斯·内休斯为人们进一步勾勒出了“海洋酸化”潜在的威胁。他的研究发现,距今5500万年前,海洋里曾经出现过一次生物灭绝事件,罪魁祸首就是溶解到海水中的二氧化碳,估计总量达到45000亿吨,此后海洋至少花了10万年时间才恢复正常得以渡过难关。
2012年3月,一支由美国、英国、西班牙、德国和荷兰21名研究人员组成的国际科学家团队在最新一期《科学》杂志上发表报告称,受人类排放温室气体的影响,地球正经历过去3亿年来速度最快的海洋酸化进程,超过历史上4次地球生物大规模灭绝时期,众多海洋生物因此面临生存威胁。

浮游植物

由于浮游植物构成了海洋食物网的基础和初级生产力,它们的“重新洗牌”很可能导致从小鱼小虾到鲨鱼、
巨鲸的众多海洋动物都面临冲击。此外,在pH值较低的海水中,营养盐的饵料价值会有所下降,浮游植物吸收各种营养盐的能力也会发生变化。而且,越来越酸的海水,还在腐蚀着海洋生物的身体,研究表明,钙化藻类、珊瑚虫类、贝类、甲壳类和棘皮动物在酸化环境下形成碳酸钙外壳、骨架效率明显下降。
由于全球变暖,从大气中吸收CO2的海洋上表层也由于温度上升而密度变小,从而减弱了表层与中深层海水的物质交换,并使海洋上部混合层变薄,不利于浮游植物的生长。

软体动物

一些研究认为,到2030年,南半球的海洋将对蜗牛壳产生腐蚀作用,这些软体动物是太平洋中三文鱼的重要食物来源,如果它们的数量减少或是在一些海域消失,那么对于捕捞三文鱼的行业将造成影响。

鱼类影响

海洋酸化会阻碍珊瑚礁的生长繁殖,并导致小丑鱼和小热带鱼智商下降。《美国国家科学院院刊》的最新报道:模拟了未来50~100年海水酸度后发现,在酸度最高的海水里,鱼仔起初会本能地避开捕食者,但它们很快就会被捕食者的气味所吸引──这是它们的嗅觉系统遭到了破坏。
实验表明,同样一批鱼在其他条件都相同的环境下,处于在现实的海水酸度中,30个小时仅有10%被捕获;但是当把它们放置在大堡礁附近酸化的实验水域,它们便会在30个小时内被附近的捕食者斩尽杀绝。

暴雨侵袭

海洋吸收温室气体造成的海水酸化,导致海中大陆架的珊瑚礁大量死亡,而这会造成低地岛国,如基里巴斯马尔代夫更容易为暴雨所侵害。

人类生计

据估计,在有些水域,海洋的酸度将达到贝壳都会开始溶解的程度。当贝类生物消失时,以这类生物为食的其他生物将不得不寻找别的食物,事实上人类将会遭殃。 
联合国粮农组织估计,全球有5亿多人依靠捕鱼和水产养殖作为蛋白质摄入和经济收入的来源,对其中最贫穷的4亿人来说,鱼类提供了他们每日所需的大约一半动物蛋白和微量元素。海水的酸化对海洋生物的影响必然危及这些人口的生计。

珊瑚或将消失

2013年3月,日本一个研究小组在新一期英国《自然·气候变化》杂志上发表报告说,海水酸化越严重,拥有坚硬骨骼并且能够制造珊瑚礁的珊瑚就越少,而柔软的海鸡冠则会增加。如果酸化过于严重,珊瑚在21世纪末就有可能消失。
研究小组发现,当海水pH值平均为8.1的时候,珊瑚生长状态最好。当pH值为7.8时,就变为以海鸡冠为主。如果pH值降至7.6以下,两者都无法生存。
天然海水的pH值稳定在7.9至8.4之间,而未受污染的海水pH值在8.0至8.3之间。海水的弱碱性有利于海洋生物利用碳酸钙形成介壳。
研究小组指出,海水pH值预计本世纪末将达7.8左右,酸度比正常状态下大幅升高,所以届时珊瑚有可能消失。

5防范措施

在2008年10月的国际海洋酸化研讨会上,与会科学家指出,海洋酸化的自然恢复至少需要数千年,遏制它的唯一有效途径就是尽快减少CO2的全球排放量。欧美等国正开始研究遏制海洋酸化的对策,中国也已将海洋酸化列入重点支持方向。
2009年8月13日,来自26国,逾150位科学家签署《摩纳哥宣言》(MonacoDeclaration),呼吁决策者将二氧化碳排放量稳定在安全范围内,以避免危险的气候变迁及海洋酸化等问题。

6摩纳哥宣言

2009年8月13日,超过150位全球顶尖海洋研究人员齐聚于摩纳哥,检视海洋酸化(ocean acidification )的最新信息,并藉由签署「摩纳哥宣言」(Monaco Declaration),对海洋酸化严重伤害全球海洋生态系统乙事表达关切。该宣言指出,海水酸碱值(pH levels)的急剧变化,比过去自然改变的速度快上100倍。而海洋化学物质在近数十年的快速改变,已严重影响海洋生物、食物网,生态多样性及渔业等。
该宣言旨在呼吁决策者将二氧化碳排放量稳定在安全范围内,以避免危险的气候变迁及海洋酸化等问题。倘若大气层的二氧化碳排放量持续增加,到了2050年时,珊瑚礁将无法在多数海域生存,因而导致商业渔业资源的永久改变,并威胁数百万人民的粮食安全。

7HYDRO-BIOS积分采水器在海洋酸化研究中的应用
积分采水器用于采集中型实验生态系中从表层到12米水深含有硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐等各种营养盐的混合水样,这些水样对后期生态系营养盐的研究有着非常重要的作用。

海洋酸化研究国际代表文献:
1.Edwin T.H.M. Peeters, Jean J.P. Gardeniers, Albert A. Koelmans,2000.Contribution of trace metals in structuring in situ macroinvertebrate community composition along a salinity gradient.Environmental Toxicology and Chemistry.19(4):1002-1010.
2.K. G. Schulz, R. G. J. Bellerby, C. P. D. Brussaard, J. Büdenbender, J. Czerny, A. Engel, M. Fischer, S. Koch-Klavsen, S. A. Krug, S. Lischka, A. Ludwig, M. Meyerhöfer, G. Nondal, A. Silyakova, A. Stuhr, and U. Riebesell,2012.Temporal biomass dynamics of an Arctic plankton bloom in response to increasing levels of atmospheric carbon dioxide.Biogeosciences Discussions.9:12543-12592.
3.Czerny, Jan, Schulz, Kai G., Boxhammer, Tim, Bellerby, R. G. J., Büdenbender, Jan, Engel, Anja, Krug, Sebastian, Ludwig, Andrea, Nachtigall, Kerstin, Nondal, G., Niehoff, B., Siljakova, A. and Riebesell, Ulf,2012.Element budgets in an Arctic mesocosm CO2 perturbation study.Biogeosciences Discussions.9 (8):11885-11924.
4.S. D. Archer, S. A. Kimmance, J. A. Stephens, F. E. Hopkins, R. G. J. Bellerby, K. G. Schulz, J. Piontek, and A. Engel,2012.Contrasting responses of DMS and DMSP to ocean acidification in Arctic waters.Biogeosciences Discussions.9:12803-12843.
5.Leu, E., Daase, M., Schulz, Kai G., Stuhr, Annegret and Riebesell, Ulf,2012.Effect of ocean acidification on the fatty acid composition of a natural plankton community.Biogeosciences Discussions.9 (7):8173-8197.
6.M. Sperling, J. Piontek, G. Gerdts, A. Wichels, H. Schunck, A.-S. Roy, J. La Roche, J. Gilbert, L. Bittner, S. Romac, U. Riebesell, and A. Engel,2012.Effect of elevated CO2 on the dynamics of particle attached and free living bacterioplankton communities in an Arctic fjord.Biogeosciences Discussions.9:10725-10755.
7.Kluijver, A. de,2012.Carbon flows in natural plankton communities in the Anthropocene.Geowetenschappen Proefschriften.1-118.
8.K. G. Schulz, U. Riebesell,2012.Diurnal changes in seawater carbonate chemistry speciation at increasing atmospheric carbon dioxide.Marine Biology.DOI 10.1007/s00227-012-1965-y.
9.J. Hua, W.H. Hwang,2012.Effects of voyage routing on the survival of microbes in ballast water.Ocean Engineering.42:165-175.
10."T. Tanaka, S. Alliouane, R. G. B. Bellerby, J. Czerny, A. de Kluijver, U. Riebesell6, K. G. Schulz,
A. Silyakova, and J.-P. Gattuso",2013.Effect of increased pCO2 on the planktonic metabolic balance during a mesocosm experiment in an Arctic fjord.Biogeosciences(BG).10:315–325.
11.A. de Kluijver, K. Soetaert, J. Czerny, K. G. Schulz, T. Boxhammer, U. Riebesell, and J. J. Middelburg,2013.A 13C labelling study on carbon fluxes in Arctic plankton communities under elevated CO2 levels.Biogeosciences(BG).10:1425-1440.
12.Czerny, Jan, Schulz, Kai G., Ludwig, Andrea and Riebesell, Ulf,2013.A simple method for air–sea gas exchange measurements in mesocosms and its application in carbon budgeting.Biogeosciences(BG).10 (3):11989-12017.
13.F. E. Hopkins, S. A. Kimmance1, J. A. Stephens, R. G. J. Bellerby, C. P. D. Brussaard, J. Czerny, K. G. Schulz, and S. D. Archer,2013.Response of halocarbons to ocean acidification in the Arctic.Biogeosciences(BG).10:2331-2345.
14.Czerny, Jan, Schulz, Kai G., Boxhammer, Tim, Bellerby, R. G. J., Büdenbender, Jan, Engel, Anja, Krug, Sebastian, Ludwig, Andrea, Nachtigall, Kerstin, Nondal, G., Niehoff, B., Silyakova, A. and Riebesell, Ulf,2013.Implications of elevated CO2 on pelagic carbon fluxes in an Arctic mesocosm study – an elemental mass balance approach.Biogeosciences(BG).10 (5):3109-3125.
15.R. Zhang, X. Xia, S. C. K. Lau, C. Motegi, M. G. Weinbauer, and N. Jiao,2013.Response of bacterioplankton community structure to an artificial gradient of pCO2 in the Arctic Ocean.Biogeosciences(BG).10, 3679–3689, 2013.
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