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环境科学前沿 海洋酸化综述doc
发布时间: 2019-08-11 来源:阿诚 点击次数:
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  环境科学前沿海洋酸化综述环境科学前沿综述姓名:苏剑钟学号:学院:环境与生态学院海洋酸化的生态危害研究进展学生:苏剑钟学号:摘要:目前海洋酸化已经使海水表层PH值降低了。海水酸性的增加会改变海水的种种化学平衡使多种海洋生物乃至生态系统面临巨大威胁。本文将从生物钙化、生物光合、其它生物地球化学过程三个角度介绍海洋酸化对生态系统的影响和一些中外科研工作者对海洋酸化现象的研究成果并对研究前景进行了展望。关键词:海洋酸化生态效应钙化作用光合作用、前言大气中CO体积分数持续升高,导致海洋吸收CO(酸性气体)的量不断增加,海水pH值下降,这种由大气CO体积分数升高导致的海水酸度增加的过程被称为海洋酸化。工业革,,命前年间大气PCO的变化范围为到μmolmol。工业革命以来人类,,活动导致CO的大量排放到年大气CO浓度已达到μmolmol并以每年约,,的速度增加。海洋占地球表面积的它在生物地球化学循环、维持生物多样性和保障数亿人口生存等方面扮演着重要角色。海洋吸收了约的人类排放二氧化碳。海洋对CO的吸收减缓了大气CO浓度上升的趋势但不断增加溶入的CO使海水pH值降低并改变海水的二氧化碳碳酸盐体系:使得海水中H、CO和HCO浓度增加CO浓度降低。根据已得到的测量结果及对海洋化学研究的认识海洋吸收的CO已经导致海洋表面的pH值下降了这相当于海水中氢离子(H)浓度上升了。如果人类活动产生CO量依旧如此持续到年海洋平均pH值将会比现在再降低即从现在的降到那时海水中H浓度是现在的倍。pH值比数十亿年来都要低或者说将进入非常极端的海洋环境。而这种状况将持续数千年直到海水中的CO浓度开始降低这无疑会给全球生物带来大灾难。因此加强海洋酸化对生物群落和生态系统的影响研究显得非常重要而迫切。本文中将介绍海洋酸化的影响和讲述一些中外科研工作者对海洋酸化现象的研究成果并对研究前景进行了展望。、海洋酸化对海洋生物和海洋生态系统的影响虽然有关海洋酸化对海洋生物和海洋生态系统影响的研究工作目前开展得有限,但影响是非常肯定的。海洋酸化改变了海水的pH值,使海水中溶解的CO(CO(aq))、碳酸氢根离子(HCO)和碳酸根离子(CO)浓度等发生变化,直接影响着海洋生物的生物功能,如光合作用、呼吸率、生长率、钙化速率、再生长及生物恢复速率等。部分生物因其独特的生理特征,可能对海洋酸化产生反应,甚至不适应,致使种群退化或灭绝。研究的方向海洋酸化及伴随的海水化学环境的变化对海洋生态系有着深远的影响。当前国际上关于海洋酸化的生态学效应研究集中在钙化固碳和光合固碳两个方面:珊瑚、翼足目、有孔虫、贝类等钙化生物首先对海洋酸化导致的CO浓度与碳酸钙饱和度降低的环境响应其次海水CO浓度的上升可能使浮游植物、大型海藻和高等海洋植物等初级生产者的生长收益有所提高。海洋钙化藻类(如大型的仙掌藻类、珊瑚藻类和浮游的颗石藻类)能同时进行钙化作用和光合作用其对海洋酸化的响应并不一致至今仍存在争议。光合固碳和钙化固碳分别代表着海洋的有机碳泵和碳酸盐逆泵其在海洋酸化下的变化关系到海洋的CO吸收能力深刻影响着全球碳循环体系与生态系统。钙化作用海洋酸化影响某些海洋生物的钙化过程,这些生物包括:珊瑚虫、软体动物、棘皮动物、有孔虫和含钙的藻类。钙化过程是这些海洋生物贝壳和骨架的形成过程,是珊瑚和软体动物外壳形成的必要条件。以下将从海洋酸化对珊瑚礁生态系统和其它海洋生物的影响来阐,,述生物钙化作用受酸化海水的影响。对造礁石珊瑚的影响造礁石珊瑚是珊瑚礁体的主要建造者(为其它珊瑚礁生物构建生境)也是海洋钙化生物的典型代表。目前关于海洋酸化对造礁石珊瑚的影响的研究多集中在钙化方面而对造石珊瑚其它生理活动过程和对珊瑚礁生态系统中其它生物群落的影响目前还知之甚少。礁研究表明当大气中CO浓度加倍时(μLL)海水pH值将会比现在再下降鹿角,,珊瑚和滨珊瑚等几种造礁石珊瑚的钙化率将分别下降而造礁石珊瑚的光合作用效率却可能变化不显著。,,Marubini等采用一种造礁石珊瑚(Poritescompressa)进行的模拟实验表明与冰川时期相比到年造礁石珊瑚的钙化率将下降即使与现在相比到年造礁石珊瑚的钙化率仍将下降。共生藻吸收光能和营养盐进行光合作用为珊瑚体提供其代谢所需营养物质和能量的以上。正是由于共生藻的这种供给珊瑚才能够维持较高的钙化率。研究表明海洋酸化可能导致造礁石珊瑚白化使珊瑚,虫黄藻共生体系受到破坏。但是目前关于造礁石珊瑚钙化活动与光合作用之间的相互关系还存在较大争议在海洋酸化背景下珊瑚,虫黄藻共生体系将会受到怎样的影响还需要更多的实验研究。,,珊瑚藻(Corallinealga)对造礁石珊瑚幼体附着起着非常关键的作用但其对海洋酸化很敏感以现有的海水酸化趋势计算大部分珊瑚藻将在未来二三十年内消失。因此海洋酸化对珊瑚有性繁殖过程将有可能造成重大影响。另外在全球变化和人类活动的影响下造礁石珊瑚死亡以后为大型藻类入侵留出了空间。大型藻类的附着生长制约了珊瑚繁殖和生长因为藻类会与珊瑚竞争光和生存空间而且它们还会释放化学毒素阻止其它生物附着。目前就海水酸化对造礁石珊瑚的实验结果而言存在着容易导致混乱的两个方面:()海洋酸化本身对珊瑚虫不构成致命的影响。实验表明某些种类的珊瑚体能够在较低pH值条件下存活即使此时其净钙化为负或零因此珊瑚虫可以在较高PCO条件下生存。所以并不是所有的生理过程都直接受海洋酸化的胁迫要区分具体的过程和作用强度。造礁石珊瑚以及其它海洋生物对海洋酸化的响应存在着较大的种间差异性导致某些同类实验之间的可比性很差。采用不同的实验品种得出的结论差异可能很大若不加以区分将导致相互矛盾的假象。因此在进行相关研究分析的时候需要注意实验对象和实验方法的一致性。海洋酸化促进珊瑚礁系统的溶解现象海洋酸化不仅能导致珊瑚礁系统中钙化生物钙化率的降低还会促进珊瑚礁系统内的溶解现象。研究表明即使是在健康的珊瑚礁区溶解现象也是伴随钙化同时发生的只是由于钙化率大于溶解率整个礁区通常表现为净钙化。但是随着海洋酸化的加剧珊瑚礁的溶解速率不断升高当溶解速度达到或超过其钙化速度某些珊瑚礁将可能出现负生长。此类现象在一些退化的边缘礁上已经被观测到了。例如Suzuki等人在日本西南,,部海域通过对野外珊瑚礁的观测发现珊瑚礁在夜间有净溶解现象。Gattuso等人观测了一个由于受全球变化和人类活动影响而转变成“藻礁”(Algaedominatedreefs)的边缘礁(Moorea)发现整个礁体在以(mmolm,d,的速度溶解。Walter和Burton在海岸潮间带也作了类似的实验发现此珊瑚礁体在以(mmolCaCOm,d,速度溶解。在大洋区珊瑚礁上发生的溶解现象一般是较微弱的但是在海岸带附近的溶解现象则较剧烈。所以随着海洋酸化的加剧某些不健康的珊瑚礁将首先出现净溶解现象。而健为康的珊瑚礁能够在一定程度上抵消溶解量推迟净溶解状态到来的时间。但是已有大量模拟实验(如“生物圈号”的实验)结果表明当大气中CO浓度达到μLL时全球大部分珊瑚礁海域水体文石饱和度将下降到以下。届时即使是健康的珊瑚礁其溶解速率和钙化速率将大致相等全球范围内的珊瑚礁将面临着从净增长的状态向净损耗状态的转变。海洋酸化对其它生物的影响海洋酸化也导致翼足目生物的骨架不稳而难以生存,部分有孔虫身体的外壳变薄,棘皮动物的生长受到严重影响。有关海洋酸化对海洋生物的毒性效应,但有证据证明这些影响都将会发生。海水pH值的变化会改变海洋生物对营养盐、微量元素和微量有机物的利用率海洋酸化有可能既影响营养盐和碳循环的化学过程,也影响其循环的生物过程,改变某些海洋藻类的固氮速率若干痕量金属的化学性质因pH值的变化而改变,海洋生物因而更容易或更难利用这些物质一些鱼类会受到酸雨症导致的pH值下降的威胁,酸雨症使鱼类体液中的碳酸增加而导致鱼类死亡。血碳酸过多症也是鱼类生存的威胁因素。海水pH值下降,海胆体内的酸基平衡将会受到干扰,导致海胆的死亡。头足类生物因海水中CO的质量分数上升,游泳时需要非常高浓度的氧气以补充身体所消耗的能量。海洋酸化改变了海水的化学环境,影响海洋生物种群变化,改变了海洋生物种群间竞争的条件,进而引起海洋食物网效应。海水中溶解CO(CO(aq))和碳酸氢盐离子的质量分数升高,会使海洋浮游植物种群结构发生变化,打破海洋生态系统中种群群落的平衡,海洋食物链受到影响,导致海洋生物群落结构、生物多样性发生重大变化,致使整个海洋生态系统受到重大影响。最终致使那些不受海洋酸化直接影响的生物,也会受食物供应、竞争者或掠食者的间接影响。光合作用固碳大气CO浓度上升对陆地植物光合固碳的影响已经得到了有效的研究短期内CO浓度升高有利于植物通过光合作用将CO转化为有机物从而促进植物的生长发育且对C植,,促进作用更明显物的。海洋酸化会导致浮游植物初级生产力增加同时其消耗的碳氮比也会增加。围隔生态系统的CO加富实验结果表明p(CO)为μmolmol时相比μmolmol下d内浮游植物群落多消耗了的无机碳浮游植物消耗的碳氮比从升高到形成碳的过度消耗。这种增加的碳消耗可能与溶解有机碳(DOC)的分泌有关且可能导致海水中透明胞外聚合物颗粒(TEP)浓度增加进而促进向混合层以下的碳输送。不,,同藻种CCMs效率和调节机制的不同对大气CO增加的响应不同。Rost等对种赤潮藻中肋骨条藻、球形棕囊藻和赫氏圆石藻进行研究发现中肋骨条藻和球形棕囊藻具有高效的CCMs调控机制其中中肋骨条藻对HCO,的依赖性随CO浓度的增加而增强球形棕囊藻则保持不变赫氏圆石藻对无机碳亲和力则较低。迄今为止检测的所有硅藻和球形棕囊藻等的光合固碳率在现今CO水平下处于或接近饱和状态而颗石藻光合固碳率明显受CO浓度升高的促进。CO浓度的变化还影响浮游植物的组成和营养盐的利用比率。Tortell,,等对赤道太平洋浮游植物群落进行CO加富实验发现p(CO)水平从μmolmol上升到μmolmol时硅藻丰度上升棕囊藻减少同时浮游植物消耗的氮硅比和氮磷比都降低。在低CO浓度环境下包括棕囊藻在内的纳米鞭毛藻通常会成为优势物种。Tortell,,等对南大洋浮游植物群落的研究中发现CO浓度增加会导致浮游植物生产力的增加并促进大型成链硅藻的生长。浮游植物是食物链的基础环节其组成结构的变化将直接影响它们的捕食者生存。同时浮游植物作为重要的初级生产者在全球碳循环中起着重要作用它们的生产力和组成结构的变化直接影响着海洋的碳存储能力。随大气CO浓度升高海水pH值下降可能会影响藻类的生理调节机制如营养代谢、细胞膜氧化还原与膜蛋白、电子传递等从而对藻类生长产生抑制。很多浮游植物种对海水pH值敏感且一些藻种的生长存在最优pH值高于或低于该值其生长都会受到抑制。另外光充足或过剩情况下藻类细胞因CO浓度上升导致CCMs运作能力下调而节省的能量不会补充藻类对光能的需,,求反而增加光能过剩引起的光抑制。Chen等对球形棕囊藻的研究显示高光强下球形棕囊藻的光化学活性和生长速率受酸化的削弱而在低光下酸化则促进了该藻的生。因此大气p(CO)升高情况下CO浓度升高有利于光合作用但也容易引起光胁长迫且伴随的酸化还会影响细胞的生理作用光合生物在海洋酸化下的响应则是正负效应的综合结果。钙化作用和光合固碳变化对钙化藻生长的影响也不明确。与光合作用不同自然条件下赫氏圆石藻的细胞分裂速率并不受碳限制颗石藻表面钙化的颗石粒起到保护细胞、逃避捕食等作用酸化下钙化率的减少和环境pH值的降低可能会影响颗石藻的,,细胞分裂速率Riebesell等和Engel等对赫氏圆石藻的研究显示了生长速率随CO浓度上升而下降但室内实验并没有得到类似结果。颗石藻钙化固碳量与光合固碳量的比值通常被称为PICPOC它是颗石藻碳代谢的重要特征很大程度上代表着海洋有机碳泵和碳酸盐逆泵的相对强弱影响着CO在海洋和大气间的流动。随着CO浓度的增加细胞光合固碳作用将受到促进同时碳酸盐饱和度的降低将抑制钙化作用(光限制条件下钙化作用不受影响)颗石藻单个细胞的PICPOC将降低。PICPOC的降低在室内单种培养和以赫氏圆石藻为优势群落的围隔生态实验中都得到了证实。颗石藻钙化作用和PICPOC的降低意味着沉降的无机碳和有机碳比率的减小从而增加上层海洋的CO储存浓度形浓度上升的负反馈。成对大气CO海洋酸化对其它生物地球化学过程的影响早在Redfield研究中人们就认识了海洋碳循环和主要营养元素氮(N)、磷(P)、硅(Si)的生物地球化学循环有着密切相关性。人类CO排放导致的海洋酸化不仅对碳循环有深远影响也影响着其它营养元素的地球化学循环。海洋氮循环受海洋酸化和CO富集影响比其它营养盐显著主要表现在固氮和脱氮作用增强及可能的硝化作用的减弱。磷(P)和硅(Si)循环受海洋p(CO)上升的直接影响并不显著但它们会间接地受到碳氮生物地球化学变化的影响。p(CO)的变化还可以通过影响微藻种群结构间接影响Si的吸收利用比如低p(CO)下微藻群落会从硅藻向棕囊藻转变。CaCO颗粒在携带POC穿越水层中起着主导作用对生物碳泵有显著贡献。假如浮游层的生物钙化在年以后下降不能被CaCO矿物颗粒带入深海的POC便会在中深层(m)累积并被细菌呼吸分解导致中深层的氧浓度显著降低这将危害海洋生物的生长。另外酸化条件下一些鱼类会因体液中碳酸增加(即血碳酸过多症)而死亡。研究表明提高CO浓度会导致日本琥珀鱼和褐牙鲆的死亡率上升。海洋酸化导致OH,和CO,离子浓度下降从而影响海水中金属的溶解性、吸附性、毒性和氧化还原过程。OH,和CO,通常会和二价、三价金属离子形成稳定的复合物预测到这个千年末海水OH,和CO,浓度将分别减少和。因此海洋酸化的持续发展必将引起金属离子的存在形态发生显著变化进而影响生物对金属离子的利用。模式种威氏海链藻、大洋海链藻、三角褐指藻和赫氏圆在高p(CO)条件下溶解Fe离子的生物可利用性降低当pH值石藻的室内试验显示从(降到(浮游植物群落对Fe的吸收平均降低。、如何减轻海洋酸化现象酸化现象的产生是人类活动生产出过多的CO导致的所以节能减排低碳环保是解决问题的根本途径。有一则报道称:荷兰瓦格宁根大学的研究人员最新研究发现,大规模栽培石莼(海莴苣)可帮助减轻海洋的酸化,并解决全球食物供给问题。专家计算出,一个万平方千米的海洋种植园就可为整个世界人口提供足够的蛋白质。并可将地中海的海水PH值提升十分之一。提升值似乎不大,但这对于中和海洋的酸度已经足够了。这个好消息给了我们一个思路是否能找到办法在生物圈物质循环中解决海洋酸化问题这有待人类科学家们去发现探索。、展望海洋酸化现已成变为严重的全球海洋环境问题,给海洋生态系统带来目前还无法准确评估的影响。而受影响的海洋生态系统的恢复又将是一个缓慢的过程,据目前的科学预测,可能需要数百年,甚至上千年。目前,各国有关海洋酸化的研究刚刚起步,对海洋酸化过程及其与全球气候变化相互影响的认识,还处在初期阶段。因此,我们需要开展海洋酸化对海洋生物各层级功能及生态系统的影响方面的研究,提高观测和评价的技术能力和水平,对受影响的海洋生态系统发生的相应变化及海水CO系统进行量化,尤其对海洋生物和海水化学性质的长期持久观测,建立数据分析模型,选择重点海域进行海水碳循环和受控试验,进行模拟与实验数据的对比分析,将是今后的主要研究任务。科研经费保障,观测仪器、实验设备和手段的技术突破,是开展海洋酸化研究,取得科研优势的支撑保障因素。由于海洋酸化问题的共性,国际海洋酸化研究的知识和资料共享,对中国加快海洋酸化研究的步伐不可或缺,因此,我们还要重视海洋酸化研究领域的广泛国际合作。开展海洋酸化研究,不仅具有重大的科学价值,同时还具有巨大的经济价值和社会价值。经过若干年后,海洋酸化研究水平领先的国家,有可能最先掌握治理海洋酸化的环境技术,这不仅可以有效地保护本国海洋生态环境,保护本国海洋经济免受或少受海洋酸化的影响,而且还有利于本国先进环境技术的出口,占据世界海洋酸化环境技术的市场。参考文献:,,KenCaldaria,MichaelEwicketAnthrop,ogeniccarbonandoceanpH,J,Nature,,,,,,,,,RavenJ,A,,FalkwhiskyP,G,,OceanicsinksforatmosphericCO,J,,PlantCellEnviron,,,,,,,KenCaldaria,Globaloceancarbonclimatology,ResultsfromGLODAP,J,GlobalBiogeochemicalCycles,,,,Orr,,Jamesc,Anthropogenicoceanacidificationoverthetwenty,firstcenturyanditsimpactoncalcifyingorganisms,J,Nature,,,,,,,,,RavenJ,A,Oceanacidificationduetoincreasingatmosphericcarbondioxide,M,RoyalSociety,London,UK,,NOAA,MonthlymeanatmosphericcarbondioxideatMaunaLoaObservatory,,Hawaii,,,http:érezM,RomeroJ,PotentialeffectofincreasedglobalCOavailabilityonthedepthdistributionoftheseagrassPosidoniaoceanica(L,)Delile:atentativeassessmentusingacarbonbalancemodel,BulletinofMarineScience,,():,,,GoiranC,AlMoghrabiS,AllemandD,JaubertJ,Inorganiccarbonuptakeforphotosynthesisbythesymbioticcoraldinoflagellateassociation,,Photosyntheticperformancesofsymbiontsanddependenceonseawaterbicarbonate,JournalofExperimentalMarineBiologyandEcology,,():,,,GruberN,KeelingCD,BatesNR,InterannualvariabilityintheNorthAtlanticOceancarbonsink,Science,,():,,,GonzálezDávilaM,SantanaCasianoJM,RuedaMJ,LlinásO,GonzálezDávilaEF,SeasonalandinterannualvariabilityofseasurfacecarbondioxidespeciesattheEuropeanStationforTimeSeriesintheOceanattheCanaryIslands(ESTOC)betweenand,GlobalBiogeochemicalCycles,,():,,,BrixH,GruberN,KeelingCD,InterannualvariabilityoftheupperoceancarboncycleatstationALOHAnearHawaii,GlobalBiogeochemicalCycles,,:GB,doi:,GB,