海洋化學(xué)進(jìn)展：講座5 海洋酸化

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1、海洋酸化海洋酸化Ocean Acidification海洋化學(xué)進(jìn)展海洋化學(xué)進(jìn)展講座講座5 5A Sea Change（2009）報(bào)告提綱報(bào)告提綱l 海洋酸化的概念海洋酸化的概念l 海洋酸化的認(rèn)識(shí)歷程海洋酸化的認(rèn)識(shí)歷程l 海洋酸化的化學(xué)機(jī)制與響應(yīng)海洋酸化的化學(xué)機(jī)制與響應(yīng)l 海洋酸化的生物學(xué)響應(yīng)海洋酸化的生物學(xué)響應(yīng)l 生物泵與碳酸鹽泵的反饋?zhàn)饔蒙锉门c碳酸鹽泵的反饋?zhàn)饔胠 海洋酸化的歷史記錄海洋酸化的歷史記錄大氣大氣CO2濃度變化濃度變化冰期冰期-間冰期變化速率：間冰期變化速率：10-2 ppm/a 現(xiàn)代變化速率：現(xiàn)代變化速率：100 ppm/a 現(xiàn)在大氣現(xiàn)在大氣CO2濃度的變化比自然變化快約濃度

2、的變化比自然變化快約100倍倍海洋中人類來源海洋中人類來源CO2的空間變化的空間變化大氣大氣CO2濃度增加的效應(yīng)濃度增加的效應(yīng)氣候變化氣候變化海洋酸化海洋酸化海水酸化的定義海水酸化的定義l 海水向偏酸性轉(zhuǎn)化，非處于酸性海水向偏酸性轉(zhuǎn)化，非處于酸性l 人類工農(nóng)業(yè)活動(dòng)向近海輸送人類工農(nóng)業(yè)活動(dòng)向近海輸送H2SO4、HNO3等導(dǎo)致的酸化僅等導(dǎo)致的酸化僅在區(qū)域海洋起作用，全球尺度上，在區(qū)域海洋起作用，全球尺度上，CO2導(dǎo)致的酸化為主導(dǎo)。導(dǎo)致的酸化為主導(dǎo)。海水酸化的認(rèn)識(shí)歷程海水酸化的認(rèn)識(shí)歷程Broecker和和Takahashi，1966Bahama海生物鈣化速率與海水海生物鈣化速率與海水CaCO3飽和度

3、有關(guān)飽和度有關(guān)Smith和和Pesret，1974Fanning島瀉湖鈣化作用與碳酸鹽化學(xué)相關(guān)島瀉湖鈣化作用與碳酸鹽化學(xué)相關(guān)Zimen和和Altenhen，1973；Fairhall，1973預(yù)測(cè)大氣預(yù)測(cè)大氣CO2濃度增加會(huì)導(dǎo)致表層水方解石于濃度增加會(huì)導(dǎo)致表層水方解石于2000年處于不飽和年處于不飽和Skirrow和和Whitfield，1975；Whitfield，1975除非大氣除非大氣CO2達(dá)到達(dá)到10 CO2pre，否則，否則方解石不飽和方解石不飽和不會(huì)發(fā)生不會(huì)發(fā)生Feely和和Chen，1982；Feely等，等，1984預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)21世紀(jì)文石在北太平洋表層將不飽和世紀(jì)文石在北太平洋表

4、層將不飽和Smith和和Roth,1979；Borowitzka,1981；Agegian,1985；Gao等等, 1993珊瑚生物的鈣化速率與珊瑚生物的鈣化速率與CaCO3飽和度有關(guān)飽和度有關(guān)Smith和和Buddemeier，1992呼吁關(guān)注呼吁關(guān)注CaCO3飽和度降低對(duì)未來珊瑚鈣化速率飽和度降低對(duì)未來珊瑚鈣化速率的影響的影響Gattuso等，等，1998首次開展現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證明珊瑚鈣化速率隨飽和首次開展現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證明珊瑚鈣化速率隨飽和度降低而降低度降低而降低Gattuso等，等，1999預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)1990-2100年間，鈣化速率將降低年間，鈣化速率將降低9-30%Kleypas等，等，1

5、999預(yù)測(cè)在大氣預(yù)測(cè)在大氣CO2濃度增加至濃度增加至2倍時(shí)，全球珊瑚倍時(shí)，全球珊瑚鈣化速率將降低鈣化速率將降低14-30%Marubini和和Thake，1999；Marubini等，等，2001；Marubini等，等，2003珊瑚單一生物鈣化作用受珊瑚單一生物鈣化作用受pH影響影響Langdon等，等，2000；Langdon，2003鈣化速率受控于鈣化速率受控于Ca2+CO32-的乘積，而非的乘積，而非pH、CO2或或CO32-單獨(dú)控制單獨(dú)控制Leclercq等，等，2000； Leclercq等，等，2002大氣大氣CO2增加，珊瑚生態(tài)系鈣化作用降低增加，珊瑚生態(tài)系鈣化作用降低Rieb

6、esell等，等，2000；Zondervan等，等，2001；Riebesell，2004大氣大氣CO2增加，兩種球石藻鈣化速率降低增加，兩種球石藻鈣化速率降低Lough和和Barnes，2000分析分析12個(gè)巖心結(jié)果顯示，個(gè)巖心結(jié)果顯示，20世紀(jì)早期至世紀(jì)早期至20世世紀(jì)末珊瑚鈣化速率沒有明顯降低紀(jì)末珊瑚鈣化速率沒有明顯降低Feely等，等，2004；Sabine，2004綜合歷史數(shù)據(jù)確定海洋是大氣綜合歷史數(shù)據(jù)確定海洋是大氣CO2的匯，預(yù)的匯，預(yù)測(cè)未來測(cè)未來CaCO3飽和度的變化飽和度的變化Orr等，等，2005預(yù)測(cè)南大洋和亞北極太平洋的文石將于預(yù)測(cè)南大洋和亞北極太平洋的文石將于2100年

7、成為不飽和年成為不飽和海水酸化的認(rèn)識(shí)歷程海水酸化的認(rèn)識(shí)歷程海洋酸化的化學(xué)機(jī)制與響應(yīng)海洋酸化的化學(xué)機(jī)制與響應(yīng)pH值變化的實(shí)測(cè)記錄值變化的實(shí)測(cè)記錄亞熱帶北太平洋亞熱帶北太平洋ALOHA站站pH值變化的實(shí)測(cè)記錄值變化的實(shí)測(cè)記錄亞熱帶北大西洋亞熱帶北大西洋BATS站站Kileypas等，等，2006pH值變化的模型預(yù)測(cè)值變化的模型預(yù)測(cè)pH值變化的模型預(yù)測(cè)值變化的模型預(yù)測(cè)pH變化存在空間差異，降低最明顯的是亞北極和極地海域變化存在空間差異，降低最明顯的是亞北極和極地海域21世紀(jì)表層水世紀(jì)表層水pH變化變化Bellerby等，等，2005CaCO3飽和度變化的實(shí)測(cè)記錄飽和度變化的實(shí)測(cè)記錄表層水表層水CaC

8、O3飽和度變化的實(shí)測(cè)記錄飽和度變化的實(shí)測(cè)記錄無機(jī)碳體系變化的實(shí)測(cè)記無機(jī)碳體系變化的實(shí)測(cè)記錄錄CaCO3飽和度變化的模型預(yù)測(cè)飽和度變化的模型預(yù)測(cè)表層水表層水碳酸鈣飽和度變化的模型預(yù)測(cè)碳酸鈣飽和度變化的模型預(yù)測(cè)北冰洋最早發(fā)生變化（北冰洋最早發(fā)生變化（450ppm）Steinacher等，等，2008碳酸鈣飽和度變化的模型預(yù)測(cè)碳酸鈣飽和度變化的模型預(yù)測(cè)挪威冷水珊瑚系統(tǒng)挪威冷水珊瑚系統(tǒng)無人類無人類CO2輸入輸入大氣大氣CO2維持在維持在2000年水平年水平大氣大氣CO2以以1%/a增加增加海水無機(jī)碳體系變化匯總海水無機(jī)碳體系變化匯總參數(shù)參數(shù)符號(hào)符號(hào)單位單位冰期冰期工業(yè)革命前工業(yè)革命前現(xiàn)在現(xiàn)在2 CO2

9、3 CO2溫度溫度T15.71919.720.722.7鹽度鹽度S35.534.534.534.534.5總堿度總堿度TA mol/kg23562287228722872287CO2分壓分壓pCO2 atm180280380560840碳酸碳酸H2CO3 mol/kg79131825碳酸氫根碳酸氫根HCO3- mol/kg16661739182719252004碳酸根碳酸根CO32- mol/kg279222186146115氫離子氫離子H+ mol/kg4.79 10-36.92 10-38.92 10-31.23 10-21.74 10-2方解石飽和度方解石飽和度calc6.635.324

10、.463.522.77文石飽和度文石飽和度arag4.263.442.92.291.81溶解無機(jī)碳溶解無機(jī)碳DIC mol/kg19521970202620902144pH值值pHT8.328.168.057.917.76海洋酸化的生物學(xué)響應(yīng)海洋酸化的生物學(xué)響應(yīng)底棲生物底棲生物珊瑚藻珊瑚藻仙掌藻仙掌藻有孔蟲有孔蟲造礁珊瑚造礁珊瑚深水珊瑚深水珊瑚苔蘚動(dòng)物苔蘚動(dòng)物軟體動(dòng)物軟體動(dòng)物棘皮動(dòng)物棘皮動(dòng)物甲殼動(dòng)物甲殼動(dòng)物海洋酸化的生物學(xué)響應(yīng)海洋酸化的生物學(xué)響應(yīng)浮游生物浮游生物球石藻球石藻浮游有孔蟲浮游有孔蟲翼足類浮游動(dòng)物翼足類浮游動(dòng)物海洋酸化的生物學(xué)響應(yīng)海洋酸化的生物學(xué)響應(yīng)pH=8.2pH=7.4海洋酸化的

11、生態(tài)學(xué)響應(yīng)海洋酸化的生態(tài)學(xué)響應(yīng)鈣化速率與鈣化速率與CO32-的關(guān)系的關(guān)系Zondervan等，等，2001鈣化速率與鈣化速率與CO32-的關(guān)系的關(guān)系Bijma等，等，1999有孔蟲有孔蟲鈣化速率與鈣化速率與CO32-的關(guān)系的關(guān)系珊瑚生態(tài)系珊瑚生態(tài)系生物泵與碳酸鹽泵的反饋?zhàn)饔蒙锉门c碳酸鹽泵的反饋?zhàn)饔蒙锉门c碳酸鹽泵的反饋?zhàn)饔蒙锉门c碳酸鹽泵的反饋?zhàn)饔蒙锉眉訌?qiáng)生物泵加強(qiáng)吸收更多大氣吸收更多大氣COCO2 2大氣大氣COCO2 2降低降低海水海水pHpH降低降低鈣化速率降低鈣化速率降低碳酸鈣泵減弱碳酸鈣泵減弱進(jìn)一步降低大氣進(jìn)一步降低大氣CO2吸收更多大氣吸收更多大氣COCO2 2大氣大氣COCO

12、2 2增加增加負(fù)反饋負(fù)反饋生物泵作用生物泵作用碳酸鹽泵作用碳酸鹽泵作用海洋酸化的歷史記錄海洋酸化的歷史記錄百年尺度百年尺度大堡礁大堡礁No evidence suggested that ocean acidification has caused a measurable decrease in calcification rates (Bessat & Buigues, 2001; Lough & Barnes, 1997, 2000)海洋酸化的歷史記錄海洋酸化的歷史記錄萬年尺度萬年尺度海洋酸化的歷史記錄海洋酸化的歷史記錄百萬年尺度百萬年尺度Pearson & Palmer，2002海洋酸

13、化的歷史記錄海洋酸化的歷史記錄百萬年尺度百萬年尺度Zachos等，等，2008結(jié)結(jié) 語語l 人類來源人類來源CO2導(dǎo)致海洋酸化及無機(jī)碳體系的變化，導(dǎo)致海洋酸化及無機(jī)碳體系的變化，如碳酸鈣飽和度的降低。如碳酸鈣飽和度的降低。l 海洋酸化可能影響海洋酸化可能影響CaCO3、OC、N、P循環(huán)及痕量循環(huán)及痕量金屬存在形態(tài)。金屬存在形態(tài)。l 海洋酸化導(dǎo)致鈣質(zhì)生物鈣化速率與生長(zhǎng)速率的降低，海洋酸化導(dǎo)致鈣質(zhì)生物鈣化速率與生長(zhǎng)速率的降低，但目前的證據(jù)更多來自實(shí)驗(yàn)室短期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，長(zhǎng)期但目前的證據(jù)更多來自實(shí)驗(yàn)室短期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，長(zhǎng)期效應(yīng)如何尚待研究。效應(yīng)如何尚待研究。l 海洋酸化影響與海洋生態(tài)系結(jié)構(gòu)與功能的諸多海洋海洋酸化影響與海洋生態(tài)系結(jié)構(gòu)與功能的諸多海洋學(xué)過程，對(duì)海洋生物資源將產(chǎn)生影響。學(xué)過程，對(duì)海洋生物資源將產(chǎn)生影響。l 海洋生物如何適應(yīng)高海洋生物如何適應(yīng)高CO2環(huán)境仍不清楚。環(huán)境仍不清楚。