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來源：互聯網

海洋酸化（Ocean acidification）指地球海洋中海水的pH值因吸收大量二氧化碳而降低酸化的現象。海洋酸化的主要成因是空氣中二氧化碳濃度升高，海水溶解二氧化碳后增加了海洋中氫離子（H+）的濃度，從而致使海水的pH值降低。

在地球歷史上，受自然環境變化影響，海洋酸化曾在卡皮坦紀大滅絕、二疊紀末大滅絕、三疊紀末大滅絕以及白堊紀古近紀大滅絕事件期間多次發生。自工業化以來，人類活動產生的二氧化碳排放便成了海洋酸化的主要原因。據統計，2020年時大氣中二氧化碳濃度已超過410百萬分比（ppm），海水的平均pH值從8.19下降到8.05，全球海洋酸化的現象日益明顯。海洋酸化遍及全球各大海域，導致珊瑚、貝類以及某些浮游生物的碳酸鈣形成速率下降，進而影響它們的生長、生存和繁殖。海洋酸化還會改變海洋中營養物質的分布和食物鏈結構，對海洋生態系統的健康狀態和生物多樣性構成嚴重威脅。在經濟方面，海洋酸化對珊瑚礁的破壞也會間接影響全球漁業和旅游業的發展。

為了應對海洋酸化帶來的不利影響，人們圍繞減少碳排放、提升固碳能力采取了一系列措施。對海洋酸化現象的研究也持續進行了數十年，包括對二氧化碳滲漏點的檢測及對未來海洋酸度數值的預測等。

定義

海洋酸化指全球范圍內海水pH值因吸收大量二氧化碳而降低的現象，不同的國際組織對海洋酸化的定義略有不同。

聯合國世界氣象組織將海洋酸化定義為：大氣中二氧化碳濃度上升造成海洋攝取的二氧化碳增加的現象。

世界自然保護聯盟將海洋酸化定義為：由于大氣中二氧化碳的不斷增加，海水性質發生變化，其酸度升高（或堿度降低）的現象。

中國海洋發展研究中心將海洋酸化定義為：由于海洋吸收、釋放大氣中過量二氧化碳，使海水逐漸變酸的過程。

海洋基金會將海洋酸化定義為：海洋吸收化學輸入到大氣中所驅動的海洋化學變化，包括碳、氮和硫化合物。

國際原子能機構將海洋酸化定義為：海洋吸收約30%人類活動產生的二氧化碳，導致海水pH值下降的現象。

自然資源保護委員會將海洋酸化定義為：海水因吸收大氣中過量的二氧化碳而變酸的過程。

形成原因

物質基礎

海洋酸化主要與二氧化碳和碳酸有關。二氧化碳是一種重要的溫室氣體，能夠捕獲熱量。它來源于化石燃料（如煤炭、石油和天然氣）的開采和燃燒、野火以及火山爆發等。自18世紀工業時代開始以來，人類活動使大氣中的二氧化碳含量增加了50%。海洋作為一個重要的碳匯，吸收了約四分之一的人為二氧化碳排放。從1850年至2022年，海洋共吸收了人類排放碳總量的26%。而在1850年到2021年這一期間，碳排放總量達到了670 ± 65GtC （2455 ± 240Gt CO2），這些排放量在大氣（占41%）、海洋（占26%）和陸地（占31%）之間被分攤。

碳酸（H2CO3）是一種化合物，溶于水而呈弱酸性，用于維持酸堿平衡。當二氧化碳溶解在海水中時，會與水分子（H2O）引發化學反應形成碳酸，碳酸又會分解（或“離解”）成氫離子（H+）和碳酸氫根離子（HCO3-）。碳酸根是碳酸的鹽，也是海水的關鍵組成部分，其中碳酸氫根離子是海水中主要的碳酸鹽形式，占總溶解無機化合物碳（DIC）的大約90%。碳酸根離子（CO32-）約占10%，而二氧化碳占不到1%。隨著更多二氧化碳被海水吸收，海水的pH值會逐漸降低，導致三種碳酸鹽形態之間的平衡發生改變，具體表現為水溶性二氧化碳（CO?(aq)）和碳酸氫根離子的濃度增加，而碳酸根離子的濃度減少。

形成原理

碳循環主要指碳元素在地球上的生物圈、巖石圈、水圈及大氣圈中不斷交換的過程。海洋是地球上除了巖石圈之外最大的碳庫，其儲存的碳以可溶性無機碳的形式存在，總量約為37400Gt，是大氣中碳含量的50多倍。海洋與大氣之間的碳交換極其活躍，每年有約90吉噸的碳在海洋表層與大氣之間交換，使得二者能夠迅速達到碳含量的平衡。然而，海洋碳庫的碳周轉時間相對較長，通常為幾百年甚至上千年。

當二氧化碳溶解在海水中，會產生水溶性二氧化碳（CO?(aq)）并形成碳酸（H2CO3）。隨后，碳酸迅速分解為碳酸氫根離子（HCO3-），碳酸氫根離子再分解成碳酸根（CO32-），這兩個過程均產生氫離子（H+）。由于pH值與氫離子濃度成反比，氫離子越多，海水酸度越高，pH值越低，整個反應過程可以用化學式表示如下：

CO2(aq) + H2O ? H2CO3

H2CO3 ? HCO3- + H+

HCO3- ? CO32- + H+

然而，當二氧化碳溶解在海水中時，并不會完全分解成碳酸根，這是因為海水具有天然的緩沖能力，可以對pH值的變化進行調節。這一過程可以通過化學方程式簡化表示為：CO2(aq) + CO32- + H2O → 2HCO3- 。在此過程中，二氧化碳通過與碳酸根離子反應，有效地中和并產生碳酸氫根離子。隨后，這些碳酸氫根離子繼續分解，釋放出氫離子，從而導致海水的pH值降低。

酸化歷程

計算方法

海洋酸化的計算方法主要依靠計算海水的pH值，pH值是一個衡量物質酸堿度的標準，首次由丹麥化學家瑟倫·彼特·路勒茲·索倫森（S.P.L. S?rensen）在1909年提出，其定義基于水溶液中氫離子的濃度與溶液總量的比值。具體而言，它是水溶液中氫離子濃度（[H?]）的負對數值（-log??[H?]）。因此，氫離子濃度的增加會導致pH值的降低。通常，純凈水的pH值為7，標志著中性環境；pH值低于7表示酸性環境，高于7則表示堿性環境。

變化情況

早期變化

在地球的歷史上，受地理環境變化的影響，海洋酸化是一個反復出現的現象，它在諸如卡皮坦紀大滅絕、二疊紀末大滅絕、三疊紀末大滅絕以及白堊紀古近紀大滅絕事件期間都有發生。海洋酸化也被視為二疊紀末和白堊紀末兩次大滅絕的潛在原因之一。在地質歷史中的五次大滅絕事件中，有三次與大氣中二氧化碳水平的迅速上升有關，據研究顯示，這些二氧化碳可能大多源自火山活動或海洋氣體水合物的熱分解。

研究表明，海水吸收火山產生的二氧化碳導致碳酸鈣（CaCO3）飽和度下降，可能是三疊紀末海洋大滅絕的致死機制之一。另外，發生在約5600萬年前的古新世始新世極熱事件（Paleocene-Eocene Thermal Maximum, PETM）由海洋和大氣中大量的碳排放所觸發，導致眾多海盆中的碳酸根沉積物溶解。通過最新的地球化學方法測試發現，在古新世始新世極熱事件期間，海水的pH值大約下降了0.3單位。

近現代變化

自1750年工業革命以來，海洋酸化的速度比過去65萬年中的任何時期都快約100倍，海洋表層水的酸化程度增加了近30%。從1000年到1900年間，大氣中二氧化碳的濃度波動在每百萬份體積中的275至290部分之間。從1950年到2020年間，海洋表面的平均pH值估計從大約8.15下降到8.05，意味著全球海洋的氫離子濃度增加了大約26%。

聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）在2021年發布的第六次評估報告中指出，當前的海洋表面pH值在過去至少26000年中是前所未有的，其變化速率同樣無前例。自1980年代末以來，開放海域表層水pH值每十年下降約0.017至0.027個單位。在21世紀，全球海洋的pH值普遍下降，海洋酸化速率與古新世始新世極熱事件期間的溫室效應相似，大氣-海洋系統中的碳增加速率大約是古新世-始新世極熱事件期間的十倍。

主要特征

分布廣泛

海洋酸化是全球性的威脅，影響著地球表面約71%的水域和地球上約97%的的水資源（全球海域），其中太平洋面積約為1.66億平方千米，約占世界海洋總面積的52%；大西洋面積約為8700萬平方千米，約占25%；印度洋面積約為7300萬平方千米，約占20%；北極面積約為1400萬平方千米，約占4%。在這些海域中，極地海洋對海洋酸化的敏感性尤其高。

影響復雜

海洋酸化的影響廣泛且深遠，不僅涉及海洋生態系統內的眾多生物種類和環境，還牽連了眾多生態服務。海洋酸化導致的海洋生物數量下降，會觸發食物鏈各環節的連鎖效應，進而導致食物短缺。從食物鏈底端的小型動物如麗文蛤、牡蠣科和海膽，到食物鏈頂端的人類，都受到了海洋酸化的影響。另一方面，海洋酸化與碳循環緊密相連，隨著海洋酸化的加劇，海洋對二氧化碳的溶解能力減弱，導致更多的二氧化碳滯留在大氣中。這種“碳循環反饋”在不同的氣候中產生了不同的影響，可能導致全球氣溫上升0.1°C至1.5°C。

分布

由于不同的強迫機制間的復雜作用，海水pH值下降的速率因地而異。不同海盆間溫度變化的差異是導致酸化速率地區差異的一個主要原因。例如，在熱帶太平洋中央和東部的上升流區，pH值的下降速率更快，每十年下降0.022至0.026個單位。相較之下，西太平洋的暖水池區域則展現了更慢的酸化速率，每十年pH值下降0.010至0.013個單位。海洋酸化速率可能受到表面海洋溫暖化速率的影響，因為溫暖的水體吸收較少二氧化碳。因此，海水溫度的進一步升高可能會減少二氧化碳的吸收，導致相同二氧化碳增加量下pH值變化較小。

影響

對海洋生物鈣化的影響

海洋酸化的加劇對海洋生物的鈣化過程產生了不利影響。碳酸鈣（CaCO3）是許多海洋生物骨骼和殼體的構建材料，最常見的兩種同質異形體為方解石和文石。通常情況下，海洋表層水中的方解石和文石因為碳酸根離子在海水中的過飽和狀態而能夠穩定存在。然而，隨著海水pH值的降低，碳酸鹽離子濃度也隨之下降，導致碳酸鈣進入不飽和狀態，使得構成海洋生物外殼或BOBBIN的碳酸鈣結構面臨溶解風險和鈣化應力。研究表明，在高二氧化碳濃度的環境下，包括珊瑚、球石藻、珊瑚藻、貝類及翼足目等生物的鈣化速率會降低。

海洋酸化對藻類的影響因類型而異。對鈣化藻類而言，海洋酸化對其生長和生物化學過程具有明顯的負面作用，如球石藻在酸化條件下光合作用平均減少了28%。與此相對，非鈣化藻類可能更能適應甚至從酸化的海水環境中受益，如肉質藻類和硅藻的生長在酸化環境下分別平均增加了22%和18%。

海洋酸化主要影響了珊瑚構建密集外骨骼的能力，這一過程對于珊瑚在其內部腔室（腔腸）中的鈣化生長至關重要。只有當外部海水中文石的飽和狀態保持在適宜的環境水平時，珊瑚才能在其內部腔室中迅速形成文石晶體，進而促進外骨骼的快速增長。若外部海水中文石的飽和狀態低于環境水平，珊瑚則需加倍努力以保持內部腔室的平衡。這種情況下，晶體的生長過程會減緩，進而導致外骨骼生長速度放緩。基于周邊水域的文石飽和狀態，珊瑚可能會因泵送文石到內部腔室在能量上變得不可行而停止生長。

翼足目和蛇尾是北極食物鏈的重要組成部分，它們都嚴重受到海洋酸化的影響。隨著海洋酸化程度的加深，翼足目動物的殼會開始溶解，而蛇尾在重新生長肢體時則會損失肌肉質量。翼足目生產殼體所需的文石是通過碳酸根離子與溶解的鈣和生成的。酸化水平的提升導致富含碳酸鹽的水體減少，從而嚴重影響了翼足目。北極水域的有機化合物降解使海洋酸化現象加劇，導致一些北極水域的文石達到了不飽和狀態。蛇尾的卵在暴露于北極酸化預期條件下幾天內便會死去。此外，在將pH值降低0.2至0.4的實驗條件下，溫帶海星綱的美國白燈蛾存活率不足0.1%，且存活時間不超過八天。

對生態系的其他影響

海洋酸化對海洋生態的影響可分為直接、間接兩類，直接影響如對生物的生殖和生理功能的影響，間接影響包括對食物資源的不利影響。

海洋酸化對海洋魚類幼體產生了顯著影響，特別是影響到它們至關重要的嗅覺系統。例如，橘色小丑魚幼體依賴嗅覺來區分被植被島嶼環繞的和未被植被島嶼環繞的海洋礁石，海洋酸化可能導致小丑魚幼體的嗅覺系統失效，影響它們的生長和避免近親繁殖的能力。同樣，鰻魚胚胎，尤其是處于“瀕危”狀態的歐洲鰻魚，也面臨著海洋酸化的威脅。盡管歐洲鰻魚大部分生命在淡水中度過，但它們選擇在酸化影響較大的洋流海產卵并結束生命。魚類胚胎和幼體對pH值的變化尤為敏感，因為它們的pH值調節器官尚未完全發育。2021年對洋流海中歐洲鰻魚的研究揭示，海洋酸化可能會干擾這一物種在早期生命階段的正常發育，并在孵化期間對胚胎的存活和發育產生負面影響。

海洋酸化可能導致有害藻華事件頻發增加，進而使得小型生物如貝類累積毒素（包括多毛酸、梭狀芽孢桿菌毒素、副溶血弧菌毒素），從而增加遺忘性貝類中毒、神經毒性貝類中毒及麻痹性貝毒的發生率，藍貽貝的免疫反應也被抑制。盡管藻華可能造成危害，增加的二氧化碳水平對其他有益的光合作用生物，特別是海草，可能帶來好處。研究顯示，隨著海草提高光合作用效率，鈣化藻類的鈣化率也會增加，這一現象可能是因為局部的光合作用活動吸收了二氧化碳，從而提升了局部pH值。

海洋酸化導致的0.01至10千赫茲頻率范圍內聲音吸收的顯著減少，可能會改變海水的聲學特性，從而使聲音能夠傳播得更遠。這種現象不僅增加了海洋的噪音水平，而且可能會對所有依靠聲音進行回聲定位或交流的海洋生物產生影響。在酸化條件下孵化的大西洋巨鰭魷魚的卵孵化時間變長，且生長在低pH環境中的魷魚其耳石體積縮小并出現畸形。

對經濟和社會的影響

海洋酸度的增加減緩了海水中鈣化作用的速率，導致珊瑚礁變得更小且生長速度更慢，而珊瑚礁支撐著大約25%的海洋生物。海洋酸度的增加不僅在摧毀珊瑚，還在影響珊瑚礁所支撐的廣泛多樣的海洋居民種群，其影響從漁業和沿海環境擴展到海洋最深處。

海洋酸化正對全球漁業產生深遠的影響，全球有超過十億人主要依賴海洋蛋白質，其中約20%的人口至少有五分之一的動物蛋白攝入來自魚類。海洋酸化引起的漁獲量下降對貧困和不發達國家造成了較大影響，因為這些地區缺乏足夠的農業替代品。漁獲量下降可能迫使人們遷往城市地區，從而引發社會動蕩乃至沖突。此外，太平洋西北地區、長島海灣、納拉甘西特灣、切薩皮克灣、墨西哥灣以及緬因州和馬薩諸塞州沿海的貝類產業也受到了較大影響。海洋鈣化生物如美洲螯龍蝦、大西洋海蛤和扇貝的生長減緩，減少了可供銷售和消費的貝類肉。紅王蟹等蟹類生物面臨嚴重的威脅，其幼體在增加的酸化水平下死亡率極高，這對蟹類捕撈業構成了穩定性威脅。

海洋酸化對依賴海洋的旅游產業構成了嚴重威脅。珊瑚礁及其支撐的海洋生命生態系統是全球旅游業的重要景點，每年為全球旅游收入貢獻高達115億美元。劍橋大學的報告顯示，超過100個國家從珊瑚礁的休閑價值中獲益。沿海旅游業不僅是全球旅游業的最大組成部分，而且是許多國家經濟的重要支柱，超過60%的歐洲人偏愛海灘度假，美國的沿海旅游業占旅游總收入的80%以上。在澳大利亞，大堡礁重慶漢海海洋公園每年吸引約190萬游客，為澳大利亞經濟貢獻了超過37億美元的收入。然而，海水酸化導致水中碳酸鈣含量減少，進而影響珊瑚礁的構建，導致珊瑚礁破碎。經驗豐富的潛水游客對珊瑚白化現象非常敏感，珊瑚白化可能導致他們放棄潛水活動。

應對措施

減少二氧化碳排放（即氣候變化緩解措施）是應對海洋酸化的有效方法。自2019年以來，碳移除技術的研究領域經歷了顯著的發展。例如，直接空氣捕獲（DOTA2亞洲邀請賽）能夠直接從空氣中捕捉并儲存二氧化碳，通過使用液態或固態捕捉劑將空氣中的二氧化碳攔截。而生物能源結合碳捕獲和儲存（BECCS）結合了碳捕獲與儲存及生物質能的使用，實現了負碳排放，能有效減緩海洋酸化速率。此外，從海洋中移除二氧化碳的方法還包括海洋營養物質施肥、人工上升/下沉、海藻農業、生態系統恢復、增強海洋堿性、加速風化和電化學過程等。

碳移除技術主要包括海洋堿性增強和電化學方法，通過向海洋中添加堿性物質來中和pH值的變化。但由于擴散效應，這種堿性的增加對遙遠水域的影響相對較小，因此被稱為“局部海洋酸化緩解”。海洋堿性增強通過在海洋表面散布堿性礦物或其離解產物，提升海水的總堿性，從而增強海洋吸收二氧化碳的能力，進而穩定海洋的pH值，以此來減緩海洋酸化的進程。電化學方法或電解作用可以直接從海水中移除二氧化碳，而在這一碳捕獲過程中產生的氫氣則可以被回收利用，用于能源供應或制造其他實驗室試劑。

隨著公眾對海洋酸化的認識的提高，海洋酸化被納入了七大全球氣候指標之一，包括太平洋島嶼等許多國家已經制定了強化海洋酸化監測的區域政策、國家海洋政策、國家行動計劃以及關于氣候變化和災害風險減輕的聯合國家行動計劃。聯合國海洋十年（UN Ocean Decade, 2021-2030）啟動了一個名為“研究海洋酸化，促進永續發展”的項目（Ocean acidification research for sustainability, OARS），旨在進一步發展海洋酸化的科學研究，增加海洋化學變化的觀測，并為決策者提供減緩和適應海洋酸化所需的信息。2015年，聯合國采納了2030年議程及其包含的17個可持續發展目標（Sustainable Development Goals, SDG），其中特別設立了致力于海洋的永續發展目標14，海洋酸化被明確包含在SDG14.3目標中。

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