讲座5 海洋酸化

1、海洋酸化海洋酸化Ocean Acidification海洋化学进展海洋化学进展讲座讲座5 5陈陈 敏敏厦门大学海洋与环境学院厦门大学海洋与环境学院A Sea Change（2009）报告提纲报告提纲l 海洋酸化的概念海洋酸化的概念l 海洋酸化的认识历程海洋酸化的认识历程l 海洋酸化的化学机制与响应海洋酸化的化学机制与响应l 海洋酸化的生物学响应海洋酸化的生物学响应l 生物泵与碳酸盐泵的反馈作用生物泵与碳酸盐泵的反馈作用l 海洋酸化的历史记录海洋酸化的历史记录大气大气CO2浓度变化浓度变化冰期冰期-间冰期变化速率：间冰期变化速率：10-2 ppm/a 现代变化速率：现代变化速率：100 ppm/

2、a 现在大气现在大气CO2浓度的变化比自然变化快约浓度的变化比自然变化快约100倍倍海洋中人类来源海洋中人类来源CO2的空间变化的空间变化大气大气CO2浓度增加的效应浓度增加的效应气候变化气候变化海洋酸化海洋酸化海水酸化的定义海水酸化的定义l 海水向偏酸性转化，非处于酸性海水向偏酸性转化，非处于酸性l 人类工农业活动向近海输送人类工农业活动向近海输送H2SO4、HNO3等导致的酸化仅等导致的酸化仅在区域海洋起作用，全球尺度上，在区域海洋起作用，全球尺度上，CO2导致的酸化为主导。导致的酸化为主导。海水酸化的认识历程海水酸化的认识历程Broecker和和Takahashi，1966Bahama海

3、生物钙化速率与海水海生物钙化速率与海水CaCO3饱和度有关饱和度有关Smith和和Pesret，1974Fanning岛泻湖钙化作用与碳酸盐化学相关岛泻湖钙化作用与碳酸盐化学相关Zimen和和Altenhen，1973；Fairhall，1973预测大气预测大气CO2浓度增加会导致表层水方解石于浓度增加会导致表层水方解石于2000年处于不饱和年处于不饱和Skirrow和和Whitfield，1975；Whitfield，1975除非大气除非大气CO2达到达到10 CO2pre，否则，否则方解石不饱和方解石不饱和不会发生不会发生Feely和和Chen，1982；Feely等，等，1984预测预测

4、21世纪文石在北太平洋表层将不饱和世纪文石在北太平洋表层将不饱和Smith和和Roth,1979；Borowitzka,1981；Agegian,1985；Gao等等, 1993珊瑚生物的钙化速率与珊瑚生物的钙化速率与CaCO3饱和度有关饱和度有关Smith和和Buddemeier，1992呼吁关注呼吁关注CaCO3饱和度降低对未来珊瑚钙化速率饱和度降低对未来珊瑚钙化速率的影响的影响Gattuso等，等，1998首次开展现场培养实验证明珊瑚钙化速率随饱和首次开展现场培养实验证明珊瑚钙化速率随饱和度降低而降低度降低而降低Gattuso等，等，1999预测预测1990-2100年间，钙化速率将降低

5、年间，钙化速率将降低9-30%Kleypas等，等，1999预测在大气预测在大气CO2浓度增加至浓度增加至2倍时，全球珊瑚倍时，全球珊瑚钙化速率将降低钙化速率将降低14-30%Marubini和和Thake，1999；Marubini等，等，2001；Marubini等，等，2003珊瑚单一生物钙化作用受珊瑚单一生物钙化作用受pH影响影响Langdon等，等，2000；Langdon，2003钙化速率受控于钙化速率受控于Ca2+CO32-的乘积，而非的乘积，而非pH、CO2或或CO32-单独控制单独控制Leclercq等，等，2000； Leclercq等，等，2002大气大气CO2增加，珊瑚

6、生态系钙化作用降低增加，珊瑚生态系钙化作用降低Riebesell等，等，2000；Zondervan等，等，2001；Riebesell，2004大气大气CO2增加，两种球石藻钙化速率降低增加，两种球石藻钙化速率降低Lough和和Barnes，2000分析分析12个岩心结果显示，个岩心结果显示，20世纪早期至世纪早期至20世世纪末珊瑚钙化速率没有明显降低纪末珊瑚钙化速率没有明显降低Feely等，等，2004；Sabine，2004综合历史数据确定海洋是大气综合历史数据确定海洋是大气CO2的汇，预的汇，预测未来测未来CaCO3饱和度的变化饱和度的变化Orr等，等，2005预测南大洋和亚北极太平洋

7、的文石将于预测南大洋和亚北极太平洋的文石将于2100年成为不饱和年成为不饱和海水酸化的认识历程海水酸化的认识历程海洋酸化的化学机制与响应海洋酸化的化学机制与响应pH值变化的实测记录值变化的实测记录亚热带北太平洋亚热带北太平洋ALOHA站站pH值变化的实测记录值变化的实测记录亚热带北大西洋亚热带北大西洋BATS站站Kileypas等，等，2006pH值变化的模型预测值变化的模型预测pH值变化的模型预测值变化的模型预测pH变化存在空间差异，降低最明显的是亚北极和极地海域变化存在空间差异，降低最明显的是亚北极和极地海域21世纪表层水世纪表层水pH变化变化Bellerby等，等，2005CaCO3饱和

8、度变化的实测记录饱和度变化的实测记录表层水表层水CaCO3饱和度变化的实测记录饱和度变化的实测记录无机碳体系变化的实测记无机碳体系变化的实测记录录CaCO3饱和度变化的模型预测饱和度变化的模型预测表层水表层水碳酸钙饱和度变化的模型预测碳酸钙饱和度变化的模型预测北冰洋最早发生变化（北冰洋最早发生变化（450ppm）Steinacher等，等，2008碳酸钙饱和度变化的模型预测碳酸钙饱和度变化的模型预测挪威冷水珊瑚系统挪威冷水珊瑚系统无人类无人类CO2输入输入大气大气CO2维持在维持在2000年水平年水平大气大气CO2以以1%/a增加增加海水无机碳体系变化汇总海水无机碳体系变化汇总参数参数符号符号

9、单位单位冰期冰期工业革命前工业革命前现在现在2 CO23 CO2温度温度T15.71919.720.722.7盐度盐度S35.534.534.534.534.5总碱度总碱度TA mol/kg23562287228722872287CO2分压分压pCO2 atm180280380560840碳酸碳酸H2CO3 mol/kg79131825碳酸氢根碳酸氢根HCO3- mol/kg16661739182719252004碳酸根碳酸根CO32- mol/kg279222186146115氢离子氢离子H+ mol/kg4.79 10-36.92 10-38.92 10-31.23 10-21.74 10

10、-2方解石饱和度方解石饱和度calc6.635.324.463.522.77文石饱和度文石饱和度arag4.263.442.92.291.81溶解无机碳溶解无机碳DIC mol/kg19521970202620902144pH值值pHT8.328.168.057.917.76海洋酸化的生物学响应海洋酸化的生物学响应底栖生物底栖生物珊瑚藻珊瑚藻仙掌藻仙掌藻有孔虫有孔虫造礁珊瑚造礁珊瑚深水珊瑚深水珊瑚苔藓动物苔藓动物软体动物软体动物棘皮动物棘皮动物甲壳动物甲壳动物海洋酸化的生物学响应海洋酸化的生物学响应浮游生物浮游生物球石藻球石藻浮游有孔虫浮游有孔虫翼足类浮游动物翼足类浮游动物海洋酸化的生物学响应

11、海洋酸化的生物学响应pH=8.2pH=7.4海洋酸化的生态学响应海洋酸化的生态学响应钙化速率与钙化速率与CO32-的关系的关系Zondervan等，等，2001钙化速率与钙化速率与CO32-的关系的关系Bijma等，等，1999有孔虫有孔虫钙化速率与钙化速率与CO32-的关系的关系珊瑚生态系珊瑚生态系生物泵与碳酸盐泵的反馈作用生物泵与碳酸盐泵的反馈作用生物泵与碳酸盐泵的反馈作用生物泵与碳酸盐泵的反馈作用生物泵加强生物泵加强吸收更多大气吸收更多大气COCO2 2大气大气COCO2 2降低降低海水海水pHpH降低降低钙化速率降低钙化速率降低碳酸钙泵减弱碳酸钙泵减弱进一步降低大气进一步降低大气CO2

12、吸收更多大气吸收更多大气COCO2 2大气大气COCO2 2增加增加负反馈负反馈生物泵作用生物泵作用碳酸盐泵作用碳酸盐泵作用海洋酸化的历史记录海洋酸化的历史记录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)海洋酸化的历史记录海洋酸化的历史记录万年尺度万年尺度海洋酸化的历史记录海洋酸化的历史记录百万年尺度百万年尺度Pearson & Palmer，2002海洋酸化的历史记录海洋酸化的历史记录百万年尺度百万年尺度Zachos等，等，2008结结 语语l 人类来源人类来源CO2导致海洋酸化及无机碳体系的变化，导致海洋酸化及无机碳体系的变化，如碳酸钙饱和度的降低。如碳酸钙饱和度的降低。l 海洋酸化可能影响海洋酸化可能影响CaCO3、OC、N、P循环及痕量循环及痕量金属存在形态。金属存在形态。l 海洋酸化导致钙质生物钙化速率与生长速率的降低，海