海洋酸化：潜水员必知的威胁与影响

水面之下的化学变化

CO₂、碳酸与pH值下降

当大气中的CO₂溶解在海水中时，它会与水分子反应形成碳酸（H₂CO₃）。碳酸会迅速分解成碳酸氢盐（HCO₃⁻）和氢离子（H⁺），然后进一步分解成碳酸盐（CO₃²⁻）和额外的H⁺。高浓度大气CO₂的净效应是双重的：氢离子浓度增加（降低pH值），并且碳酸盐离子浓度减少。Feely等人[1]利用世界海洋环流实验的海洋调查数据在全球范围内绘制了这一过程，发现自工业化前以来，文石饱和度界面——即海水对文石具有腐蚀性的深度——在大西洋和太平洋都显著变浅了。

文石饱和度：潜水员的关键指标

文石饱和度状态（Ωarag）定义为海水中离子积[Ca²⁺][CO₃²⁻]与文石溶解度积之比。当Ωarag > 1时，海水处于过饱和状态，珊瑚可以建造骨骼。当Ωarag < 1时，文石会自发溶解。工业化前的热带地表水Ωarag值约为3.5；目前热带珊瑚礁区域的平均值约为2.8，并且在当前的排放轨迹下，每十年下降约0.1-0.2个单位[2]。Ricke等人[4]使用地球系统模型预测模拟了未来的文石饱和度状态，发现在RCP8.5情景下，大多数珊瑚礁位置将在本世纪中叶之前经历Ωarag < 2——这是一个阈值，在此阈值下，许多珊瑚物种的钙化率将急剧下降。

钙化生物在交火之中

造礁珊瑚

造礁珊瑚（共生藻珊瑚）是热带珊瑚礁的建造者，它们是所有海洋钙化生物中最对pH值敏感的之一。实验室和中宇宙实验一致表明，珊瑚钙化率每下降0.1个pH单位，就会下降10-40%，具体取决于物种和热历史。Hoegh-Guldberg等人[3]综合多方面证据得出结论，当大气CO₂浓度高于500 ppm时，珊瑚礁侵蚀率将超过热带大部分地区的生长率，使珊瑚礁从净碳酸钙生产者根本性地转变为净损失者。对于潜水员来说，这表现为珊瑚礁的地形复杂性降低，悬挑结构减少，珊瑚覆盖率下降——这些正是使珊瑚礁潜水在视觉上非凡的建筑特征的退化。

棘皮动物、软体动物和翼足类动物

海洋酸化影响的远不止珊瑚。海胆（控制藻类过度生长的关键礁石食草动物）在预计未来几十年将出现骨骼畸形和扶正反应减弱的pH值下。翼足类动物——自由游动的海生蜗牛，常被称为海蝶，它们形成密集的群落，被鲑鱼、鲱鱼、鲸鱼和海鸟捕食——在南部海洋部分地区和美国太平洋沿岸上升流带季节性观察到的pH值下显示出贝壳溶解[2]。Orr等人[2]预测，在一切照旧的排放情景下，南部海洋地表水到2050年可能对文石处于欠饱和状态，直接威胁到支撑极地和亚极地食物网的翼足类动物种群。对于在温带和冷水目的地潜水的潜水员来说，这预示着食物网将发生重组：吸引远洋大型动物的中级物种将减少。

冷水和深海珊瑚

冷水珊瑚在200至2,000米深处形成壮观的三维礁石结构，为深海物种提供了不可思议的多样性所需的重要栖息地。由于冷水含有更多的CO₂，冷水珊瑚栖息地的酸化速度比热带珊瑚同类更快。Orr等人[2]表明，在北大西洋许多Lophelia pertusa珊瑚礁的深度范围内，腐蚀文石的海水已经存在，并且到本世纪中叶，这些欠饱和的海水将上升到当前冷水珊瑚框架繁盛的深度区域。Sweetman等人[6]计算得出，在高排放情景下，到2100年，全球多达70%的深海冷水珊瑚栖息地可能暴露在腐蚀性条件下。

如果大气CO₂稳定在500 ppm，珊瑚礁将处于边缘状态；在600 ppm时，大多数造礁珊瑚将面临致命条件。

— Hoegh-Guldberg et al., Science, 2007 [3]

IPCC AR6：潜水员不容忽视的预测

IPCC第六次评估报告第一工作组（2021年）综合了18个CMIP6地球系统模型的预测[5]。在中等SSP2-4.5情景下，预计到2100年，地表海洋pH值将下降约0.2个单位，达到大约300万年前上新世时期的值。在高排放SSP5-8.5路径下，预计pH值将下降0.3-0.4个单位——这在现代造礁珊瑚进化的历史上是没有先例的海洋条件。Kwiatkowski等人[7]使用CMIP6模型证明，在SSP5-8.5情景下，热带地表pH值将下降到7.95以下，在这个水平上，大多数热带珊瑚礁系统将停止净钙化。至关重要的是，这些预测没有考虑到与海洋变暖的协同作用：热白化和酸化同时作用于相同的生物，它们的综合影响比任何一种单一压力源都更具破坏性[3]。

酸化下的生物赢家和输家

• 输家——文石建造者：鹿角珊瑚、滨珊瑚、星珊瑚；翼足类动物；海胆；双壳类幼虫；耳石（耳内听石）受损的幼鱼。
• 输家——方解石建造者（受中度影响）：珊瑚藻、附生苔藓虫——仍受影响，但比文石建造者更具抵抗力。
• 明显的赢家——非钙化生物：一些肉质大型藻类和蓝藻可能随着珊瑚覆盖率的下降而扩张，加速向藻类主导的珊瑚礁的阶段性转变。
• 取决于环境：一些鱼类在预计本世纪末将出现的高CO₂浓度下表现出行为障碍（捕食者回避能力下降，嗅觉变化）。

潜水员的观察：缓慢的珊瑚礁崩溃

海洋酸化不会产生大规模白化那样戏剧性的“一夜之间”奇观。它的特征更微妙且是累积的：由于碳酸钙框架的溶解速度快于其补充速度，导致结构复杂性降低；曾经巨大的珊瑚块现在变成了碎石区；招募空白，即珊瑚幼虫未能定居或在成长到足以构成框架之前就遭受定居后溶解。那些在同一片珊瑚礁上拥有数十年经验的潜水员常常亲身感受到这些变化——礁顶的逐渐降低，曾经为鲨鱼和石斑鱼提供庇护的悬挑结构的消失，以及藻类在裸露基质区域的侵蚀。Hughes等人[8]记录了过去50年间，全球热带地区珊瑚覆盖率下降了约50%，其中酸化和热白化是共同的“帮凶”。

监测酸化：潜水社区的工具

全球海洋酸化观测网络（GOA-ON）维护着一个全球性的pH值和pCO₂传感器阵列。NOAA的海洋酸化项目每年发布对公众 accessible 的数据。一些公民科学项目——包括CoralWatch和Reef Life Survey——允许潜水员贡献白化和珊瑚覆盖数据，以补充远程监测。虽然潜水员不能在潜水时直接测量pH值，但珊瑚三角区倡议的监测协议和NOAA国家珊瑚礁监测项目在主要潜水目的地的哨点站包括碳酸盐化学测量。