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逐漸酸化的海洋--《科學月刊》

周文臣/任教於海洋大學海洋環境與生態研究所,長期從事海洋科學教學與研究工作,為國內知名之海洋碳化學專家。

海洋默默地吸收了大量人為活動所排放的二氧化碳,但她卻也為此賠上了自己的健康。如今,她生病了,病名叫做海洋酸化。這將對海洋生態與人類社會產生怎樣的影響?

被人為干擾的碳循環

大氣、海洋和陸地是地球系統中最重要的三個碳儲存庫。透過各種不同的作用,碳可以在各個儲存庫之間相互流通。例如,陸地上的生物透過光合作用與呼吸作用,可以使二氧化碳在大氣與陸地之間進行交換。而海洋中,除了光合作用與呼吸作用外,生物性碳酸鈣的沉澱與溶解,以及二氧化碳氣體的溶解與逸散等作用,亦會促使二氧化碳在大氣與海洋之間進行交換。

科學家分析封存於冰芯中的古大氣成分,發現在工業革命發生前的一萬年裡,大氣中二氧化碳的濃度一直維持在260 至280 ppm 之間。此結果意味著在人為活動干擾發生前,碳在各儲存庫之間的交換速率大致維持平衡,使大氣中二氧化碳的濃度能夠保持在一個相對穩定的狀態。然而,自工業革命後,由於化石燃料的使用以及土地利用方式的改變,人為活動將原本被封存於地層中的碳,快速地釋放至大氣當中,徹底擾亂了碳在自然界中原有的循環節奏,導致大氣二氧化碳濃度由工業革命前的280 ppm,在短短的數百年間就快速地攀升至目前的400ppm 左右。

全球暖化與海洋酸化

二氧化碳是最重要的溫室效應氣體,其對地球溫室效應的貢獻度,約佔總溫室效應氣體的55%。因此,隨著人為活動所造成大氣中二氧化碳濃度的攀升,地表平均溫度亦逐漸升高。根據聯合國政府間氣候專家委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)最新的估算,在1880 至2012 年間全球地表平均溫度已上升了0.85℃。地表溫度的增加,除了會造成極地冰原融化,海平面上升,進而淹沒沿海的都會區外;亦會牽動全球氣候的變遷,導致不正常地暴雨及乾旱現象,衝擊全球的農林漁牧及社經活動。凡此種種皆對人類永續生存形成嚴重的威脅,使得過去幾十年來全球暖化現象已經受到了世人高度的關注。

然而,相較於眾所週知的全球暖化現象,人為二氧化碳排放所引發的另一個環境課題——海洋酸化,對大多數人而言,卻仍顯得遙遠而陌生。要瞭解海洋酸化,首先必須先認知一個事實:人為活動所排放的二氧化碳,其實並沒有全部累積在大氣當中,透過碳的循環,其中部分的碳會被海洋和陸地所吸收。以2003 至2012 年間為例,每年人為活動所排放的碳量約為94 億噸,其中大約只有43 億噸會累積在大氣當中(46%),此為全球暖化的元凶;剩下的碳一半會被陸地生物圈所吸收,另一半則會進入到海洋當中(26 億噸,28%)。海洋吸收人為二氧化碳後,會導致海水化學特性發生改變,這個現象稱為海洋酸化。近年來,已有非常多的證據顯示,酸化的海洋不利許多海洋生物的生長,進而可能會對整個海洋生態及人類社會都造成嚴重的衝擊。因此,海洋酸化也開始受到科學界廣泛的重視。

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2003 至 2012 年二氧化碳收支平衡示意圖(單位:十億噸)。

海洋如何吸收二氧化碳?

海洋主要是透過「生物幫浦」(biological pump)及「溶解度幫浦」(solubility pump)等兩種機制來吸收大氣二氧化碳。所謂的「生物幫浦」,是指浮游植物在透光層中行光合作用時,會將溶解於海水中的二氧化碳,轉化為顆粒態的有機碳。雖然大部分光合作用所生成的有機碳,會在上層海水中被分解再循環使用,但仍有少部分的顆粒態有機碳,會因重力沉降至深層水中才分解,甚至被永久埋藏於沉積物中。

因此,透過「生物幫浦」的運轉,二氧化碳可在上層海水中被浮游植物所吸收利用,然後向下輸出儲存在深海乃至沉積物中。而所謂的「溶解度幫浦」,則是指由於二氧化碳氣體的溶解度與溫度成反比。高緯度海域的海水,由於溫度較低透過海氣交換作用可溶入較多的二氧化碳。而這些富含二氧化碳的冷水,同時亦擁有較高的密度,故會逐漸下沉,藉由大規模溫鹽環流的輸送,便可將溶入表層海水的二氧化碳輸送至深海中儲存。

海洋真的在變酸嗎?

當二氧化碳氣體溶入海水後,會釋放出H+,因而提高了海水的酸度(pH 值下降),形成了所謂海洋酸化的現象。不過,在此必須特別加以說明的是,由於海水是鹼性的(現今海水的pH 值約為8.1),而且即使在大氣二氧化碳濃度持續增加的影響下,在可預見的未來海水的pH 也仍將會大於7。因此,精確的說,海洋酸化並不會使海水轉變為酸性(pH<7),而是指海水鹼性逐漸變弱的現象。此外,由於海水本身是一良好的酸鹼緩衝系統,所以實際上二氧化碳增加所造成的pH 減少,會較預期為低。

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科學家透過熱力學的平衡計算,推估自工業革命以來,全球海洋表水的pH 值已經下降了0.1(對應H+ 離子濃度約增加了30%),CO32- 離子的濃度則減少了16%。此外,根據IPCC 所預估之CO2 排放量進行模擬的結果顯示,至本世紀末,全球表水的pH 值會再下降約0.4,而CO32- 離子的濃度則會再減少50%。在夏威夷海洋時間序列(HOT)和百慕達時間序列研究(BATS)的長期觀測結果亦清楚顯示,近二十年來,在北太平洋和北大西洋的寡營養鹽海域,表水的pH 值皆約以每年0.0015 個pH 單位的速率持續下降中。此觀測數據與理論計算的結果十分吻合。充分證實了海洋酸化絕非危言聳聽的假說,而是千真萬確正在發生的事實。

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對生態的影響

海洋酸化會造成海水中CO32- 離子濃度的減少。此減少會造成海水另一重要化學特性:碳酸鈣飽和度(Ω)的降低。當Ω>1 時,代表海水對該種碳酸鈣礦物而言,是處於過飽和狀態,故有利於其在海水中產生固態沉澱;當Ω=1 時,代表海水對碳酸鈣礦物而言,是處於平衡的狀態;當Ω<1 時,代表海水對該種碳酸鈣礦物而言,是處於未飽和狀態,故不利於其在海水中產生固態沉澱,反而傾向於使其在海水中發生溶解。海洋中有種類繁多的生物,像是珊瑚、貝類、牡蠣⋯⋯等等,需透過鈣化作用來形成碳酸鈣質的骨骼或殼體。近年來,根據在不同大氣二氧化碳濃度條件下進行培養實驗所得的結果,科學家發現大多數海洋生物的鈣化作用會隨著Ω 的減小而下降。鈣化作用的降低會造成碳酸鈣殼體及骨骼的脆化與變薄等現象,故不利於此等生物在生態系統中的競爭。

珊瑚礁素有海中的「熱帶雨林」之稱,其擁有非常高的生物歧異度,同時也是許多種海洋生物生存及孵育下一代的重要棲地。然而,在海洋酸化的影響下,珊瑚鈣化作用的減緩,可能會導致系統中碳酸鈣的累積速率低於侵蝕速率之情況發生,進而造成珊瑚礁分布面積逐漸縮小,甚至有朝一日會完全消失在地球上。

因此,不難想見海洋酸化所導致珊瑚造礁能力的降低,勢將對整體海洋生態造成巨大的衝擊。海洋學家們的研究結果已清楚顯示,澳洲大堡礁(Great Barrier Reef) 珊瑚的造礁速率自1990 年以來已減緩了14%。除此之外,珊瑚礁也提供了人類重要的漁業資源及遊憩休閒的場所。據估計全球珊瑚礁生態系每年所提供遊憩觀光的產值高達96 億美金,且是一些島嶼型國家最重要的經濟命脈。因此,若海洋酸化造成珊瑚礁生態系統的崩壞,勢將對這些區域的經濟活動造成無可彌補的損害。

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澳洲大堡礁空照圖。Source: NASA Goddard Space Flight Center

海洋酸化亦可能對人類的糧食供應造成影響。例如,深受國人喜愛的牡蠣、蛤和海膽等海鮮,其殼體或骨骼皆是由碳酸鈣所構成。因此,海洋酸化所引起的碳酸鈣飽和度降低,可能會直接造成這些高經濟價值魚貨產量的減少。此外,海洋中一些植物性浮游生物,例如球石藻,亦會形成碳酸鈣殼體。一旦這些重要的基礎生產者因缺乏鈣化外殼而數量減少,將會衝擊以牠們為主食的消費者,透過食物鏈的傳遞亦可間接威脅到魚類的生存。

時至今日,地球上至少仍有十億居住於濱海地區的人口,蛋白質的來源仍以海產為主,且其工作機會和經濟來源亦與海洋中的魚、貝類密不可分。因此,海洋酸化對這些區域的糧食安全及經濟活動可能也會造成嚴重的影響。由前述例子不難發現,受海洋酸化影響的生物涵蓋了食物鏈中不同的階層,且廣泛地分布於各種不同的生態系統中。因此,海洋酸化對海洋生態環境的影響是全面性的,且可能對人類的經濟活動產生立即而明顯的衝擊。

海洋酸化的早期難民

東海是西北太平洋陸棚面積最寬廣的邊緣海,由於有歐亞第一大河川——長江的注入及沿岸湧升作用所帶來豐富營養鹽的滋養,使得東海陸棚擁有極高的生物生產力,並使其成為東北亞地區最重要的漁場。過去海氣二氧化碳交換通量的研究結果顯示,較高的生物生產力使得東海陸棚的表水,一年四季都呈現二氧化碳未飽和的狀態,故可源源不絕的自大氣中吸收二氧化碳,形成重要的碳「匯」。

因此,隨著大氣二氧化碳濃度的增加,東海陸棚受海洋酸化的影響勢必會日益嚴重。此外,近數十年來,由於中國大陸地區人口不斷的增加與經濟高速的發展,不論是化學肥料的使用還是生活汙水的排放都大幅的增加,使得由長江輸入東海無機氮的通量,由1970 至2003 年間增加了三倍以上。此增加速率較全球河川的平均值高出了10倍以上。由此可見,東海可能是全球受過量營養鹽輸入影響最嚴重的海域之一。

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中國東海。Source: wikipedia

為闡明氣候變遷與人為擾動對東海海洋環境與生態的影響,在科技部的補助下,我國海洋學界自2000 年開始執行「東海長期觀測與研究」整合計畫。藉由長期資料的累積,東海團隊已有諸多研究成果廣受國際科學界所重視。例如,發現長江三峽大壩實施第一階段蓄水後,導致營養鹽矽、氮比的降低,進而造成浮游植物組成結構的改變、又發現1998 及2010 年兩次長江超大洪水都造成東海陸棚基礎生產力大幅增加了3 倍以上,此增加量每月約可支撐超過40 萬噸的漁業資源。凡此種種皆說明長期觀測是探討人為活動對海洋環境與生態影響不可或缺的重要手段。

近年來,東海團隊亦針對在「海洋酸化」和「優養化」雙重環境壓力的影響下,東海陸棚海水碳酸鈣飽和度未來的變化趨勢進行了深入的研究。根據觀測數據所進行的模擬結果顯示,近長江口內陸棚海域的底水可能將在2080 年左右轉變為碳酸鈣不飽和的狀態(Ω<1),此時碳酸鈣可能會開始發生溶解的現象。由於人類的漁業資源,特別像是貝類、牡蠣等會形成碳酸鈣殼體的海洋生物,大多都集中在沿岸地帶。因此,大氣二氧化碳濃度增加和優養化惡化所造成海水碳酸鈣不飽和的現象,勢必會對東海的底棲生態環境及漁業資源造成嚴重的影響,使得東海可能名列受海洋酸化影響的早期環境難民之一。

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海洋酸化。Source: ONC

對抗海洋酸化

全球暖化與海洋酸化皆肇因於人為二氧化碳排放的增加。然而,相較於全球暖化的影響已廣為世人所重視、更是全球環境議題的焦點所在,一般普羅大眾對海洋酸化的認知仍相當有限,相關的科學研究也仍處於初期發展的階段。到目前為止,絕大多數的科學證據皆顯示海洋酸化對海洋生態及人類社會的影響恐怕是負面效應居多,而且尚無任何藥方可以醫治海洋酸化這個病症。減少二氧化碳的排放被認為是減緩病情惡化的唯一解方。臺灣四面環海,必然無法倖免於海洋酸化所帶來的影響與衝擊。因此,不論是政府或民眾皆須清楚意識到,「節能減碳」不僅僅是減緩全球暖化的關鍵措施,更是保育海洋生態免受酸化威脅的不二法門。

june〈本文選自《科學月刊》2015年6月號〉

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