加州沿岸上升流系统百年酸化加剧：热力学缓冲效应放大海洋酸化的警示

《Nature Communications》：A century of change in the California Current: upwelling system amplifies acidification

本研究针对加州沿岸流系统(CCS)这一重要上升流区域，探讨了工业时代以来海洋酸化(OA)的加剧机制。通过结合硼同位素(δ11B)地质指标和区域海洋模型(ROMS)，研究发现CCS及邻近萨利希海的酸化速率远超大气CO2上升幅度，揭示了热力学缓冲效应对酸化过程的放大作用。该研究为预测未来海洋酸化趋势及其对海洋生态系统的影响提供了关键科学依据。

　　

海洋如同地球的肺腑，默默吸收着人类活动排放的二氧化碳。自工业革命以来，海洋已吸纳约三分之一的人为CO₂排放，导致全球表层海水酸度增加25%，pH值下降0.1。然而，在加州沿岸流系统这片北美西岸重要的上升流区域，海洋酸化的故事远比开放海域复杂得多。这里不仅是全球最具生物生产力和经济价值的生态系统之一，其独特的海洋环境更使得酸化进程充满了科学谜团。

科学家们长期困惑于一个关键问题：在这片营养丰富的上升流区域，海洋酸化是否会简单跟随大气CO₂上升的步伐？还是说，气候变化和其他生物地球化学过程会进一步放大或减弱这一趋势？这个问题的重要性不言而喻——尽管CCS的生物历史上就暴露于酸化和多变的条件下，但多项研究表明许多区域物种对海洋酸化极为敏感。然而，由于影响区域生物地球化学的各种过程相互交织，这个重要生态系统的未来酸化轨迹一直模糊不清。

为了解开这个谜题，研究人员开展了一项跨越百年的科学探索。他们巧妙利用冷水橙杯珊瑚的硼同位素记录，结合先进的区域海洋建模，重建了工业时代以来CCS及萨利希海的酸化历史。这项发表在《Nature Communications》上的研究，不仅揭示了令人担忧的酸化加速现象，更阐明了其背后的驱动机制。

研究方法上，团队采用了多学科交叉的技术路线。通过分析历史(1888-1932年)和现代(2010-2020年)采集的橙杯珊瑚样本，测量其骨骼中的δ¹¹B组成，建立了百年尺度的pH重建记录。同时，利用区域海洋模型系统进行历史(1897-1904年)和现代(2000-2007年)的对比模拟，并通过箱式模型分析萨利希海的酸化过程。硼同位素分析采用高精度MC-ICP-MS技术，数据解释基于实验室培养珊瑚建立的校准曲线。

主要研究结果

萨利希海的酸化放大现象

现代珊瑚骨骼的δ¹¹B值显著低于历史样本，表明海水碳酸盐系统发生了明显变化。通过δ¹¹B-pH-DIC的多元关系分析，研究发现1890年代至2020年间，萨利希海海水pCO₂增加了172±41μatm，远超同期大气CO₂120ppm的增幅。pH值下降0.095，也明显大于仅考虑大气CO₂上升的预期值(0.06)。这一发现证实了萨利希海经历了放大酸化过程。

加州沿岸流系统的酸化模式

模型分析显示，CCS的酸化表现出明显的深度依赖性。在0-25米表层，酸化速率与大气CO₂上升基本同步，但在50-200米深度，酸化明显加速，平均超出大气CO₂上升速率50%。珊瑚地质记录与模型结果高度一致，证实了CCS在工业时代经历了放大酸化。

热力学缓冲效应的关键作用

研究揭示了热力学缓冲效应是驱动酸化放大的核心机制。随着水团在运移过程中积累人为碳，其缓冲能力降低，导致后续再矿化过程对pCO₂的影响被放大。这种非线性化学效应使得富含碳的上升流系统对酸化尤为脆弱。

未来酸化预测

基于RCP8.5情景的预测表明，CCS的放大酸化现象将持续整个21世纪。50-75米深度pCO₂增幅将超出大气20%，100-150米深度超出60%。预计pH将下降0.30，文石饱和度状态(Ω)将低于1，对当地海洋生物构成严重威胁。

研究结论与意义

这项研究通过地质记录与模型模拟的结合，首次系统揭示了加州沿岸流系统工业时代以来的放大酸化现象。热力学缓冲效应的识别为理解高碳水域的酸化脆弱性提供了理论框架，对全球上升流系统的酸化预测具有重要启示。

研究强调，考虑到水团年龄的影响，CCS的酸化将滞后于现代大气CO₂的印记，意味着未来几十年酸化还将持续加剧。这对邓杰内斯蟹等重要经济物种的生存构成严峻挑战，也对整个CCS生态系统的结构和功能产生深远影响。

该研究的创新之处在于将百年尺度的地质记录与现代数值模拟相结合，克服了仪器记录时间尺度的限制，为理解海洋酸化长期趋势与自然年代际变率的区分提供了新视角。研究成果不仅对区域海洋管理具有直接指导意义，也为全球类似上升流系统的酸化研究建立了方法论框架。