海洋低氧环境中通风与缓冲能力对海洋酸化的影响机制

《Nature Communications》：Ventilation and buffering capacity effects on ocean acidification in low oxygen environments

本研究针对低氧环境中海洋酸化机制不清的问题，通过分析太平洋、印度洋和大西洋断面数据，揭示了通风作用主导人为碳输送进而调控酸化进程的规律。研究发现，尽管低氧区缓冲能力弱（高Revelle因子），但下层最低氧区因通风受限酸化可忽略；上层低氧区酸化显著但不同指标（如[H+]与Ωara）响应迥异，修正了仅关注缓冲能力的传统认知。

　　

随着工业革命以来大气二氧化碳浓度的持续升高，海洋默默承担起了缓解气候变化的重要角色——每年吸收约25%-30%的人类活动排放的二氧化碳。然而，这种帮助并非没有代价。当海洋吸收这些人为二氧化碳时，海水碳酸盐系统发生了一系列化学变化，导致海水二氧化碳分压（pCO₂）和氢离子浓度（[H⁺]）升高，pH值、碳酸根离子浓度（[CO₃^2-]）以及文石饱和度（Ω_ara）降低，这一过程被科学家们称为“海洋酸化”。

海洋酸化对海洋生态系统产生了深远影响。许多海洋生物，特别是那些依赖碳酸钙构建外壳或骨骼的生物（如珊瑚、贝类等），在酸性更强的海水中生存变得更加困难。同时，酸化还可能改变全球生物地球化学循环，影响生态系统功能乃至未来气候变化。

长期以来，科学界普遍认为低氧水域对海洋酸化更为敏感。这是因为这些水域通常具有较弱的缓冲能力（表现为较高的Revelle因子，RF），意味着它们对额外二氧化碳输入的pH响应更为强烈。在沿海缺氧区，这一观点得到了充分验证：季节性分层和生物呼吸产生的大量二氧化碳确实导致了快速酸化。

然而，这种“低氧必伴随快速酸化”的认知在开阔大洋的永久性氧气最小区是否同样适用？这正是薛亮、Christopher Sabine、陈建芳、Siv K. Lauvset、魏青山、李奎平及蔡卫君等科学家在《自然·通讯》上发表的最新研究要解答的核心问题。

研究人员质疑：尽管永久性氧气最小区确实具有高生物源二氧化碳和弱缓冲能力，但它们是否真的经历了快速酸化？他们提出了一个关键假设——通风作用可能扮演着比缓冲能力更重要的角色。通风，即表层水向深海的输送过程，是人为碳进入海洋内部的主要途径。在通风良好的水团（如模态水和中层水）中，已有大量观测证实了显著酸化。但在通风受限的氧气最小区，有限的人为碳输送可能从根本上限制了酸化进程。

为了验证这一假设，研究团队利用GLODAPv2.2016b网格化数据产品，分析了太平洋、印度洋和大西洋三条典型断面（P16、I9N8S和A16）的数据。他们比较了工业革命前至今，氧气最小区与通风良好区域在一系列酸化指标上的变化，包括pCO₂、[H⁺]、pH、Ω_ara和RF。氧气最小区被定义为溶解氧浓度低于90 μmol kg^-1的区域，约占全球海洋面积的8%。

研究还引入了水团平均年龄作为衡量通风强度的指标，并基于300年水龄将氧气最小区划分为上层（水龄<300年）和下层（水龄>300年）。这种细致的划分使得研究人员能够更精确地揭示不同通风条件下酸化的空间格局。

关键技术方法包括：利用GLODAPv2.2016b网格化数据产品的碳酸盐系统参数；采用瞬态时间分布方法计算水团平均年龄和人为碳储量；使用CO2SYS程序计算各类酸化指标；通过两端元混合模型理论分析酸化指标敏感性差异的化学机制。

酸化在氧气最小区与通风良好水域的对比

研究发现，人为碳（ΔC_ant）及其引起的酸化指标变化在垂直方向上的空间格局与水团平均年龄高度相似。通风良好区域表现出比通风较差区域更强的酸化信号，这一规律在三条大洋断面中均一致存在。

在下层氧气最小区，尽管缓冲能力极弱（平均RF值约18），但由于通风严重受限（太平洋和印度洋平均水龄超过550年，大西洋超过350年），人为碳积累微乎其微（仅3-8 μmol kg^-1）。因此，所有酸化指标的变化均不显著，甚至可忽略不计。

与之形成鲜明对比的是，在上层氧气最小区，由于适度的通风和人为碳积累（18-24 μmol kg^-1），酸化确实发生，但其表现因所选指标而异。如果使用Ω_ara和pH作为指标，上层氧气最小区的酸化幅度（Ω_ara下降0.11-0.19，pH下降0.06）小于通风良好区域（Ω_ara下降0.34-0.45，pH下降0.09-0.10）和上层50米水体（Ω_ara下降0.59-0.64，pH下降0.10）。然而，当使用pCO₂和[H⁺]作为指标时，情况则完全相反：上层氧气最小区的pCO₂和[H⁺]增加幅度（如P16断面：132±48 μatm和2.72±0.99 nmol kg^-1）反而大于通风良好区域（88±9 μatm和1.84±0.18 nmol kg^-1）。

Revelle因子在上层氧气最小区也发生了变化，但不同海域存在差异（P16断面ΔRF为0.2±0.4，而I9N8S和A16断面分别为0.8±0.4和0.9±0.3）。这种差异源于RF本身的复杂性——它是两个相对变化的比值，随二氧化碳添加先增后减。

通风、缓冲能力与酸化指标敏感性的影响

水团年龄与ΔC_ant的相关性表明，通风作用主导着海洋内部人为碳的空间分布格局。进一步分析发现，Ω_ara和pH的变化与水团年龄呈强正相关（决定系数r²>0.90），说明海洋通风或人为碳输入对这些指标的变化起主导控制作用，缓冲能力的影响相对较小。

而pCO₂和[H⁺]与水团年龄的相关性则较弱（r²≈0.60），表明尽管通风作用仍是主控因素，但缓冲能力的影响不容忽视。例如，两个水龄相近（约80年）、ΔC_ant相近（约29 μmol kg^-1）的水团，因初始RF值不同（14 vs 19），酸化结果差异显著：高RF水团的pCO₂和[H⁺]增加幅度更大，而pH和Ω_ara的下降幅度也表现出不同趋势。

为了量化缓冲能力对每个酸化指标变化的影响，研究人员计算了单位ΔC_ant变化引起的各指标变化量（pCO_2uc、H_uc、pH_uc和Ω_uc）。结果显示，较高的RF通常会导致pCO₂、[H⁺]和pH的敏感性增强，而Ω_ara的敏感性减弱。例如，沿P16断面，从上层50米到上层氧气最小区，平均RF从14增至18，平均pCO_2uc增加约5倍，H_uc增加约5倍，pH_uc绝对值增加约2倍，而Ω_uc绝对值下降约2倍。

这种敏感性差异解释了为何Ω_ara和pH几乎总是追踪ΔC_ant的变化，而pCO₂和[H⁺]则有时与之背离。通过理论模拟表层水与深层水的混合过程，研究人员发现，随着ΔC_ant随深度增加而减少，pCO₂和[H⁺]的变化因缓冲能力的强烈影响和适度的人为碳水平而先增后减，转折点出现在混合比约0.6处。pH因对数转换而这一特征不明显但仍可辨识，而Ω_ara的绝对值则随深度和水龄增加而持续下降。

通风良好与通风不良水域的酸化机制

本研究揭示了通风良好水域（如模态水和中层水）与通风不良水域（如永久性氧气最小区）截然不同的酸化机制。海洋通风作为输送机制，将人为碳泵入深水，驱动海洋内部酸化。因此，在通常通风良好的模态水和中层水中发生了显著酸化。

相比之下，氧气最小区未必经历明显酸化，尽管其生物源二氧化碳水平高且RF值高，但通风受限是主要制约因素。根据通风强度，研究人员将低氧水域的酸化分为两种类型：第一类发生在具有高RF值和中等至快速通风的区域（如上层氧气最小区和季节性低氧区），显著酸化源于人为碳与低缓冲能力的共同作用；第二类以同样高RF值但有限通风为特征（如下层氧气最小区），因人为碳输送受限而酸化缓慢且微弱。

此外，研究提出了一个判断原则：如果因缓冲能力减弱引起的酸化增加大于因通风减弱引起的酸化减少，则pCO₂、[H⁺]和pH的变化趋势将追踪RF或缓冲能力的变化；否则，这些酸化指标的变化将追踪ΔC_ant或通风的变化。

这项研究的重要意义在于首次系统阐明了通风作用在低氧环境酸化中的主导地位，纠正了长期以来过度强调缓冲能力的认知偏差。研究还揭示了不同酸化指标的敏感性差异，这对准确评估酸化生态效应具有重要启示。由于不同海洋生物对pH、Ω_ara、[H⁺]或pCO₂的敏感度可能不同，选择合适的评估指标至关重要。

未来研究需要关注气候变化驱动的通风强度时空变化对酸化格局的影响，以及变暖、富营养化和生物生产力变化等多重压力因素的复合效应。这项研究为我们更全面理解海洋酸化的复杂机制提供了新视角，对预测未来海洋变化及其生态后果具有重要价值。