中国高度人为扰动海湾pH值的年际变异：胶州湾三十六年酸化趋势与人为驱动机制解析

《RSC Advances》：Interannual variability of oceanic pH in a highly human-perturbed bay in China

本研究针对人为CO2排放导致海岸带酸化的科学问题，通过分析胶州湾1980-2016年长期观测数据，揭示了该海湾pH值以0.0062年?1速率下降（为开阔海洋3.6倍）的三阶段变异规律，发现污水处理厂排放的溶解无机碳(DIC)是近期酸化的关键驱动因子，为海岸带酸化管控提供了新视角。

　　

随着工业革命以来大气二氧化碳(CO₂)浓度持续上升，海洋吸收了大量人为排放的CO₂，在缓解全球变暖的同时也引发了海洋酸化的重大环境问题。开阔大洋的酸化速率相对稳定，而海岸带水体由于陆源输入、上升流和生物活动等影响，表现出更为复杂的pH值波动特征。胶州湾作为中国高度人为扰动的温带半封闭浅水海湾，其东部受污水处理厂排放影响，西部受河流输入和海水养殖活动影响，是研究海岸带酸化机制的理想天然实验室。

为揭示高度人为扰动海湾的pH值年际变异规律及其驱动机制，研究人员整合了1980-2016年期间的野外观测和历史文献数据，系统分析了胶州湾海水pH的长期变化趋势。研究发现，胶州湾pH值在36年间总体呈下降趋势，下降速率达0.0062年^?1，是开阔大洋酸化速率（约0.0017年^?1）的3.6倍，表明人为活动对海湾酸化产生了显著影响。值得注意的是，胶州湾的pH变化并非单调下降，而是呈现出明显的三阶段特征：1980-1986年快速下降，1991-2004年逐步回升，2004-2016年再次下降。这种独特的变异模式与海岸带环境污染状况密切相关，陆源（包括污水）输入被确定为影响pH变异的主要人为因素。

本研究主要采用了长期野外观测与历史文献数据整合的分析方法。通过33个航次的现场调查（2007-2016年）获取pH数据，使用Orion 3 Star等pH计进行原位重复测量。针对历史文献数据空间覆盖不一致的问题，创新性地应用了区域平均浓度校正方法，将pH值转换为氢离子浓度([H⁺])进行空间标准化处理，确保不同来源数据的可比性。同时结合海水温度、盐度、溶解氧(DO)、营养盐等环境参数的长期监测数据，综合解析pH变化的驱动机制。

研究结果部分通过"胶州湾pH的长期变化"揭示了三个显著阶段。1980-1986年期间，pH值急剧下降0.23单位，回归分析显示下降速率达-0.0389年^?1，为开阔大洋的23倍。1991-2004年期间，pH值以0.0081年^?1的速率回升。2004-2016年期间，pH值再次以-0.0089年^?1的速率下降，为开阔大洋的5倍。这种波动变化模式与开阔大洋持续单一下降的趋势形成鲜明对比。

在讨论部分，研究人员深入分析了各阶段pH变化的主导机制。"1980-1986年未经处理污水对pH下降的控制作用"表明，此阶段pH快速下降主要源于纺织工业快速发展导致的大量未经处理污水排放，其中富含的有机物和铵盐(NH₄⁺)促进了好氧呼吸和硝化过程，同时磷限制抑制了初级生产，共同导致酸化加剧。"1991-2004年污水处理和营养盐输入对pH上升的控制作用"显示，污水处理厂的建设运行显著减少了有机污染物输入，而市政污水排放增加带来的营养盐 enrichment 缓解了磷限制，刺激了浮游植物初级生产，从而推动pH值回升。"2004-2016年富营养化和高DIC处理污水直接排放对pH下降的控制作用"指出，海湾富营养化导致藻华大量发生，藻华衰亡期有机物降解释放CO₂，同时污水处理厂出水中的溶解无机碳(DIC)直接输入，二者共同导致pH值再次下降。

研究结论强调，人类活动特别是污水排放深刻塑造了胶州湾的pH变化轨迹。1980-1986年的pH下降与未经处理的工业废水排放相关，1991-2004年的pH回升得益于污水处理设施建设和营养盐输入增加刺激的初级生产，而2004-2016年的再次酸化则与海湾富营养化进程和污水处理厂出水中DIC的直接排放密切相关。该研究发表于《RSC Advances》，对海岸带酸化管理和污水处理策略具有重要指导意义，未来管理策略不仅需要关注有机物和营养盐去除，还应重视处理出水中DIC对pH的降低效应，为海岸带碳化学保护提供科学依据。