地质证据表明，全球气候变暖可导致海洋酸化，进而对海洋生态环境产生严重影响 (图1) (Doney et al., 2009; Honisch et al., 2012; Zeebe, 2012)。海洋酸碱度与大陆风化、大气CO2、有机质、生物钙化、碳酸盐矿物等一系列要素有关，其中碳酸盐矿物的生成—溶解—埋藏作用，可以改变海水碳酸化学体系，对海水酸碱度变化进行缓冲调节。最著名的例子是古新世—始新世的快速增温事件（PETM）时期，海洋快速酸化期间及恢复阶段，碳酸盐补偿深度（CCD: Carbonate Compensation Depth）呈现先减小、后显著增大（超过PETM之前的水平）的特征。对此，传统观点常认为碳酸盐补偿深度减小是源于对酸化进行中和，碳酸盐矿物溶解增强；而碳酸盐补偿深度显著增加并超越酸化事件前的水平，则是源于风化作用加强导致海洋碱度增加。然而，还有其它解释机制吗？
如今科学家们已经认识到，海洋碳酸盐补偿大概可以归因为两类：（1）化学补偿，即海洋CaCO3的溶解或埋藏（图2）；（2）生物补偿，即钙化作用下生物成因CaCO3的产率的增加或减小。生物可利用海水里的CO32-和Ca2+合成CaCO3壳体和骨骼，并从生理和生态等多尺度响应海水化学变化，进而影响碳酸盐饱和深度和补偿深度，形成碳酸盐生物补偿作用。短期实验和地质历史事件均已发现，全球变暖及海洋酸化与生物CaCO3产率之间存在复杂的响应关系。但是，生物钙化作用到底如何进行碳酸盐补偿，并对海洋酸化过程进行响应和反馈呢？
图1 海洋碳循环及酸碱度、CaCO3饱和度的影响过程示意图。红色字体表示促进海洋酸化和/或CaCO3饱和度降低的过程；蓝色字体表示促进海洋碱化和/或CaCO3饱和度增加的过程；斜体字表示人类影响因素。大气CO2含量增加，促进海水CO2、HCO3-和H+离子浓度增加，进而降低海水pH值。同时，随着H+离子浓度增加，CO32-离子浓度将减小，进而降低CaCO3的饱和程度，促进其溶解，导致碳酸盐饱和深度和补偿深度减小（Honisch et al., 2012)
图2 海洋碳酸盐补偿作用关键界面示意图。海洋CaCO3（方解石和文石）主要来自海洋生物（包括浮游生物、珊瑚、珊瑚藻及其它无脊椎动物等）(图修改自 Boudreau et al., 2018)
针对上述科学问题，加拿大达尔豪斯大学（Dalhousie University）Boudreau教授、乌得勒支大学（Utrecht University）Middelburg教授及中山大学罗一鸣教授在Nature Geoscience上发表了他们的最新成果，综合分析了生物钙化作用对海洋酸化过程的响应与反馈 (Boudreau et al., 2018)。与前人不同，他们使用简单的海洋盒子模型，并参考人类活动对大气CO2含量的影响模式，模拟出海洋酸化过程中，两种碳酸盐补偿机制和生物钙化作用3种响应模式（“快速恢复”、“未恢复”和“延迟恢复”）下，海洋碳酸盐界面的演化情况（图3）。
图3 基于人类活动对大气CO2含量的影响模式，海洋碳酸盐界面的演化趋势。a.pCO2变化及海洋酸化事件过程中，化学补偿作用下，碳酸盐饱和深度（Zsat）和补偿深度（Zcc）的变化趋势。b.海洋酸化事件过程中，化学补偿和生物补偿共同作用，生物钙化作用从海洋酸化中“快速恢复”、“延迟恢复”和“未恢复”模式下，碳酸盐饱和深度（Zsat）和补偿深度（Zcc）的变化趋势。c. b模式条件下，海底CaCO3堆积“雪线”（Zsnow）的变化趋势 (Boudreau et al., 2018)
模拟结果显示，海洋酸化事件过程中，生物钙化作用“延迟恢复”或“未恢复”（生物CaCO3输出量一定程度下降），可形成重要的生物碳酸盐补偿作用，促进海洋碱度在长时期内显著增加，并产生海洋CaCO3堆积“雪线”显著加深现象（图3b-图3c）。同时，生物碳酸盐补偿模型可对古新世—始新世极热事件(PETM，～55 Ma)及白垩纪—古新世界线绝灭事件 (～65 Ma)的海洋碳酸盐体系及沉积样式进行合理解释。
全球气候变化，不只是一个个无机化学反应过程的叠加，同时也是生命与环境之间响应和反馈的演化。碳酸盐生物与化学补偿机制在控制因素、时间尺度和影响效果方面有很大的差异，充分理解生物补偿机制对于理解或预测古今海洋化学变化具有重要的研究意义。
相关参考文献
- Boudreau B P, Middelburg J J, Luo Y. The role of calcification in carbonate compensation[J]. Nature Geoscience, 2018, 11(12): 894-900.（原文链接）
- Doney S C, Fabry V J, Feely R A, et al. Ocean acidification: the other CO2 problem[J]. Annual Review of Marine Science, 2009, 1: 169-192.（原文链接）
- Honisch B, Ridgwell A, Schmidt D N, et al. The geological record of ocean acidification[J]. Science, 2012, 335(6072): 1058-1063. （原文链接）
- Zeebe R E. History of seawater carbonate chemistry, atmospheric CO2, and ocean acidification[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2012, 40: 141-165.（原文链接）
（撰稿：周锡强/油气室）
