工业化和气候变化对珊瑚礁生态系统的影响——珊瑚钙化作用减弱

珊瑚是一种海洋动物，它们会形成巨大的碳酸钙骨骼，这一过程称为钙化。钙化不仅对单个珊瑚的生长至关重要，而且对珊瑚礁的形成也至关重要，而珊瑚礁是海洋生物多样性的重要栖息地。珊瑚礁是通过珊瑚虫产生的碳酸钙 (CaCO₃) 的积累形成的。然而，这一过程对环境条件极为敏感，包括温度、海洋化学和可用营养物质。当这些条件发生变化时，尤其是由于人类活动，珊瑚的钙化率会受到严重影响，威胁到这些生态系统的未来。

然而，由于人类驱动的环境压力，特别是海洋酸化和海洋变暖的综合影响，这些重要的生态系统正面临重大威胁的综合影响，这些重要的生态系统正面临重大威胁。这些压力因素已被证明对珊瑚的健康、生长和整体生态系统功能有着深远的影响。

海洋酸化及其对珊瑚钙化的影响

海洋酸化是大气中二氧化碳 (CO₂) 水平升高的直接结果，指的是地球海洋 pH 值持续下降。当 CO₂ 溶解在海水中时，它会与水发生反应形成碳酸，碳酸会分解成碳酸氢盐和氢离子。这一过程会降低碳酸根离子的浓度，而碳酸根离子对于珊瑚构建碳酸钙骨架至关重要。

碳酸根离子 (CO₃²⁻) 是钙化过程的基础。当海洋酸度增加时，这些碳酸根离子的浓度会降低，使珊瑚更难形成骨骼。在海洋酸化特别明显的地区，珊瑚的生长速度可能会变慢，骨骼也会变薄。全球都观察到了这种钙化作用的减弱，特别是在热带和亚热带珊瑚礁，由于极端温度，这些地方的珊瑚生长条件已经很差。

由于海洋酸化，为珊瑚提供稳定基质和定居线索的壳状珊瑚藻的数量预计将会下降，由于失去定居线索导致珊瑚招募率下降，导致珊瑚覆盖率下降。

海洋变暖和珊瑚白化

海洋变暖是气候变化的另一个关键因素，也对珊瑚健康起着至关重要的作用。珊瑚对温度变化高度敏感，即使海面温度 (SST) 略有上升也会导致严重的压力。在这些压力条件下，珊瑚会排出共生藻类，即虫黄藻，这些藻类通过光合作用为珊瑚生长提供能量。这种现象被称为珊瑚白化，它大大减少了珊瑚可获得的能量，在极端情况下，还会导致珊瑚死亡。

海洋变暖对珊瑚钙化的影响是双重的。首先，温度升高会通过增加代谢率直接影响钙化过程，这可能导致珊瑚从共生藻类中获取的能量与消耗的能量不平衡。其次，温度升高会导致珊瑚白化，从而减少钙化所需的能量。当珊瑚白化时，它们维持强健骨骼生长的能力会受到严重阻碍，它们更容易受到疾病和其他环境压力的影响。

由于气候变化，海洋热浪（即海温异常高的时期）变得越来越频繁，这些热浪对珊瑚尤其有害，会造成大规模白化事件和大面积死亡。

伍兹霍尔海洋研究所早期的一项研究表明，海面温度升高与钙化率降低之间存在直接关联，研究人员利用计算机断层扫描(CT)扫描 来无创地检查珊瑚的骨骼结构，这种方法使他们无需切开骨骼就能观察到每年的生长带，从而揭示出珊瑚所承受的隐藏压力。研究发现，自1998年以来，Diploastrea heliopora珊瑚的生长速度下降了30 % ，尽管珊瑚看起来很健康，但我们发现它们正处于慢性压力之下，2008年的生长率最低，如果目前的变暖趋势持续下去，到2070 年，这种珊瑚物种可能会完全停止生长。​​​

海洋酸化和变暖的综合影响

海洋酸化和海水变暖之间的相互作用十分复杂。海洋酸化降低了碳酸盐离子的可用性，使珊瑚更难产生碳酸钙。与此同时，气温升高会增加珊瑚的代谢率并引发白化，从而减少可用于钙化的能量。这些因素共同损害了珊瑚的健康和生长，导致珊瑚礁形成能力下降。

海洋酸化和海水变暖同时发生，对珊瑚礁构成双重威胁，每个压力因素都会放大另一个因素的影响。据观察，这些压力因素的协同作用会降低珊瑚的生长速度，削弱骨骼结构，并降低珊瑚礁对风暴和人类活动等其他干扰的适应能力。

热应力和酸化的综合影响形成了一个反馈回路，使珊瑚礁越来越难以繁衍生息。

当两种压力因素同时存在时，珊瑚的钙化率会比单独暴露于其中一种因素时低得多。这在预计未来几十年海洋变暖和海洋酸化都会加剧的地区尤其令人担忧 。

新的研究发现

近日，由美国路易斯安那州新奥尔良杜兰大学和夏威夷太平洋大学引导的一项研究，探讨了工业时代印度太平洋长寿珊瑚的钙化趋势。研究利用一种独特的方法来研究气候变化对珊瑚钙化在十年至百年时间尺度上的慢性影响。

研究基于来自印度洋-太平洋十个珊瑚礁位置的 148 个骨骼核心，研究发现，工业时代钙化率的总体下降，这些下降是区域特定的，受密度和线性延伸（其乘积等于钙化）的相反影响调节。钙化下降的主要驱动因素是最近的海洋热浪导致线性延伸减少，而不是降低骨骼密度。

线性延伸这是珊瑚在一个方向上的生长，具体指珊瑚骨骼随时间的向外扩展，它衡量珊瑚每年的长度增长量，通常以厘米/每年为单位。是珊瑚健康和造礁能力的重要指标。当海洋温度上升时，珊瑚通常会出现白化和生长缓慢的现象，尤其是其向外的骨骼延伸。

海洋酸化和海水变暖导致珊瑚钙化减少，对珊瑚礁生态系统的健康构成重大威胁。这些环境压力因素，加上污染和过度捕捞等其他因素，正在加速世界各地珊瑚礁的退化。虽然挑战巨大，但持续的研究、保护工作和气候行动对于为子孙后代保护这些重要的生态系统至关重要。

思考

不同的珊瑚物种和造礁生物如何应对海洋酸化？有些物种是否对酸化更具抵抗力？这些物种可以用于珊瑚礁修复吗？海洋变暖和酸化如何相互作用影响珊瑚健康和礁生态系统？综合影响是否比其各自影响的总和更为严重？珊瑚生长和钙化减少对珊瑚礁结构和生物多样性有何长期生态影响？

参考文献：Thomas M. DeCarlo, Jordyn Cotton, Allyndaire Whelehan, Madison Gramse, Michael L. Berumen, Hugo B. Harrison, Malcolm M. McCulloch, Hannah V. Whitaker, Tori Falk, Ellen Groenvall & Kathleen Matthews ，Calcification trends in long-lived corals across the Indo-Pacific during the industrial era.  Communications Earth & Environment volume 5, Article number: 756 (2024) .doi.s43247-024-01904-8

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