一项新的指标揭示海洋碳汇能力的严峻形势，有哪些亮点？

过去40年里，海洋吸收了人类活动排放的25%的二氧化碳，有效减缓了大气中CO₂的增长速度，然而，这种吸收导致了海水pH值下降，引发了海洋酸化问题，随着酸化加剧，海水吸收CO₂的能力也逐渐降低，然而，随着酸化的加剧，现有指标无法很好的评估海水对CO₂的吸收能力，我国研究团队提出了一种新的指标γCO₂，有哪些亮点呢？

海洋吸收CO₂的过程中涉及复杂的碳酸盐化学平衡，当CO₂溶解在海水中时，会形成碳酸（H₂CO₃），随后解离为碳酸氢根（HCO₃⁻）和碳酸根（CO₃²⁻，这一系列反应使得海水能够吸收比单纯物理溶解多约15倍的CO₂，但随着CO₂浓度的增加，海水pH值下降，导致海洋酸化，同时海水的CO₂吸收能力也逐渐减弱。

自20世纪提出以来，目前一直雷维尔因子（Revelle Factor, RF）来评估海水对CO₂的吸收能力。雷维尔因子原理是通过计算海水溶解无机碳变化与CO₂分压变化的比值，来评估海水的缓冲能力。式中pCO2为海水中二氧化碳分压；DIC为溶解无机碳，是海水中二氧化碳及其衍生物（HCO₃⁻、CO₃²⁻）的总和。这个公式中的RF的物理意义是当DIC增加时，海水pCO2的相对变化率。RF值越高，表明海水吸收额外二氧化碳的能力越弱。

然而，这个公式实际上是测量的是CO₂吸收容量，而不是海洋应对酸碱变化的缓冲能力，当在严重酸化区域海水pH低于7.5时，RF会出现极值点，导致其无法准确反映真实的吸收能力。研究发现，在SSP5-8.5情景下，南大洋的RF会在2081年达到最大值后开始下降，这与理论预期相矛盾，理论上随着酸化加剧，吸收能力应持续降低。

因此，研究团队通过数学方程推到证明，RF的局限性源于其定义本身，它假设CO₂和溶解无机碳的变化量远小于初始值，即ΔpCO₂≪pCO₂，ΔDIC≪DIC，但当海水pH降至7.5以下时，这一假设不再成立，导致计算结果失真。

为解决这一问题，研究人员提出了γCO₂指标，γCO₂指标的物理意义很明确，它表示海水吸收CO₂的能力与纯物理溶解吸收能力的比值，如果只有物理溶解发生，没有碳酸盐系统的化学反应，那么γCO₂=1。在实际海水中，由于碳酸盐系统的缓冲作用，γCO₂通常远大于1，但随着海水酸化的加剧，γCO₂会逐渐降低。

与RF不同，γCO₂在pH降低和pCO₂升高的过程中呈现单调递减的趋势，不会出现极值点，这使得它能够更可靠地评估未来酸化海洋的CO₂吸收能力。此外，γCO₂不直接依赖于溶解无机碳和二氧化碳分压的绝对值，因此在不同气候情景和海洋区域中具有更好的可比性。

通过碳化学平衡推导的显式表达式如下，k0、k1、k2分别为亨利常数、碳酸一级和二级电离常数，kB和KW分别为硼酸和水的电离常数。

基于观测数据和模型模拟，研究团队绘制了2020年全球表层海水γCO₂的分布图，结果显示，γCO₂的分布大致以赤道为中心呈对称模式，从低纬度到高纬度先增加后减少。典型的低值区出现在赤道附近，这与上升流的影响有关，上升流将深层寒冷、高pCO₂、低pH的海水带到表层，导致这些区域的CO₂吸收能力较弱。

还有一个需要注意，南大洋目前认为是重要的碳汇区域，但其γCO₂值接近最小值，约1.0，这意味着南大洋通过物理过程吸收的CO₂可能无法有效地转化为HCO₃⁻和CO₃²⁻，其CO₂吸收能力已接近极限。

从时间变化来看，全球表层海水的γCO₂从1992年的17.78±0.18下降到2020年的15.50±0.21，降幅达13%，这种下降趋势在高排放情景下将会进一步加剧。模型预测显示，在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5的不同碳排放情形下，2100年与2020年相比，γCO₂将分别下降11.6%、37.3%、58.7%、69.6%。

研究还发现，γCO₂与文石饱和度（Aragonite Saturation State，Ωarag）之间存在强烈的正相关关系。文石饱和度是衡量海水中文石稳定的关键指标，直接影响珊瑚、贝类、浮游生物等钙化生物的生存能力。当Ωarag=1时，属于文石溶解的临界阈值，溶解与沉积达到平衡，当Ωarag>1时，海水对文石过饱和，生物能正常形成外壳，当Ωarag<1时，海水对文石不饱和，生物外壳会溶解。研究发现，当Ωarag低于1.0时，γCO₂通常也低于3.0，因此，研究团队将γCO₂<3.0定义为对文石生物有害的临界阈值。

进一步分析表面个，在SSP5-8.5高排放情景下，到2100年，全球61.5%的海域γCO₂将低于3.0，意味着这些区域的海洋生态系统可能面临严重威胁，尤其是珊瑚、贝类等依赖文石和方解石的生物，这些生物的外壳形成可能受到抑制，进而影响整个海洋食物网。

面对海洋酸化和海洋碳汇问题，这项研究提出的γCO₂指标，不仅能够更准确地评估海水对CO₂的吸收能力，还能反映海洋酸化的程度。

图：全球表面海洋γCO2分布、季节和年际变化🔽

利用模型温度、盐度、pH 值和p CO 2计算，详见方法部分。a左图为2020 年全球海洋表层 γ CO2分布，右图为纬度分布。b 、 c 2016–2020 年南北半球海洋表层 γ CO2的月变化。d 1992 年至 2020 年海洋表层 γ CO2的年际变化，波浪线表示 γ CO2的季节性波动。过去 30 年来，γ CO2导致全球海洋下降了 13%。

❓思考题：新提出的指标γCO₂主要用于评估什么？

A.海洋温度变化
B.海水吸收CO₂的能力和海洋酸化程度
C.海洋生物多样性
D.海平面上升速度

参考文献：Wang, Z., Li, X., Song, J. et al. A new indicator can assess absorption capacity for carbon dioxide and ocean acidification. Commun Earth Environ 6, 401 (2025). doi.org/10.1038/s43247-025-02380-4