陳 芃,陳新軍,陳長勝,胡飛飛

1 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院,上海 201306 2 海洋漁業(yè)科學(xué)與食物產(chǎn)出過程功能實驗室,青島國家海洋科學(xué)技術(shù)實驗室,青島 266237 3 大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)教育部重點實驗室,上海 201306 4 國家遠洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心,上海 201306 5 農(nóng)業(yè)部大洋漁業(yè)開發(fā)重點實驗室,上海 201306 6 美國麻省大學(xué)達特茅斯分校海洋科學(xué)學(xué)院漁業(yè)海洋學(xué)部,新貝德福德 02744,美國

2003年,海洋酸化(Ocean acidification)的概念由Caldeira等[1]提出,將其特指人類持續(xù)排放二氧化碳增加而導(dǎo)致海水pH降低的現(xiàn)象,他們以聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)提出的IS92a二氧化碳排放模式為依據(jù),認為到了2300年左右全球表層海洋的pH將降低0.77個單位。這種海水酸化的現(xiàn)象可能會對海洋生物及生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重的影響,因此,該概念的提出引起了學(xué)者們的廣大興趣,他們基于各自不同的專業(yè)角度對海洋酸化的現(xiàn)象、機制和影響展開了諸多研究。在該概念提出的十余年后的今天,對海洋酸化研究現(xiàn)狀的梳理有助于從整體把握其研究現(xiàn)狀,揭示其中存在的問題及研究前沿方向。國內(nèi)外已有不少關(guān)于海洋酸化研究的綜述文獻出現(xiàn)：例如：2011年,Gattuso等[2]出版了專著《Ocean acidification》,該專著匯編了諸多學(xué)者之前對海洋酸化現(xiàn)象和機理的研究成果并重點闡述了海洋酸化對不同類型海洋生物的影響;唐啟升等[3]綜述了海洋酸化及其與海洋生物和生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系的相關(guān)研究;張成龍等[4]則專門闡述了海洋酸化對珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的影響的相關(guān)成果。然而,文獻綜述雖然能夠?qū)σ欢〞r期內(nèi)已有研究成果、存在問題進行分析、歸納、整理和評述,同時預(yù)測發(fā)展、研究的趨勢[5],但是,這種方法通?；跉w納和總結(jié)已有研究的基礎(chǔ)上,學(xué)者對文獻的選擇存在很強的主觀性,研究成果較多的情況下難免存在遺漏。此外綜述中未有一篇文獻能夠完全概括目前海洋酸化所涉及的學(xué)科內(nèi)容：以ISI Web of Science期刊引文數(shù)據(jù)庫為例,以“Ocean acidification”為主題詞同時標題中包含“review”進行檢索,共檢索到的文獻有58篇(截至2017年7月),對這些文獻進行分析發(fā)現(xiàn),幾乎所有的綜述都是總結(jié)海洋酸化對某一具體問題的研究結(jié)果,例如Lemasson等[6]總結(jié)了海洋酸化對牡蠣生物學(xué)影響的研究成果;Segman等[7]則通過綜合扇藻屬(Padinasp.)的一些藻類的研究,揭示出海洋酸化對鈣化藻類的影響。然而,海洋酸化所涉及的整體知識框架如何？研究熱點隨著時間的動態(tài)變化及前沿研究問題有哪些？

針對這些問題,研究采用文獻計量分析(Bibliometric analysis)的方法,以海洋酸化概念提出后(2004年以后)ISI Web of Science期刊引文數(shù)據(jù)庫中涉及到海洋酸化研究的所有文獻為樣本,對文獻的增長趨勢及期刊分布進行描述統(tǒng)計,并基于關(guān)鍵詞的知識圖譜及突變分析的方法探究不同時期研究海洋酸化的熱點關(guān)注方向。研究以期能夠客觀地揭示海洋酸化的研究態(tài)勢,為學(xué)者整體把握其研究現(xiàn)狀提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣本來源

研究的文獻樣本來源于ISI Web of Science期刊引文數(shù)據(jù)庫中的Web of Science核心合集。以“Ocean acidification”為主題詞進行文獻檢索,檢索時間為海洋酸化概念提出后的2004年至2018年2月。提取結(jié)果中的論文題目、發(fā)表年份、作者、關(guān)鍵詞和引用文獻作為分析樣本。

1.2 方法

1.2.1 描述統(tǒng)計

描述統(tǒng)計分為文獻增長規(guī)律及期刊分布規(guī)律分析。文獻增長規(guī)律即分年份統(tǒng)計涉及海洋酸化的文獻數(shù)量,以期能夠從整體把握學(xué)者對海洋酸化的關(guān)注趨勢;期刊分布規(guī)律即分不同期刊統(tǒng)計研究海洋酸化涉及的文章數(shù)量,以期對海洋酸化所涉及到的學(xué)科有著初步的了解。

1.2.2 基于關(guān)鍵詞的呈現(xiàn)知識圖譜

知識圖譜是以科學(xué)知識為研究對象,以一定的方法描述科學(xué)知識的發(fā)展進程與結(jié)構(gòu)關(guān)系的一種圖形[8],顯示了知識與知識之間的聯(lián)系[9]。以海洋酸化為例,科學(xué)家們對海洋酸化的研究側(cè)重點不同,一些研究可能主要描述海洋酸化的現(xiàn)象,而另外一些文獻則可能描述了海洋酸化對貝類、珊瑚礁的影響;同時在不同時期,學(xué)者可能關(guān)注的熱點知識也不一樣。因此研究利用共詞分析(Co-word analysis)的方法以研究海洋酸化文獻中的關(guān)鍵詞為指標,畫出不同時期研究海洋酸化的共現(xiàn)知識圖譜,探究海洋酸化熱點關(guān)注方向隨時間變動的規(guī)律?；驹砗筒襟E闡述如下：

(1)基本原理

文章的關(guān)鍵詞能夠集中概括研究的內(nèi)容。共詞分析基本原理和假設(shè)為[10]：同時出現(xiàn)在一篇文獻的一組(兩個或兩個以上)關(guān)鍵詞在內(nèi)容上存在著一定的聯(lián)系;一組關(guān)鍵詞在許多篇文獻中的同時出現(xiàn)則表示這組關(guān)鍵詞的關(guān)系密切。因此在知識圖譜中,將關(guān)鍵詞作為一個節(jié)點,這一組關(guān)鍵詞所代表的“密切關(guān)系”就能通過節(jié)點間的連線進行連接,繪制這樣許多組關(guān)鍵詞的聯(lián)系就形成了基于關(guān)鍵詞的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)知識圖譜。研究將時間劃分為三個時期：海洋酸化提出初期(2004—2009年)、中期(2010—2015年)和近期(2016年以后)。首先統(tǒng)計每一個時期發(fā)表的文獻中關(guān)鍵詞的出現(xiàn)次數(shù),在去除涉及海洋酸化本身的關(guān)鍵詞(如ocean acidification和seawater acidification)并且合并意思明顯相同的關(guān)鍵詞(如carbon dioxide和CO2)后,以出現(xiàn)頻次排名前30的關(guān)鍵詞作為熱點關(guān)鍵詞進行分析。共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的繪制和優(yōu)化分別利用Kamada&Kawai算法[11]和Pathfinder算法[12]實現(xiàn)。

(2)聚類分析和關(guān)鍵詞中間中心度(Betweenness centrality)的計算

文獻計量學(xué)中的聚類分析是以兩兩關(guān)鍵詞同時出現(xiàn)的頻率為基礎(chǔ),利用統(tǒng)計學(xué)的方法將復(fù)雜的關(guān)鍵詞網(wǎng)狀關(guān)系簡化為幾個相對較少的幾個類群的過程[13],通過這種辦法可以判斷出一定時期內(nèi)學(xué)者關(guān)注的幾個重點。聚類分析具體方法見文獻[14]。利用模塊性Q值(modularity)判斷聚類分析結(jié)果的好壞[14-15]：模塊性取值為0—1,最佳取值范圍為0.4—0.8,其值較低表示聚類界限不顯著,其值過高則表示類群間聯(lián)系過少。類群的具體意義借助關(guān)鍵詞和關(guān)鍵詞的中間中心度判斷：中間中心度為具體的數(shù)值,一個關(guān)鍵詞節(jié)點連接的其它關(guān)鍵詞節(jié)點越多則中間中心度越高,中間中心度高的關(guān)鍵詞可以在一定程度上反映出該類群研究的側(cè)重點[16-17],中間中心度的計算方法見文獻[16]。

1.2.3 突變檢測

突變理論表明[18],一篇文章若在某段時間內(nèi)被引頻次激增,則表明該篇文獻的內(nèi)容可能為新的研究方向,即研究前沿。利用Kleinberg[19]的突變檢測算法對涉及海洋酸化的研究前沿進行探測,該算法利用了概率自動機的原理,將一篇文章的被關(guān)注情況與其一段時間內(nèi)的被引頻次相關(guān),即其被關(guān)注的開始及結(jié)束時間與被引頻次發(fā)生顯著增加及減少(突變)的狀況有關(guān),由此判斷出該篇文獻是否在一段時間內(nèi)被學(xué)者們重點關(guān)注,并給出這段時間的起止年份及突變強度(burst strength),突變強度表示結(jié)果的可信度。取樣本文獻中的被引次數(shù)排名前10%的參考文獻進行計算,分析當(dāng)前(2018年2月)還處于熱點關(guān)注的文獻,由此確定目前海洋酸化研究的前沿領(lǐng)域。

1.3 分析軟件

以上分析利用文獻計量軟件Citespace 5.1.R6進行[20]。

2 結(jié)果

2.1 描述統(tǒng)計結(jié)果

2.1.1 文獻增長規(guī)律

圖1 海洋酸化研究歷年(2004年至2018年2月)來發(fā)表的文獻數(shù)量Fig.1 Annual numbers (from 2004 to the February of 2018) of literatures about the studies of ocean acidification

截至2018年2月,關(guān)于海洋酸化的文獻總計5275篇?？傮w上,涉及海洋酸化的研究文獻數(shù)量呈現(xiàn)激增的態(tài)勢(圖1)：2004的文獻數(shù)量為6篇;2005—2008年的4年,發(fā)表的文獻數(shù)量就由十位數(shù)(17篇,2005年)達到百位數(shù)(105篇,2008年);2017年的文獻數(shù)量已達到864篇,為這幾年中發(fā)表文章數(shù)量最高的年份;到了2018年,雖然研究統(tǒng)計的月份只到2月份,但是其數(shù)量已達到119篇?？梢娀诤Ｑ笏峄难芯渴沁@十多年來科學(xué)界的熱點話題。

2.1.2 期刊分布規(guī)律分析

表1統(tǒng)計了刊登海洋酸化的研究文獻最多的前20種期刊,它們包含的文獻數(shù)量占所有檢索文獻的44.95%。根據(jù)對這20種期刊類型的分析,研究海洋酸化不僅包含了如海洋學(xué)(如《ICES Journal of Marine Science》和《Oceanography》)和生物學(xué)(如《Integrative and Comparative Biology》)這樣的傳統(tǒng)學(xué)科,而且涉及到許多學(xué)科交叉的內(nèi)容,如生物地理學(xué)(如《Biogeosciences》)、海洋生物學(xué)(如《Marine Biology》)和地球物理學(xué)(如《Geophysical Research Letters》),這表明海洋酸化的研究需要多學(xué)科的共同參與;同時還可以發(fā)現(xiàn),在這20種期刊中總共有19種期刊的影響因子在2.0以上,另外包含著諸如《Scientific Reports》和《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》這樣的綜合類期刊,此外,備受自然科學(xué)界關(guān)注的主流期刊《Science》以50的文獻數(shù)排名第23位,這些都表明了,海洋酸化的研究受到了國外主流學(xué)術(shù)界的關(guān)注;此外,在這20種期刊中包含一種專門研究珊瑚礁的期刊——《Coral Reefs》,這在一定程度上表明了海洋酸化對珊瑚礁的影響是這十年來的重點研究領(lǐng)域。

2.2 基于關(guān)鍵詞的共現(xiàn)知識圖譜

圖2為基于關(guān)鍵詞的海洋酸化知識圖譜的呈現(xiàn),其中圓點為關(guān)鍵詞節(jié)點,圓點的大小代表其中間中心度。通過聚類分析,可以將在海洋酸化研究初期(2004—2009年)、中期(2010—2015年)和近期(2016年以后)的研究的熱點關(guān)鍵詞分別分成的5類、11類和11類(圖2),模塊性Q值分別為0.4625,0.3144和0.663。表明對海洋酸化研究初期和近期的聚類效果良好,中期效果不佳。在知識圖譜中,兩個類群若存在一定的關(guān)系則它們中的關(guān)鍵詞節(jié)點就會越靠近,導(dǎo)致兩個類群存在重疊(如圖2a中的類群1和類群3);而中期(圖2b)的幾個大的類群都有著重疊的情況出現(xiàn),即為這個時期聚類效果不佳的原因。

表1 刊登海洋酸化的研究文獻最多的前20種期刊

圖2 基于關(guān)鍵詞的呈現(xiàn)知識圖譜Fig.2 Keywords based co-occurrence mapping knowledge domain

對初期類群中的關(guān)鍵詞進行分析(表2),類群1圍繞著鈣化一詞,中間中心度最大(0.79),其次為氣候變化(0.34),其中珊瑚礁相關(guān)的詞匯最多,可見其表示著海洋酸化對珊瑚礁等生物影響的研究;類群2圍繞著二氧化碳一詞,中間中心度最大(0.32),同時包含著一些涉及海洋酸化的基礎(chǔ)詞匯(如海水、酸堿度和方解石等),表明該類群的關(guān)鍵詞重點為對海洋酸化本身現(xiàn)象的認識;類群3圍繞著赫氏顆石藻(emilianiahuxleyi)一詞,中間中心度最大(0.42),同時還包含著與類群1相似的關(guān)鍵詞如鈣化率,表明類群3與類群1相似,都是研究海洋酸化對海洋浮游生物的影響,這一點也可以從圖2a中的類群1與類群3存在部分重疊上看出;類群4中心度最大的兩個詞為影響(0.13)和人類排放二氧化碳(0.1),推測這一部分關(guān)鍵詞可能代表是人類二氧化碳排放造成海洋酸化影響機制的研究;類群5中的關(guān)鍵詞過少,無法直接判斷該類群代表的具體內(nèi)容,但是該類群與類群2存在重疊現(xiàn)象,同樣類群4與類群2也存在重疊現(xiàn)象(圖2a),根據(jù)詞義可知該類群可能代表結(jié)合模型對海洋酸化現(xiàn)象的一些研究。

表2對不同時期研究海洋酸化文獻中出現(xiàn)頻次最高(前30)的關(guān)鍵詞聚類分析結(jié)果

Table2Resultsofclusteranalysistothekeywordswiththehighestfrequency(the top 30)fortheliteraturesofoceanacidificationindifferentstage

對中期類群中的關(guān)鍵詞進行分析(表2),與初期類似,類群1圍繞著鈣化一詞,中間中心度最大(0.27),同樣也包含著較多的珊瑚礁相關(guān)的詞匯,表明該類群同樣代表海洋酸化對珊瑚礁等生物影響的研究;類群3則代表了海洋酸化對海洋浮游生物的影響,相較于初期,赫氏顆石藻的中心度降低,而海洋浮游植物和光合作用的中心度最高(0.15),但是類群1與類群3存在重疊,此外類群4包含了關(guān)鍵詞海膽,與類群1也有著重疊(圖2中期),表明這三個類群都是海洋酸化對生物影響研究的體現(xiàn);類群2圍繞著二氧化碳一詞,中間中心度最大(0.34),結(jié)合其它關(guān)鍵詞(如海水和碳酸等)可以判斷出這個類群與初期類似,為對海洋酸化本身現(xiàn)象的認識,與初期不同的是,該類群同時與類群1和類群3都具有重疊(圖2中期),表明這一時期的海洋酸化研究在海洋生物上的傾斜;類群4以后的7個類群僅包含著1個或2個關(guān)鍵詞,大多無法直接判斷具體的研究內(nèi)容且節(jié)點與其它類群不存在聯(lián)系(圖2中期),但類群8和類群9可以分別表明新的熱點研究區(qū)域(南大洋)和研究方向(海洋酸化與生物多樣性)。

對近期類群中的關(guān)鍵詞進行分析(表2),類群1中關(guān)鍵詞生長的中心度最高(0.42),同時還包含了海洋浮游植物、光合作用等生物方面的詞匯,可以看出類群1代表的是海洋酸化浮游植物的影響,同時可以看出該類群除了與類群4重疊以外,與其它類群均沒有發(fā)生重疊,表明與初期類似,該研究又重新單獨出現(xiàn)為一個重點領(lǐng)域;類群2圍繞二氧化碳一詞,中間中心度最大(0.6),與中期類似,為對海洋酸化本身現(xiàn)象的認識;類群3氣候變化的中間中心度最高(0.87),同時包含著海洋生態(tài)系統(tǒng)和魚類等詞表明,該類群代表了海洋酸化對生物及生態(tài)系統(tǒng)的影響,同時研究對象擴展到魚類;類群4除了群落一詞以外,均是關(guān)于珊瑚礁的詞匯,表示著海洋酸化對珊瑚礁等生物影響的研究;類群5以后的7個類群關(guān)鍵詞較少(圖2后期),但是類群8紫貽貝(mytilusedul)一詞的出現(xiàn)可以表明海洋酸化對該種類影響的研究為目前新的內(nèi)容?？偟膩碚f,雖然近期的類群聚類效果較好,類群較為分開,但是主要的幾個類群均含有生物相關(guān)的詞匯表明海洋酸化對海洋生物的影響研究依舊占據(jù)著主流方向,其研究內(nèi)容與初期類似。

綜上所述,總體上,在海洋酸化研究初期,研究內(nèi)容主要分為兩個部分,一是海洋酸化對海洋生物(尤其是珊瑚礁生物及浮游植物)及生態(tài)系統(tǒng)的影響;二是對海洋酸化現(xiàn)象的認識;中期,研究內(nèi)容與初期相似,研究重點往海洋生物上傾斜,同時有新的熱點研究區(qū)域和研究方向的出現(xiàn);近期,海洋酸化對海洋生物影響的研究依舊占據(jù)著主流方向。

2.3 突變分析結(jié)果

對樣本文獻中的參考文獻進行突變檢測,共檢測到182篇文獻。其中當(dāng)前(2018年2月)還處于熱點關(guān)注狀態(tài)的文獻共有39篇(表3),根據(jù)對這些文獻的分析,發(fā)現(xiàn)可以分成以下5個類別：

類別1：海洋酸化對海洋生物的影響;類別2：海洋酸化現(xiàn)象及機理;類別3：海洋酸化對生態(tài)系統(tǒng)的影響;類別4：海洋酸化與生物進化;類別5：其它,為背景及應(yīng)用文獻,如氣候變化現(xiàn)狀的研究(Bopp等和Stocker等,表3)。

表3 基于突變分析得到的當(dāng)前海洋酸化研究的熱點關(guān)注的文獻(截至2018年2月)

3 討論與分析

3.1 文獻計量分析效果的評價

相對于文獻綜述,文獻計量分析方法可以避免分析研究現(xiàn)狀和趨勢時對文獻選擇的主觀性,利用文獻本身的內(nèi)在聯(lián)系客觀地描述問題[21]。如本研究中,利用描述統(tǒng)計對研究海洋酸化的文獻增長及期刊分布規(guī)律進行分析,得到了這10年來海洋酸化研究的基本情況：2004—2017年,涉及海洋酸化的研究文獻數(shù)量呈現(xiàn)激增的態(tài)勢(圖1),研究學(xué)科交叉明顯,海洋酸化對珊瑚礁及海洋浮游植物的影響是這十年來的重點研究領(lǐng)域(表2)。但是對基于關(guān)鍵詞的知識圖譜進行聚類時,雖然能夠看出不同時期研究的熱點方向,研究中期的聚類效果并不好(圖2),這一方面是研究本身的現(xiàn)狀決定的,另一方面,該方法的不確定性來源于高頻關(guān)鍵詞數(shù)量的選擇[13],高頻詞數(shù)量過少,可能不能涵蓋分析的所有內(nèi)容,數(shù)量過多則會導(dǎo)致最終聚類類群過多。因此研究后續(xù)加入突變分析進行補充,突變分析使用到的被引次數(shù)排名前10%的參考文獻實際最低的引用次數(shù)為2,基本涵蓋了學(xué)者們的關(guān)注內(nèi)容,而得到的目前還處于熱點關(guān)注文獻中(表3),共有26篇(類別1和類別4)涉及到生物方向,這也側(cè)面佐證了海洋酸化對海洋生物影響的研究占據(jù)著研究的主流方向的結(jié)果。此外通過閱讀突變分析得到的熱點關(guān)注文獻內(nèi)容,還可以對研究前沿方向有著清晰的判斷。

3.2 海洋酸化的前沿問題

圖3 當(dāng)前海洋酸化研究內(nèi)容總結(jié)Fig.3 Summary of present studies for the ocean acidification

根據(jù)對表3文獻的分析,研究認為當(dāng)前海洋酸化的研究可以分為海洋學(xué)、生物學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)3個層面(圖3)。具體來說,存在以下5個前沿方向：

3.2.1在探究海洋酸化與生物的關(guān)系之時需結(jié)合多因子討論

在涉及海洋酸化對生物影響研究的文章中,一些研究以海洋酸化作為單一因子,分析其對生物的不利影響,例如Beniash等[22]發(fā)現(xiàn),東牡蠣(Crassostreavirginica)的幼體在高酸性海水的條件下,其死亡率會增加,同時酸性海水還會降低東牡蠣殼的硬度及韌性。然而也有研究者發(fā)現(xiàn),將海洋酸化結(jié)合其它因子共同探究其對生物的影響后,有可能產(chǎn)生其它不同的結(jié)果,這種結(jié)果可能是更加不利的,也有可能其它因子會緩和海洋酸化帶來的不利影響：例如Byrne等[23]通過對海洋酸化和海水變暖海洋無脊椎生物影響的文獻進行綜述分析發(fā)現(xiàn),一些物種會受到來自海洋酸化和海水變暖兩方面的負影響,這種影響不僅可以是累加的(additive,如巴拿馬濱珊瑚Poritespanamensis)也可以是協(xié)調(diào)的(synergistic,即兩種因素同時還存在交互產(chǎn)生額外負影響,如柔枝軸孔珊瑚Acroporatenuis);但是對于一些種類,兩種因素的會相互抵消(antagonistic)：如白棘三列海膽(Tripneustesgratilla)在海水溫度增加3℃的條件下會減少海洋酸化對其骨質(zhì)結(jié)構(gòu)形成的負影響。Mcculloch等[24]也曾發(fā)現(xiàn),雖然萼柱珊瑚(Stylophorapistillata)和濱珊瑚屬(Poritesspp.)種類的鈣化情況在海洋酸化條件下會惡化,但是由于其體內(nèi)與溫度相關(guān)的pH上調(diào)(up-regulation)機制的存在,在結(jié)合全球變暖因素后,其鈣化情況甚至可能會提高。還有研究表明[25],海洋酸化對海洋生物的影響會隨著種類生活史階段的不同而不同：一般成熟的個體或大型種類對抗海洋酸化的能力比幼年個體或小型種類強。以上例子表明,結(jié)合單一一個因子對問題的探究有可能造成認識的偏差,若要正確認識海洋酸化對生物的影響,需考慮物種生活史及其它環(huán)境因子的共同作用。

3.2.2 探索生物在海洋酸化下的內(nèi)在應(yīng)對機制

此外,生物對于海洋酸化條件存在著馴化：例如Dupont等[28]等在對一種橈足類(Pseudocalanusacuspes)的培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn),與生活在低二氧化碳的條件的親體相比,高二氧化碳的條件下會造成其繁殖力的下降,但是若將生活在低二氧化碳條件的親體暴露于高二氧化碳的環(huán)境,其繁殖力下降程度要比已經(jīng)生活在高二氧化碳的條件一個世代的親體高28%。這表明生物對于海洋酸化條件存在著馴化機制。此外,在海洋酸化的條件下由于表觀遺傳多樣性及基因多樣性,物種同樣存在著適應(yīng)及進化的可能性[29]。例如對在低pH條件下培養(yǎng)了七天的紫色球海膽(Strongylocentrotuspurpuratus)幼體檢測發(fā)現(xiàn),涉及骨架構(gòu)成及pH調(diào)節(jié)的等位基因發(fā)生改變,這種改變能夠使得該物種更適應(yīng)海洋酸化的環(huán)境[30]。然而,一般的探究海洋酸化與生物關(guān)系的實驗常常是短期、單世代的[31],海洋酸化卻是一個長時間的氣候變化,物種存在馴化和進化的可能性很高。因此,在探究生物在海洋酸化下的應(yīng)對機制時,還需要關(guān)注物種自身由于馴化和進化產(chǎn)生的適應(yīng)性,對于這方面的研究,一方面我們應(yīng)該認識到,基于保證海洋生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的目的,進化并不是拯救海洋生物的萬靈藥,而是要將這一部分的不確定性應(yīng)用到后續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)測和管理中[29];另一方面,雖然我們不能研究所有生物的進化,但是可以有所選擇：首先應(yīng)該結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能選取其中的關(guān)鍵種,同時,優(yōu)先研究進化可能性較高的動物,比如世代轉(zhuǎn)化快、種群有著龐大物種(基因庫)的小型浮游植物[31]。

3.2.3 海洋酸化影響下的生物響應(yīng)的綜合評估及預(yù)測

通過前兩點的描述,可以看到生物在海洋酸化條件下的豐富的響應(yīng)情況,那么在這種包含有利和不利響應(yīng)的證據(jù)下,整體或者未來的生物的狀況如何？例如,Chan等[32]就發(fā)現(xiàn),在現(xiàn)在海洋酸化的條件下,不同的研究對珊瑚蟲的鈣化率變化得到的結(jié)果不同：每下降一個單位的方解石飽和度鈣化率變化有正有負,為- 66%—25%,因此他們利用Meta分析的方法綜合分析了25組現(xiàn)有的實驗結(jié)果,認為對于整個海洋珊瑚蟲群落,當(dāng)前這個數(shù)值應(yīng)為- 15%,同時預(yù)測在2100年總體珊瑚礁的鈣化率會下降22%。Wittmann等[33]則預(yù)測在2100年(預(yù)測到的大氣二氧化碳分壓的摩爾分數(shù)為0.0936%)時,魚類、甲殼類,珊瑚蟲、棘皮動物和軟體動物都會受到海洋酸化帶來的負的影響,其中后面三個種類受到的影響比前面兩個大。Chan等[32]和Wittmann等[33]的研究都用了Meta分析的方法,相同的方法還可見Harvey等[25]。但是,Meta分析存在著其分析固有的缺陷,Harvey等[25]就指出,它是對研究者所選研究結(jié)果的量化總結(jié), Meta分析的極大依賴于研究者對研究結(jié)果的主觀選擇,將物種合成一大類同時還會掩蓋住物種的特異性。今后的分析中,建議在充分了解物種對海洋酸化響應(yīng)、物種的中間關(guān)系的基礎(chǔ)上,結(jié)合物理海洋學(xué)和生態(tài)學(xué)的方法,采用生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)模型進行綜合研究。

3.2.4 探索海洋酸化對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響

生物在海洋酸化下的豐富的響應(yīng)同樣會帶來物種關(guān)系的改變,最終可能改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。雖然突變分析探測出相關(guān)方面的文章較少,只有5篇,且大多都為綜述類理論研究文章(表3),但是這可以表明學(xué)者已經(jīng)開始將視野逐漸轉(zhuǎn)到生態(tài)系統(tǒng)這一整個海洋大系統(tǒng)上。這里僅分析Gaylord等提供的相關(guān)理論研究結(jié)果以具體描述目前的研究內(nèi)容[34]：基于海洋生態(tài)系統(tǒng)的角度海洋酸化的研究存在以下3個基本觀點：觀點一：海水二氧化碳的增加為初級生產(chǎn)者提供了生產(chǎn)力;觀點二：海洋酸化會給許多消費者生存帶來能量消耗;觀點三：生物間的相互聯(lián)系的認識是研究海洋酸化對海洋生態(tài)系統(tǒng)影響的關(guān)鍵所在。具體來說,觀點一有可能會是正影響,因為海洋酸化對海洋生態(tài)系統(tǒng)帶來了更多的碳源;觀點二表明了各種消費者在海洋酸化條件下維持生存的額外消耗,這屬于生物學(xué)層面的研究內(nèi)容;而觀點三中的相互聯(lián)系包含了很多方面的內(nèi)容：海洋酸化可能會對消費者的初級生產(chǎn)力利用產(chǎn)生的負影響、對種群內(nèi)部以及種群間過程和聯(lián)系(競爭、捕食和互助關(guān)系)的影響、對群落結(jié)構(gòu)的影響、種群結(jié)構(gòu)和群落結(jié)構(gòu)對海洋酸化的馴化和適應(yīng)及生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性變化。由此可見,探索海洋酸化對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響研究需要在生物學(xué)層面認識的基礎(chǔ)上(生物個體的變化),重點研究以下兩點：第一：生產(chǎn)者對高碳環(huán)境的響應(yīng);第二：海洋酸化條件下涉及種群、群落及生態(tài)系統(tǒng)層面的各種復(fù)雜聯(lián)系的變化。

3.2.5 對海洋酸化概念的挑戰(zhàn)——海洋酸化形成原因的探索

Caldeira等[1]的海洋酸化概念將海洋酸化形成原因完全歸結(jié)于人類排放二氧化碳持續(xù)增加。在該概念提出的后續(xù)幾年,不少觀測資料確實證明了這一點：其中最為著名的證據(jù)是在北太平洋的莫納羅(Mauna Loa)站點觀測大氣二氧化碳濃度與其臨近海域阿羅哈(Aloha)站點觀測海水二氧化碳濃度兩條曲線的年間變動幾乎完全一致的現(xiàn)象[35]。這種人類排放二氧化碳持續(xù)增加導(dǎo)致了海洋酸化的觀點幾乎被大多研究者所接受,然而,最近的研究表明,這一觀點實際上是偏頗的。Hofmann等[36]比較了不同海域pH的變動,發(fā)現(xiàn)相比于開闊的大洋區(qū)域,近岸的pH變動非常劇烈,他們指出,這種劇烈的變動其實源自于近岸復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物過程。Duarte等[37]對這些過程進行了歸納(表4),可以看出,海水對人類排放二氧化碳的吸收僅為這些過程的其中一個因素。那么,其它因素是否也能引起海水的pH降低？對于這個問題目前已有研究：Cai等[38]對墨西哥灣的海洋酸化情況進行研究,發(fā)現(xiàn),人類排放的二氧化碳使得海水pH降低了0.27,該值低于由富營養(yǎng)化導(dǎo)致的pH降低數(shù)值(為0.34)。Wallace等[39]對北美州大西洋沿岸的研究也有相似的結(jié)果。Duarte等[37]觀察了一些沿岸生態(tài)系統(tǒng)海水pH的年間變動,發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域的pH變動情況不同,有些地方保持平穩(wěn)波動而有些地方甚至出現(xiàn)了上升：例如美國切薩皮克灣(Chesapeake Bay)的海水由于同時存在著高pH和低pH河流水的匯入,不同河流水匯入的多少的年間差異導(dǎo)致其海水pH常年保持著波動狀態(tài);而美國坦帕灣(Tampa Bay)的海水pH除了在1980- 1985年有著迅速的下降以外,在1985年以后都保持著上升的趨勢,1980年以后幾年的下降來源于當(dāng)時海灣附近人口的快速增長導(dǎo)致的營養(yǎng)物質(zhì)的無節(jié)制排放,而在這之后由于實行了有效的管理,海草及水質(zhì)的改善使得坦帕灣海水的pH逐年升高。此外,研究發(fā)現(xiàn),沿岸的pH變化還很大的受到了季節(jié)性因素的影響：沿岸pH不管在大時間尺度還是小的季節(jié)尺度其pH的變動幅度(數(shù)十年變化0.5左右,季節(jié)性變化大于0.1)都要遠大于相對穩(wěn)定的開闊的大洋(數(shù)十年來總體減少了0.1,季節(jié)性變化小于0.05)[35-37]?？梢?在沿岸區(qū)域,海洋酸化的原因不一定完全由人類排放二氧化碳增加導(dǎo)致的,其它因素也有可能是海洋酸化的主要原因。

表4 海水pH變動因素總結(jié)[37]

綜上所述,在開闊的大洋,人類排放二氧化碳增加確實是導(dǎo)致的海洋酸化的主要原因;而在沿岸區(qū)域,我們還需要了解除這一因素以外,海洋酸化形成的其它原因。對海洋酸化概念的挑戰(zhàn)并不是要否定海洋酸化這一現(xiàn)象,畢竟人類二氧化碳排放的增加是不爭的事實。要探究的是,在不同的沿岸海域,哪一種因素才是海洋酸化的主要原因,這樣人們在應(yīng)對時,除了采取減少二氧化碳排放這一主要措施以外,還能夠因地制宜,針對具體的原因,采取其它更加有效的方法進行治理達到保護海洋生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的最終目的。

3.3 展望

本研究利用文獻計量分析的方法對目前海洋酸化的研究進行了概括?？梢园l(fā)現(xiàn),海洋酸化所涉及的研究通常需要多個學(xué)科的支持,例如在研究富營養(yǎng)化產(chǎn)生的海水酸化時除了需要海洋學(xué)科的幫助得到海洋水文的具體數(shù)據(jù),也需要生物和生態(tài)學(xué)知識以對富營養(yǎng)化有著較深的認識,因此今后海洋酸化的研究建議應(yīng)開展多學(xué)科的共同合作。除外,海洋酸化研究涉及學(xué)科面廣這個特點也可能造成本研究的不足,研究的樣本是ISI Web of Science期刊引文數(shù)據(jù)庫中的Web of Science核心合集以海洋酸化主題詞的文獻,分析結(jié)果有可能會過于籠統(tǒng),無法闡述某一問題或方向研究的具體變動趨勢,今后的研究可以將問題細化在海洋酸化文獻檢索中增加主題詞進行具體分析。

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