2017年6月1日

東沙珊瑚記錄21世紀人類排放氮對遠洋的影響

作者/任昊佳,臺大地質系助理教授,普林斯頓大學博士,主要研究生物與自然環境在地球漫長發展歷史中的相互影響。

海洋浮游植物與所有生物一樣,需要氮才能生長,雖然空氣中的主要成分是氮氣,但是氮氣不能為大多數浮游植物使用,它們只能使用某些氮的形式,像是胺、硝酸鹽或有機氮等。自然界將氮氣轉化為可供浮游植物使用的氮之過程稱為「固氮作用」,只有少數細菌和藍綠藻可以進行固氮作用,這使得海洋中能為生物利用的氮極其有限,從而抑制了浮游植物的生長。
工業的固氮作用
從上個世紀以來,人類活動迅速增加了固氮作用的速度。在20世紀初,哈伯(Fritz Haber)和博施(Carl Bosch)2位諾貝爾化學獎得主的研究發現了可以將大氣中的氮氣轉化為生物可利用氮的工業固氮過程,哈伯-博施法(Haber-Bosch process)很快地被利用於生產氮肥料。同時,內燃機的使用和其他工業燃燒過程導致氧化氮(NOx)向空氣中大量釋放。由於這些人類活動,每年進入生物圈的固氮量增加了一倍以上,這些固氮大部分都沉降在臨近的陸地上,並引起陸地生態系統的劇烈改變,例如人類向自然環境中排放的氮已經頻繁地造成湖泊、河流或沿岸海域富營養化,引起藻類及其他浮游生物的迅速繁殖,使水體溶解氧含量下降,造成水中生物的死亡甚至絕跡。人類排放的氮也可以經由大氣傳播到更遠的地方,電腦模擬的結果顯示,遠離陸地的海洋也會受到人類活動排放氮的影響,然而,至今沒有直接觀測證據支持這一論點,因為人類造成的固氮會因為海水的混合而稀釋,其影響也可能被海洋中固氮生物的活動抵消。

筆者帶領研究團隊透過南海的珊瑚追蹤人為排放氮的證據,首次直接證實人類排放氮的確可以傳播到遠洋,該研究結果於2017年5月發表在 Science期刊中。

圖一:東沙環礁衛星圖像。(作者提供)

我們使用的主要工具為氮的穩定同位素。氮有2個穩定同位素:較輕的N14和較重的N15。人為排放的氮通常比自然環境中的氮含有更多N14,因此我們可以使用氮的穩定同位素來記錄人類排放氮的軌跡,例如,增加人類排放氮會增強自然環境或生態系統中的N14訊號,這種變化在陸地湖泊、森林、沿岸區域、甚至在南北極的冰芯中都有觀察到,但傳播到遠洋的氮通常因為被生物迅速並完全利用而難以觀測,且大氣沉降帶來的氮的訊號會被海水的混合迅速稀釋,這都對直接觀測遠洋環境中的人為影響造成了很大的挑戰。

圖二:東沙珊瑚骨骼中所含N14同位素訊號(紅色)自上世紀90年代末期開始迅速增強,其增強時間和趨勢與中國煤炭燃燒(藍色)和汽車數量(綠色)的增加相符。(作者提供)

石珊瑚骨骼內的氮同位素
石珊瑚是生活在淺海的一種常見生物,它們的碳酸鈣骨骼中含有微量有機氮,已經被前人證實可以記錄環境中的氮同位素組成,隨著珊瑚的生長,珊瑚骨骼會完好保存和記錄珊瑚生長環境中氮同位素組成的變化。

為更精確的測量珊瑚骨骼中微量有機氮的同位素組成,我們團隊採用目前世界上最先進的方法,先將有機氮氧化為硝酸鹽,再利用反硝化細菌的生物方法將硝酸鹽轉化為一氧化二氮(N2O)氣體,最後使用穩定同位素質譜儀測定一氧化二氮氣體的同位素組成,這種方法的靈敏度比傳統的將有機氮燃燒為氮(N2)的測量方法至少高100倍。

我們的研究團隊從南海北部的東沙環礁內取得珊瑚樣品。東沙環礁距離最近的陸地有300多公里,人為排放的氮只能通過大氣傳播到這裡,而其半封閉環形珊瑚礁的地理環境(圖一)使得科學家可以將其作為一個天然的實驗室來追蹤遠洋環境的變化。
如圖二表示,我們的研究發現,自上世紀90年代末期開始,珊瑚中所含的N14同位素訊號迅速增強,其增強時間和趨勢與亞洲化石燃料燃燒(包括煤炭燃燒和車輛廢氣排放)的增加相符,利用氮同位素證據,我們可以估算,至2010年,人為造成的氮沉降佔該地區表層海洋年輸入氮量的1/5。

這項研究首次直接觀測到人為氮排放對遠洋環境的影響,結果顯示化石能源燃料的使用所排放的氮能夠傳播到遠洋,並立刻被生物所吸收。該研究的結果再次警示我們:人類活動對自然環境造成的影響正在進一步擴大,我們在滿足自己欲望的同時也在向自然環境和其它生物施加壓力。這項工作也顯示我們可以將遠洋珊瑚骨骼中保存的氮同位素作為即時監控人類排放氮對遠洋環境影響的新工具。

延伸閱讀
1. H. Ren et al., 21st Century Rise in Anthropogenic Nitrogen Deposition on a Remote Coral Reef, Science, Vol. 356: 749-752, 2017. 
2. M. A. Weigand et al., Updates to instrumentation and protocols for isotopic analysis of nitrate by the denitrifier method, Rapid Commun. Mass Spectrom., Vol. 30: 1365–1383, 2016.

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