气候变化如何窒息海洋生态系统

当我说“海洋”的时候，你会想到什么?座头鲸突破蓝色的海水，或者可能是几英里长的珊瑚礁，由色彩鲜艳的鱼守卫。但是，如果我告诉你，那些最小的东西，那些肉眼看不见的东西，也值得探索呢?在流向大海的水里，在你脚下的沙和泥里——有生命。负责营养物质的循环利用，有时还负责水的净化。

事实证明，生活在海洋沉积物中的微观生命形式在调节水柱中营养物质(氮和磷)的数量方面起着至关重要的作用。我们关心水中营养物质的数量和种类，因为它们为构成食物网基础的微小植物(浮游植物)提供食物。说到海洋系统，我们主要关心的是氮。氮对海岸系统的影响最为深远，因为它是限制性的营养物。也就是说，相对于形成生命所需的数量而言，它通常是最不丰富的，因此浮游植物的生长受到这种营养物质供应的限制。

然而，虽然氮是植物生长所必需的，但过多的氮释放到海洋环境中会产生巨大的负面影响。过量的氮会引发不寻常的大型浮游植物大量繁殖，从而遮蔽水体，使其他水生植物(如鳗鱼草)无法生存。当浮游植物死亡并沉入海底时，分解过程耗尽了可用的氧气，杀死了鱼类、贝类和其他生活在海底的生物。不幸的是，人类通过多种方式将氮引入环境，包括燃烧化石燃料，给田地和草坪施肥，以及通过人类的排泄物。

氮循环是复杂的，许多过程都能将氮保持在一个系统内。只有一个过程，称为反硝化作用，永久去除氮。它发生在陆地、淡水和海洋生态系统中，是细菌呼吸的一种形式，它将生物上可用的氮(即亚硝酸盐、硝酸盐和铵盐)转化为不可用的形式，主要是氮气N₂．

这是一个从河口收集的沉积物岩心的例子。你在顶部看到的银色是封面的一部分。你所看到的灰色基底将沉积物保存在岩心管中。在这个沉积物岩心中，你可以看到中间有一只月螺。

反硝化作用很重要，因为它是河口和大陆架中主要的脱氮途径。它是自然发生的，可以去除河口总氮负荷的很大一部分。从某种意义上说，它是河口的天然清洁剂——去除氮，从而对抗上述负面影响。因为反硝化是如此重要，河口被描述为“过滤器”或“水槽”。

我们开始在美国东北海岸一个叫做纳拉甘西特湾的温带河口测量这一过程。我们开始在河口收集沉积物并把它们带回实验室。一旦进入实验室，我们将沉积物和上面的水密封在一个气密容器中，并随着时间的推移提取水样。然后，我们使用了一种可以精确测量水中溶解气体的仪器，称为膜入口质谱仪。

2005年，我们了解到，反硝化的速率自20世纪70年代末首次在这里测量以来已经大幅下降。对维持河口至关重要的清洁进程已经放缓。我们在2006年继续取样，发现了一个显著的变化。沉积物不再通过反硝化作用产生氮气，而是开始反硝化作用。也就是说，他们是修复氮。

膜入口质谱仪，也称为MIMS，要求体积小，不需要样品制备。此外，该仪器可以处理水样的溶解气体浓度快速(约20至30每小时)和非常精确。

在固氮过程中，沉积物中的细菌吸收氮气并将其转化为生物可用的氮(例如硝酸盐或铵)。想象一下这种变化——想象一下沉积物在呼吸。当反硝化作用起主导作用时，沉淀物就会呼出，清除水中多余的氮。但是，当固氮发生时，沉积物会吸入——将更多的氮带入系统。事实上，我们发现沉积物在2006年夏天增加的氮量是陆地和大气加起来的1.5倍多。这是一个重大的转变，从充当氮的“过滤器或汇”到充当氮的“来源”。

在沉积物中发现固氮是令人惊讶的，也有点令人担忧。大多数生物不能固定氮，长期以来人们一直认为这一过程在海洋沉积物中通常不重要。是什么导致了这种戏剧性的转变?这对河口和全球海洋意味着什么?

为了回答这些问题，我们开始探索海湾中发生的其他生态变化。自反硝化作用首次被测量以来的30年里，年平均水温上升了1.5摄氏度，鳍鱼被螃蟹和龙虾所取代。最引人注目的是，曾经是这个海湾特征的冬春浮游植物繁盛的时间和规模发生了变化。水柱中的浮游植物数量减少了近40%。这种减少很重要，因为在沿海系统中，浮游植物会沉入海底，为生活在沉积物中的生物提供食物。没有这种食物或有机物的脉动，生物体就无法生存。

沉积物岩心，用气密盖子密封，在水浴中。水浴使我们能够保持沉积物岩心的现场温度。整个装置被放置在一个环境室里，这样我们就可以控制温度，这样我们就可以观察沉积物营养循环的季节性变化。当我们提取样本进行分析时，我们从两个大的白色容器中替换水，容器中装有过滤后的现场水。中间的灰色大圆圈有一个电机，它带动附着在塑料板上的高功率磁铁。在每个沉积物岩心中，有一块磁铁附着在盖子上。当塑料板移动时，沉积物芯内的磁铁也会移动。这有助于我们保持沉积物上方的水不断搅拌，以模拟真实的环境条件。

我们认为有机物的减少也可能是反硝化作用向固氮作用转变的原因。所以我们设计了一系列实验来验证我们的假设。我们将不同数量的有机物添加到单个沉积物岩心以及四平方米的沉积物地块中。吸收新鲜有机质的沉积物均以反硝化为主，未吸收有机物的沉积物均以固氮为主。所以现在我们认为我们知道是什么导致了这种转变——负责反硝化的细菌需要新鲜的有机物质。我们也认为我们知道浮游植物产量减少的原因。

在过去的30年里，浮游植物产量的减少越来越多地与气候变化联系在一起。有两种主要的假设，值得注意的是，这两种假设都可能起作用。首先，海湾变暖的海水允许浮游动物，这些微小的动物，更早、更长时间地以浮游植物为食或吃草。如果是这样的话，浮游植物永远不会达到“开花”的能力，因为浮游动物吃它们太快了。

另一种假设是，温暖的冬天有更多的阴天，相反，寒冷的冬天有更多的晴天。在纳拉甘西特湾和其他地区，如缅因湾和波罗的海，许多研究表明，浮游植物冬春繁殖的开始是由浮游植物接收到的光量决定的。如果浮游植物得到较少的光照，那么这也会减少浮游植物生长的总量。

我们去年夏天观察到的长期影响仍然需要探索。下一步是确定有多少固定氮被循环到水柱中。这将有助于我们确定固定氮是否会影响海湾的其他生态过程。我们还需要看看其他河口和大陆架沿线是否也在进行固氮作用。由于这些地区是通过反硝化去除氮的热点，如果它们转向固氮，可能会对开阔的海洋产生重要影响。