寻找丢失的氮

植物生长需要营养。没有营养，就没有生长。因此，科学家们惊奇地发现，巨型海藻一年四季都保持着惊人的生长速度，即使在夏季和初秋，当洋流停止输送营养时也是如此。显然还有其他东西在滋养海带，但是什么呢?

加州大学圣巴巴拉分校的一组科学家在确定这些来源方面取得了突破性进展。他们的研究表明，海带森林和珊瑚礁的无脊椎动物居民至少提供了巨藻在阳光明媚的夏季所需要的部分营养。研究结果发表在《全球变化生物学》杂志上。

在理想的条件下，巨型海带每天可以长到18英寸。维持这种惊人的增长速度需要大量的营养，尤其是氮。上涌将营养物质从深海带到南加州的沿海生态系统，但这种活动从每年5月开始逐渐减弱。

研究报告的主要撰写者、生态、进化和海洋生物学系的博士生乔伊·彼得斯说:“虽然还有氮，但还不足以满足海带的需求。”因此，该地区的珊瑚礁和海带森林面临着潜在的氮短缺，而漫长的夏季正准备促进藻类生长。然而，加州大学圣巴巴拉分校海洋科学研究所(MSI)的研究人员此前的研究表明，在这些季节，海藻继续以类似的速度生长。显然藻类有足够的氮;科学家只需要发现它的来源。

彼得斯和他的合著者、加州大学圣巴巴拉分校的丹·里德教授以及德隆·伯克皮尔教授认为，当地海底无脊椎动物群落可能是一个嫌疑人。这些无脊椎动物占据了海带森林地面上动物生物量的绝大部分——每平方米可达3公斤——而且它们比其他动物更有可能待在原地，这意味着它们总是生活在同一区域。

“问题是，无脊椎动物是否能在夏季提供足够的氮来满足海藻的需求?””彼得斯说。

为了回答这个问题，他测量了不同无脊椎动物通过排泄物排出的氮量。他收集动物，把它们放在一个过滤过的海水容器里，然后记录一段时间后铵离子浓度的变化——铵离子是主要的氮化合物。彼得斯总共观察了14个物种，包括海螺、帽贝、龙虾和海星，它们总共占了圣巴巴拉海带森林珊瑚礁上无脊椎动物生物量的90%左右。

他发现无脊椎动物实际上是沿海生态系统氮循环的重要组成部分，尤其是龙虾和海星。这最后一点相当令人惊讶，因为这些物种只占它们群落生物量的一小部分。

彼得斯解释说，海星是关键的捕食者，这意味着它们的存在对生态系统的形成有着巨大的影响。但他们似乎也是重要的营养回收者。他补充说，龙虾的情况也类似。

他认为这可能与他们的饮食有关。许多无脊椎动物是食草动物，但龙虾和海星是食肉动物。他们富含蛋白质的饮食在废物中产生更多的铵和其他富氮化合物。

彼得斯的研究结果表明，无脊椎动物的排泄物是神秘氮元素的组成部分，尤其是因为这些动物常年生活在珊瑚礁上。他怀疑这些营养物质大部分都留在海底附近，而不是进入水柱和海带林冠。由于海带在冠层吸收了大部分营养物质，所以一定还有更多的营养物质。

彼得斯计划调查其他种类的动物可能对这一神秘的氮元素有何贡献，尤其是在水柱较高的地方。然而，他确实在海带森林的下层建立了氮源，在那里它可以维持下层海藻、幼海带和浮游植物的生长。

一个政权更迭

2013年，一场流行病开始摧毁西海岸的海星种群。这种海星损耗病在接下来的几年里由于一种被称为斑点的温水异常而加剧。彼得斯说，研究人员发现，加州海岸外的海星生物量下降了99%，导致氮水平下降了80%。

他能够追踪这一变化，要感谢圣芭芭拉海岸长期生态研究项目(SBC LTER)近20年来收集的数据。它是由美国国家科学基金会(NSF)资助的研究项目网络的一部分，目的是研究多种生态系统中的长期生态现象。SBC LTER的研究人员对生态系统的基本条件进行常规测量，用于无数不同的研究。

这意味着，与以往的研究不同，彼得斯能够利用他所测量的营养动态，并将其投射到18年来有关物种生物量的实际数据上，而不是仅仅使用模拟。“这太罕见了，”他说。“在大多数研究中，你只是没有得到18年的背景。”

这些结果证明了这些长期项目的重要性。“这项研究揭示了环境变化如何影响海藻林微妙的生态系统动态，”资助这项研究的美国国家科学基金会海洋科学部门的项目主任大卫加里森(David Garrison)说。“这项工作只可能在正在进行长期研究的地点进行。”

令人惊讶的是，随着海星数量的锐减，多刺龙虾的数量增加了，而与海星不同的是，龙虾往往会聚集在一起。这些甲壳类动物白天躲在洞穴里，这样就能从它们的排泄物中集中营养。彼得斯想知道生态系统将如何应对这种变化。

2019年夏天，他计划测量龙虾巢穴周围的这些营养热点如何影响生态系统动态。他将测量水的化学成分、洞穴附近藻类的生长速度以及海底群落的变化。他很好奇这些营养物质是否会促进洞穴周围藻类的生长，从而导致更多的食草动物进入该区域。

这项研究反映了人们对自下而上的生态学的兴趣的复苏，即从食物链较低的动物向整个生态系统渗透的影响。在过去，生态学家几乎只关注营养物质的非生物来源。彼得斯解释说，在20世纪80年代有一些关于生物来源的讨论，但此后就没有多少关于这个想法的发表。他说:“然而，在营养有限的时期，海藻生长缺乏氮源。”“这项研究填补了这个空缺。”

科学家们还有更多的工作要做，以追查所有的氮，但这些结果已经开始解开谜团，并采取了一个新的方向的调查。彼得斯说:“这并不全是关于动物吃什么。“这也与它们提供给系统的营养有关。从这些动物身上提取的营养非常重要。”