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普林斯顿大学新闻

130-year-old brain coral reveals encouraging news for open ocean

当氮基肥料流入水体时,其结果可能会对近岸的海洋生物造成致命的影响,但在远海中氮污染的影响是什么呢?

一种有130年历史的脑珊瑚提供了答案,至少对美国东海岸的北大西洋来说是这样。普林斯顿大学(Princeton University)领导的一个研究小组通过测量珊瑚骨骼中的氮含量,发现其氮污染程度明显低于此前的估计。这项研究在线发表在《美国国家科学院院刊》上。

“令我们吃惊的是,我们没有看到增加的氮污染在北大西洋海洋在过去的几十年里,“兴晨王(托尼)说,主持工作的一部分,普林斯顿大学地球科学博士学位,现在在加州理工学院的博士后学者。

然而,总部位于普林斯顿的研究小组在早些时候的研究中确实发现,在南中国海的另一处开阔海域,氮污染水平有所上升,这与过去20年中国煤炭产量和化肥使用量的大幅增长相符。这一发现发表在2017年的《科学》杂志上。

在新的研究中,研究人员观察了珊瑚骨骼样本收集大洋以东约620英里的百慕大岛附近的北美大陆,一个地区认为是强烈影响机载氮释放美国大陆来源如汽车尾气和发电厂。

王说,尽管研究小组没有发现人类制造的氮含量上升的证据,但研究人员指出,氮含量的变化与一种名为“北大西洋振荡”的自然气候现象的预期水平相符。

这一结果与此前发表的预测北大西洋人为氮污染将显著增加的计算机模型形成了对比。

这项工作可能表明,美国的污染控制措施正在成功地限制人类产生的进入海洋的氮排放量。

王说:“我们的发现对未来人类氮对北大西洋的影响具有重要意义。”他说:“主要由于污染技术的进步,近几十年来,美国的人类氮排放量一直保持稳定,甚至有所下降。”“如果排放量继续保持在这个水平,我们的研究结果表明,未来几十年,开放的北大西洋仍将受到氮污染的影响最小。”

氮,当其生物可利用的形式和供应过剩,可以导致植物和藻类的过度生长,并导致严重的生态系统损害,包括海洋“死亡区”形成时,微生物消耗所有的氧气在水中,没有留给鱼。自20世纪初以来,化肥生产和化石燃料燃烧极大地提高了生物可利用或“固定”氮的产量。

当固定氮被排放到大气中时,会对远离陆地的海洋产生影响。然而,由于在公海进行长期观测所涉及的挑战,对海洋的影响很难研究。

珊瑚可以帮助。石珊瑚或“石珊瑚”是长寿的生物,它们在生长过程中形成碳酸钙骨架。珊瑚从周围的水中吸收氮,并在骨骼中沉积一小部分。这些骨骼提供了氮排放的自然记录。 

为了区分人造氮和自然产生的氮,研究人员利用了氮有两种重量这一事实。较重的15N比较轻的14N多含有一个中子。人为氮的比例为15N比14N,低于海洋中的氮。

“利用珊瑚骨骼中的氮来重建过去的环境变化,一直是我的梦想;多亏了托尼,我们现在做到了,”普林斯顿大学杜森伯里地质和地球物理科学教授丹尼尔·西格曼(Daniel Sigman)说。

在普林斯顿读研究生的时候,王发明了一种灵敏而精确的方法,用质谱仪来测量15到14的比例。质谱仪就像浴室里用来称量分子的秤。 

为了收集北大西洋的珊瑚样本,王和伍兹霍尔海洋研究所地质和地球物理学副教授安妮·科恩(Anne Cohen)于2014年带领一个团队前往百慕大。研究人员从离主岛约6英里的Hog Reef约10英尺深的活脑珊瑚(双纹迷路状)中取出了碳酸钙骨架的样本。研究人员通过测量漂浮在附近的浮游生物的氮含量,证实了百慕大的氮流失并不是该地区的一个因素。

除了王、科恩和西格曼,这项研究还邀请了普林斯顿大学地球科学专业的研究生维多利亚·卢(Victoria Luu)、国立台湾大学(National Taiwan University)的任浩佳(Haojia Ren)、加州理工大学(Caltech)的詹苏和马克斯·普朗克化学研究所(Max Planck Institute for Chemistry)的杰拉尔德·豪格(Gerald Haug)参与。

这项研究“自然迫使人类世的北大西洋氮循环”兴晨托尼·王,安妮·科恩,维多利亚并任豪佳,詹苏,杰拉尔德Haug和丹尼尔·西格曼,10月1日发表在本周的《美国国家科学院学报》(DOI: 10.1073 / pnas.1801049115)。这项工作由美国国家科学基金会(OCE-1060947和OCE-1537338)和普林斯顿大学的大挑战项目资助。