今年6月初，約3800萬噸馬尾藻漂向加勒比海島嶼、墨西哥灣和南美洲北部沿岸，創(chuàng)下歷史新高。在夏季，這些褐藻經(jīng)常堆積在海岸線上，腐爛后散發(fā)出強(qiáng)烈氣味。這種藻類堆積不僅打擊了旅游業(yè)，還威脅著沿海生態(tài)系統(tǒng)。不過在開闊水域，漂浮的馬尾藻是許多海洋生物的重要食物來源和棲息地。

馬尾藻原產(chǎn)于佛羅里達(dá)州以東的馬尾藻海。自2011年以來，科學(xué)家反復(fù)記錄到"大西洋馬尾藻帶"的形成——這是一條龐大的海藻帶，在盛行東風(fēng)的作用下從赤道漂向加勒比海。

直到最近，支撐藻類快速生長(zhǎng)的磷(P)和氮(N)來源一直不明。許多研究人員懷疑是農(nóng)業(yè)或雨林砍伐造成的營(yíng)養(yǎng)物流失，但僅憑這些因素?zé)o法解釋近年來馬尾藻生物量的急劇上升。

馬克斯·普朗克化學(xué)研究所主導(dǎo)的一項(xiàng)新研究確定了導(dǎo)致這些大規(guī)模藻華的主要機(jī)制，以及有利于其發(fā)生的氣候條件。這一發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家能夠設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)系統(tǒng)，預(yù)報(bào)未來的馬尾藻擱淺事件。

藻類表面生長(zhǎng)的藍(lán)藻提供額外氮源

在最新一期《自然·地球科學(xué)》雜志上，來自美因茨的研究人員描述了赤道附近強(qiáng)勁的風(fēng)驅(qū)上涌如何將富含磷的深層海水帶到表層，并將其向北輸送到加勒比海。磷供應(yīng)的增加促進(jìn)了生活在馬尾藻表面的藍(lán)藻生長(zhǎng)。

這些微生物能夠捕獲大氣中的氮?dú)?N?)并將其轉(zhuǎn)化為藻類可利用的形式——這一過程稱為固氮作用。藍(lán)藻與藻類形成共生關(guān)系，提供額外的氮源來促進(jìn)其生長(zhǎng)。研究表明，這種合作關(guān)系使馬尾藻在赤道大西洋獲得了相對(duì)于其他藻類的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，有助于解釋其生物量近期的增長(zhǎng)。

珊瑚巖芯中的氮同位素揭示了過去120年的固氮速率

研究人員通過分析來自加勒比海不同地點(diǎn)的珊瑚巖芯，確定了藻華、固氮增加和富含營(yíng)養(yǎng)的冷深層海水上涌之間的聯(lián)系。珊瑚是重建海洋過去變化的重要檔案，因?yàn)樗鼈冊(cè)谏L(zhǎng)過程中會(huì)將水體的化學(xué)特征納入鈣質(zhì)骨骼中。通過分析類似于樹木年輪的珊瑚年生長(zhǎng)層，研究人員可以揭示過去幾個(gè)世紀(jì)海洋化學(xué)組成的變化。

在這項(xiàng)研究中，馬克斯·普朗克研究人員分析了珊瑚的氮同位素組成，重建了過去120年海洋微生物固定的氮量。在固氮過程中，細(xì)菌降低了海洋中穩(wěn)定氮同位素1?N與1?N的比率。因此，珊瑚層中分析出的低1?N/1?N比率表明當(dāng)時(shí)固氮速率較高。研究船歐根·塞博爾德號(hào)采集的海水樣本用于校準(zhǔn)現(xiàn)代珊瑚的氮同位素組成，證明它們記錄了固氮作用。

自2011年以來，藻類生長(zhǎng)與固氮作用一直保持耦合

該研究的第一作者、馬克斯·普朗克化學(xué)研究所博士生喬納森·容格解釋說:"在第一組測(cè)量中，我們注意到2015年和2018年固氮作用出現(xiàn)兩次顯著增加，這兩年正是馬尾藻創(chuàng)紀(jì)錄爆發(fā)的年份。因此我們將珊瑚重建數(shù)據(jù)與年度馬尾藻生物量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，兩組記錄完美吻合!但當(dāng)時(shí)還完全不清楚是否存在因果關(guān)系。"

在檢查兩組測(cè)量數(shù)據(jù)后，研究人員發(fā)現(xiàn)了聯(lián)系。結(jié)果表明，自2011年以來，不僅是最大值，藻類生長(zhǎng)和固氮作用的整個(gè)數(shù)據(jù)序列(包括最小值)一直保持耦合。這個(gè)時(shí)間點(diǎn)很重要，因?yàn)?010年，強(qiáng)風(fēng)首次將褐藻從馬尾藻海帶到熱帶大西洋。

研究團(tuán)隊(duì)通過排除其他可能性，得出磷過量是馬尾藻爆發(fā)的關(guān)鍵因素。此前一種理論認(rèn)為，經(jīng)常從非洲吹向大西洋的富鐵撒哈拉沙塵促進(jìn)了藻類生長(zhǎng)。然而，沙塵輸入與生物量不相關(guān)。同樣，亞馬遜河或奧里諾科河的營(yíng)養(yǎng)物輸入也與觀測(cè)到的馬尾藻爆發(fā)不相關(guān)。

新機(jī)制可用于改進(jìn)對(duì)未來馬尾藻爆發(fā)的預(yù)測(cè)

因此，研究人員在論文中描述了一種機(jī)制:來自上涌深層海水的磷和來自固氮作用的氮驅(qū)動(dòng)了過去幾十年觀測(cè)到的藻華。地球化學(xué)家容格補(bǔ)充說:"我們的機(jī)制比以往任何方法都更好地解釋了馬尾藻生長(zhǎng)的變異性。但關(guān)于其他因素是否以及在多大程度上也發(fā)揮作用，仍存在不確定性。"

磷的供應(yīng)源于熱帶北大西洋較冷的海表溫度和南大西洋較暖的溫度。這些溫度變化導(dǎo)致氣壓變化，引發(fā)風(fēng)異常，使表層海水移位，允許富含磷的深海海水流入。

美因茨研究人員認(rèn)為，觀測(cè)赤道大西洋的風(fēng)、海溫以及由此產(chǎn)生的上涌變化，可以改進(jìn)對(duì)馬尾藻生長(zhǎng)的預(yù)測(cè)。馬克斯·普朗克化學(xué)研究所小組負(fù)責(zé)人、該研究的資深作者阿爾弗雷多·馬丁內(nèi)斯-加西亞解釋說:"最終，熱帶大西洋馬尾藻的未來將取決于全球變暖如何影響驅(qū)動(dòng)赤道大西洋過量磷供應(yīng)的過程。"

他的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過測(cè)量加勒比海不同地點(diǎn)的新珊瑚記錄，提供這些過程的更詳細(xì)視圖。研究人員預(yù)計(jì)，這些新發(fā)現(xiàn)可以指導(dǎo)減輕藻華對(duì)加勒比珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)和沿海社區(qū)影響的努力。

編譯自/ScitechDaily