東沙珊瑚記錄21世紀人類排放氮對遠洋的影響 - 任昊佳助理教授研究榮登《Science》期刊

在科技部和臺大的經費支持下，臺大地質科學系任昊佳助理教授帶領跨國研究團隊，首次直接證實人類活動排放的氮已經影響到遠洋環境，相關成果近期在「Science」雜誌上發表。

海洋浮游植物與所有生物一樣，需要氮才能生長，雖然空氣的主要成分是氮氣，但是氮氣不能為大多數浮游植物使用，它們只能使用銨、硝酸鹽或有機氮等氮的化學形式。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常常供不應求，從而限制了浮游植物的生長。

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，Fritz Haber和Carl Bosch兩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，Haber-Bosch反應很快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，這些固氮大部分都沈降在臨近的陸地上，但一部分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。

氮有兩個穩定同位素：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輕的同位素，使用氮的穩定同位素分析，任博士及其合作團隊試圖追蹤珊瑚中記錄的人為排放氮的信號。他們從南海北部的東沙環礁內取得珊瑚樣品，並測量珊瑚中所含有機氮的同位素組成。東沙環礁距離最近的陸地有300公里，人為排放的氮只能通過大氣傳輸到這裡，而其半封閉環形珊瑚礁環礁的地理環境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。任博士的研究發現，自上世紀90年代末期開始，珊瑚中所含的較輕的氮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的增加相符，而比模式預測要晚幾十年，其變化的幅度表明，至2010年，人為造成的氮沈降佔該地區表層海洋年輸入氮量的五分之一。

這項研究首次直接觀測到人為氮排放對遠洋環境的影響，結果顯示化石燃料能源的使用（包括煤炭消耗和車輛排放）所排放的氮可以傳播到遠洋，並立刻為生物所利用。我們向自然環境中排放的氮已經多次造成陸地湖泊河流或沿岸海水富營養化，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，使得水中生物的衰亡甚至絕跡，而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向自然環境和其它生物施加壓力。

發表的論文“21st Century Rise in Anthropogenic Nitrogen Deposition on a Remote Coral Reef”出現在2017年5月18日的Science雜誌上。文章全文請參見 http://science.sciencemag.org/content/356/6339/749

圖一：東沙環礁衛星圖像。（來源：國立中央大學空間與遙感中心）

圖二：自上世紀90年代末期開始，珊瑚中所含的較輕的氮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的增加相符，而比模式預測要晚幾十年。（圖修改自：Ren et al., 2017）