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拯救死亡海域
Reviving Dead Zones
【摘 自】科學人雜誌2006年12月號
【中文章名】拯救死亡海域
【外文章名】Reviving Dead Zones
【作 者】米伊(Laurence Mee)
【譯 者】涂可欣
知識分類：生態學、化學
從2000年拍攝的衛星照片，可以看出，黑海西岸因河流夾帶著營養鹽，導致浮游生物大量滋生。
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人為造成的植物和海藻生長失控已經嚴重破壞海洋生態，海中的動、植物將因為缺氧而大量死亡！
想像在一個炎熱夏日，海灘上擠滿了度假的旅客，孩童們在淺海處戲水，尋找著貝殼和寶藏，然而海浪卻開始把死去或垂死的動物沖上岸，剛開始，還只是幾隻扭動掙扎的魚，緊接著是一大批腥臭腐敗的螃蟹、蚌蛤、貽貝和死魚。聽到孩子們驚嚇的哭叫，父母倉皇將還在水中的孩子拉上岸。然而在地平線之外，漁夫卻垂頭喪氣，開著空船返回港口。
這個情景並非出自二流的恐怖電影，而是1970年代和1980年代多次發生在羅馬尼亞和烏克蘭多處黑海度假海灘的真實事件。在那期間內，估計有6000萬噸的海底生物因缺氧而死，大片海洋由於含氧量太低，除了細菌外，沒有其他生物可生存。
最嚴重的案例發生在1990年，多瑙河出海口西北方，有一塊面積相當於瑞士（四萬平方公里）的海域變成了生物「死區」（dead zone）。而在地球的另一端，墨西哥灣的密西西比河三角洲出海口，在1970年代中期也出現了一大片死區，最嚴重時面積達2萬1000平方公里。過去20年來，世界各地的海岸和出海口水域，陸續都有生物奄奄一息或死亡殆盡的報告出現。
自從我在1990年代初期發表了第一篇有關黑海生態危機的論文後，研究重心就一直在找尋破壞海洋生態的罪魁禍首、如何防範生物死區的形成，以及讓這些海域恢復生機的方法。我和其他研究者，現在已經發現了地球許多沿海生態系遭受破壞的重要細節，並且找到了可以幫助它們復原的新資訊。
優養化導致生物死區
現今的海洋研究人員認為，大部份生物死區的形成都與優養化現象有關：海水裡有過多可促進植物生長的營養鹽（主要是含氮和含磷的化合物）。雖然適量的「肥料」有益於浮游植物的健康（浮游植物是漂浮在海上的藻類和其他行光合作用的微小生物，它們是大部份海洋食物鏈的基礎），以及利於生活在陽光充足的淺海海草和海藻的生長，但過多的營養鹽也會讓植物生長得太快，導致破壞性的藻華和其他麻煩的效應。
這些植物進入食物鏈的方式，可能是被微小的浮游動物、草食性魚類和貽貝、牡蠣等海底濾食動物食用，或因死亡腐敗落到海底經細菌分解，並成為海底沉積物。這些有機物餵養了生活在海洋底層的動物，其中包括了蟲、蝦和一些魚類。
在正常狀況下，浮游植物的數量會受限於光線、營養和攝食動物，但大幅增加氮和磷的濃度，可以讓這些微小的光合作用生物大量增生，浮游植物數量如果暴增，海水最後會變成綠色、甚至褐色，而遮蔽了下層植物所需的陽光，淺灣裡的海草也會因附生海藻覆蓋，最後窒息而死；海藻還會包裹住珊瑚礁，特別是在原本已有過漁壓力、草食動物很稀少的地方。
當浮游植物和附生植物數量驟增時，會立刻對鄰近的海洋生物造成影響，但是底層海水氧氣濃度降低時，情況就更糟了。當水域出現優養化時，動物的排泄物和增生而後死亡的生物，大多累積在海底，這裡的氧氣原本就相對較稀少，而細菌為了分解這些有機物又會消耗掉氧氣，使得氧濃度變得更低。
水中的氧氣來自光合作用和海面上空氣的擴散。如果有一個區域的海底佈滿了死掉的植物，同時又有很強的密度梯度（可能源於不同水深的溫度差或鹽度差），使得上下水層不易混合，底層的氧氣就會很快消耗一空，導致整個動物群死亡。研究人員在調查時發現，幾乎所有生物死區發生的現象都依循這基本次序：優養化導致浮游植物增生，底層細菌活動過盛，氧氣耗損，導致植物及動物死亡。
然而，受當地生物和物理條件，以及陸地排放植物肥料速度的影響，各生態系間仍會有一些小差異。舉例來說，沖刷較少的河口三角洲格外容易受優養化的影響，因為緩慢的水流會使底層海水氧氣的補充較慢，氧氣含量減少一直是美國東岸海域的沉痾，像奇瑟比克灣等許多大河口，都有這樣的問題。
這些沿海地區過量的氮和磷，主要是因為當地人民生活習慣改變造成的，像是使用越來越多的化石燃料（將氮釋放到大氣層中）、大規模動物養殖場和密集農業的廢水。下水道系統的污水，全將大量營養鹽排放到河川流域，最後進入海洋。聯合國在2005年公佈的「千禧年生態系統評估」指出，從1860~1990年，排放到海洋的含氮化合物增加了80%，這份報告也預測，到本世紀中葉，因人類活動而流入海裡的物質，還會再增加65%。除非人類能立即採取一些措施，減少植物營養鹽的逕流，否則生物死區將會更加普遍。
水中墳場
雖然生物死區是在優養化的最後階段才形成，海洋生態系（特別是動物族群）在那之前就歷經了許多變化。一個健康的沿岸海洋食物鏈通常從矽藻開始，這些帶有矽殼的浮游植物是橈足類的食物，而這些微小的浮游甲殼動物又是魚類的食物。營養鹽濃度的增加，會影響浮游植物的物種比例，讓其他較小或較難消化的物種數目遠超過矽藻，當優養化造成嚴重藻華現象時，橈足類動物通常無法攝食這些新增加的浮游植物物種，以及自然生態系統破壞後所產生的大量有機沉積物。這些變化有利於耐受力相當高的膠質生物，像是夜光蟲（這是讓受損海域夜間水面呈現螢光的原因），生物學家有時稱這些像水母的動物為「死巷物種」，因為較高等的掠食者很難以牠們為食，牠們的存在降低了食物鏈的效率，導致魚群日漸稀少。
像這樣食物鏈失衡的情形，在商業漁撈密集的地方則會更形惡化，特別是當漁夫捕撈的目標是具有高經濟價值的上層掠食者物種，像是鱈魚、海鱈、劍魚或鯖魚。失去了位於食物鏈頂端的物種，較小型被捕食魚種數目就會增加，導致牠們攝食的浮游動物變少，結果讓浮游植物益加生長。科學家稱這一連串過程為「營養級串聯效應」。一個效率低的食物鏈，會讓海底累積更多有機物質，而增加生物死區發生的危險。
當有外來物種時，也會讓生態系較易受優養化的破壞。舉例來說，當越洋船隻排放壓艙水時，就有可能釋出外來物種。1980年代，有一種可能源自美國東岸的淡海櫛水母（Mnemiopsis leidyi）開始在黑海繁衍，到了1990年代，這種食慾旺盛的死巷掠食者完全侵佔了整個生態系，數量最多時高達每平方尺有五公斤的水母，密度驚人。
此外，有貝類生長的礁岩有時可避免生態系的瓦解。在美國東岸，許多沿海河口都有牡蠣生長，牠們就像生態系的工程師，從海床層層堆疊出數尺高的大型礁岩。這些礁岩可供各式各樣的生物聚集，包括了比目魚、笛鯛、銀鱸和藍蟹。
舉例來說，美國加州大學聖巴巴拉分校的雷尼罕（Hunter Lenihan），和北卡羅來納大學教堂山分校的彼得森（Charles H. Peterson）表示，在北卡紐斯河口附近的牡蠣礁岩頂端因為高出缺氧水層，已成為底層水域物種的庇護所，牠們因生物死區的形成而無家可歸，流落至此。然而，機械化採收牡蠣經常會縮短這些礁岩的高度，而影響生態系的天然復原力。
黑海浩劫
黑海就是因為營養鹽過多、導致海底生態系遭受破壞的鮮明實例，而且它也能為如何復原海底生態系提供一些線索。從1960年代到1980年代，從陸地排放到黑海西北方海域的氮肥和磷肥增加了一倍，使得當地生態系陷入優養化的困境。這些氮、磷化合物的主要來源是多瑙河，其流域涵蓋德國到羅馬尼亞等中歐11個國家，禍源有農業逕流、都市和工業廢水，以及經由大氣層運送的含氮化合物。增加的含氮化合物至少有一半來自現代化的農耕方法，其中包括大量使用肥料和大型畜牧養殖場。這些農業活動也會增加流入海中的磷，不過影響更嚴重的是工業和都市廢水中飽含多磷化合物的清潔劑。
在1960年代以前，黑海西北方的淺海地區原是一個多樣且生產力高的生態系，廣大的近岸海底鋪蓋著大片的褐藻，遠處的離岸則有全世界最大、面積與荷蘭相當的紅藻群。這些天然的海藻草原，與龐大的貽貝和其他雙殼貝類族群共存，整個生態系養育了大量的無脊椎動物和魚類物種。海藻有助於底層海水的充氧，貝類則可過濾海水，維持海水良好的透光度，有益光合作用的進行。這樣的生態系生機盎然，即使氣候和自然環境發生大幅變化，它也能自我調適。然而當流入海中的營養鹽越來越多時，海面開始出現濃密的藻華。表層浮游植物的繁茂生長卻會降低海水的透光度，剝奪了底層海藻的陽光，導致底層植物死亡，而改變了整個自然生態系。
到了夏天，海水層因密度不同而產生分層結構，氧氣含量（特別是接近海床的地方）開始下降，許多受影響的雙殼貝類可以闔起貝殼，靠體內儲存的肝醣（動物儲存能量的主要醣類）在低氧環境下生存20天，然而，當這些能量耗盡，軟體動物就會集體死亡，細菌和其他生物為了分解這些死去動物的屍體，又消耗掉了僅存的氧氣，並釋放出更多的植物營養鹽。當所有的氧氣都耗盡，所有正常生活在那裡的動物，要不是跟著死亡，就是得遷移到其他地方找尋食物和氧氣。而這個區域的自然生態系也嚴重受創。
這片海域一直到1989年底才開始有恢復的跡象。當時東歐共產政權解體，結束了中央經濟計畫，突然間，農民沒有資金購買肥料，農耕活動減少；許多大型動物養殖場也關閉，因此大幅降低了營養鹽的排放。羅馬尼亞過去有一座豬肉工廠，養殖了超過100萬頭豬，排放出來的廢物相當於一座有500萬居民的城市。
在接下來的六年內，流入海水的營養鹽大幅減少，生物死區的面積也隨之縮小（參見下頁〈黑海復原〉）。但海底的復原是緩慢漸進的。例如，我的烏克蘭同事研究發現，原本受創嚴重的黑海西北海域，到了2002年才有貽貝生長，但其他動物則在多年前就已經恢復生長。今年8月，我們的研究團隊仔細檢查了黑海的狀況後發現，海底藻類群落已在這裡重新建立，雖然現在的主要物種和生物死區發生前的主要物種並不相同。
要讓生物死區再現生機，很明顯的，減少附近陸地排放的營養鹽是最起碼的做法。但因優養化和缺氧而崩潰的海洋生態系，並不會因為人類活動的改變、減少流入河川的植物營養鹽，就立刻恢復正常，它還面臨了三個阻力。
復育的漫漫長路
河川流域通常都有儲存大量營養鹽的能力，營養鹽可能溶於地下水，或吸附在土壤顆粒上，氮肥、磷肥和其他化合物，可能需要數年、甚至數十年，才會不再從陸地瀝出而流到海裡。尤其是含氮化合物，格外容易累積在地下水中。
另一個讓生物死區較難復原的原因，是鄰近地區缺少健康的海洋動物和植物族群可提供「種子」，來復原那些消失的生物群。事實上，原本居住在受損地區的動、植物，甚至可能已經滅絕了。的確，本土種的海洋動物可能漂移到很遠的地方生長，健康生態系釋放的幼蟲也可以移植回空缺的生態區位，然而，有時那些「重返家園」的物種會發現，所有適宜的棲地，都已經被趁隙而入的外來物種佔據了。
最後一個問題是，優養化往往會造成生態系組成的改變，而且這種改變並不容易逆轉。在營養鹽濃度升高的初期，有些物種會減少，但只要自然族群能忍受數量相對較多的浮游植物持續生長，整個生態系大致還能保持健全長達一段時間。然而到了某一個臨界點，當重要物種受創死亡時，就會突然崩塌到一個新的衰退狀態。較能忍受優養化的既有物種，和從別處趁機入侵的新物種，會達到一個新的平衡狀態。不幸的是，這個新狀態通常相當穩定，因此，只是把營養鹽供給量降低到優養化之前的程度，並不一定能讓生態系復原，營養鹽濃度必須降至比原始還低的程度，才能發揮效用。
讓事情更複雜的是，從自然狀態降到受損狀態的那個臨界點，會因過度漁撈降低了生態系的復原力而提前到來。因此在健康的生態系恢復以前，我們也必須減少漁業活動。如果原本生態系中的物種消失了，或有外來物種入侵，這個生態系可能永遠無法回復原貌。
環境政策決定海洋生態
知道如何挽救生物死區還不夠，真正的關鍵是政府必須相信這是一項重要的任務，並且願意肩負起領導的角色。事實上，從科學家記錄的少數生物死區復原案例中可以看出，要降低來自土地的營養鹽逕流，必須大幅改變農耕方法和廢水處理工作。而目前大部份的計畫都只局部縮減陸地的營養鹽溢流。
要減少營養鹽的負載量，必須有涵蓋整個河川流域的全面性計畫，讓氮、磷留在土壤裡而不流到河水中。目前美國奇瑟比克灣和黑海均有這樣的計畫進行中。以黑海為例，在聯合國全球環境基金的挹注下，周邊國家的政府已同意致力於一個劃時代的創舉，讓營養鹽逕流維持在1990年代中期的水準，而改進農耕方法和廢水處理等試驗性質的小型計畫，似乎也有助於生態復原。
然而，黑海生態系要能夠完全恢復並持續下去，還必須先克服兩大考驗。歐洲當局必須採取一些措施，確保經濟發展復甦不會再次增加陸地排放到海洋的營養鹽。舉例來說，他們應投資運用最新科技的大型減廢設施。這點對多瑙河流域來說格外重要，在這地區有六個國家已加入或正準備加入歐盟，那些採取密集農業而常造成河流優養化的西歐國家農民，正準備收購中歐的農地。
政府應致力的下一個目標，是降低商業漁撈活動的密集度，讓掠食性魚群能復原。此外，漁船上的拖網會破壞重要的海底生物族群，因此一定要更有效的管理。
事實上，全世界的濱海國家一定要減輕優養區的漁業壓力。這是個困難的目標，目前全世界有一半以上的國家都有過度漁撈的情形，雖然有一項國際協議希望在2012年以前，建立一個海洋保護區的全球網絡，以降低過度漁撈，並拯救生物死區復育所需的種子生物，但是這項協議的目標看來很難達成，因為它缺少了強制執行的機制。
即使部份優養化的生態系能夠復原，有關當局也應該注意，部份復原狀態極度不穩定。舉例來說，貽貝有驚人的濾水能力，因此許多地區都在人工礁岩上養殖貽貝，以改善水質，但細菌在分解死亡貽貝和其排泄物時，也會消耗大量氧氣，於是在水循環不良和氧氣補充有限的地區，便會出現榮衰週期。在某些案例中，繁茂生長的貽貝會突然全部死亡，留下一片生物死區，直到有機物質完全分解後，才能再度恢復生機，科學家已觀察到波羅的海河川三角洲有這樣的現象存在。那些海洋資源管理者面對的挑戰是，如何讓海洋生態系維持在多樣化且具有復原力的狀態，即使生態系已不可能完全復原。
從更細微的層次來說，在評估一個生態系的健康或品質時，會視當地居民的價值觀而定。對某些人來說，只要有許多小型被捕食魚類，即是整治成功；對其他人來說，當海域裡充滿了食物鏈頂端的掠食性魚類，才算是可接受的復育成果。
海岸的生物死區提醒了我們，人類不能單純以為，自然生態系可以吸收我們排放的廢物，而不會產生嚴重和經常無法預期的後果。我們現在已經知道讓生物死區再現生機的方法，但是最終採取的步驟，取決於我們是否能坦承排放廢物對環境造成的後果，以及我們對全世界海洋生態系的重視程度。
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