互动科普

夏日的海滩人声鼎沸，蜂拥而至的度假者在沙滩上享受温暖阳光，孩子们光着脚丫在浅滩上戏水，找寻贝壳和其他宝贝。突然，死去的和垂死的动物冲向岸边：先是几条垂死挣扎的小鱼，然后是大量腐烂的臭蟹、蛤蜊、贻贝和死鱼。孩子惊叫大哭，父母们冲到水里把他们拉回岸上。远处的地平线上，垂头丧气的渔民返航归来，船舱里空空如也，他们一无所获。

这不是恐怖电影中的情景。实际上，20世纪70年代和80年代，在罗马尼亚和乌克兰许多位于黑海之滨的海滨度假胜地，此类事件屡见不鲜。在那个时期，这片辽阔海域极度缺氧，再也无法维持非细菌生物的生存，大约有6,000万吨生活在海底或深海的生物相继死亡。

1990年，位于黑海西北部多瑙河河口外的“死亡区”达到了最大规模，面积超过了瑞士的国土面积 （4万平方千米）。20世纪70年代中期，在另一个半球，密西西比河三角洲外的墨西哥湾出现了辽阔的死亡区，面积最大时达到了2.1万平方千米。过去20年里，全球各地的沿海与河口地区纷纷告急，死亡区频频出现，严重危害着海洋的生态环境（参见第34页地图）。

20世纪90年代初，我发表了有关黑海生态危机（ecological crisis）的第一篇论文，自那以后，我就一直致力于研究这类灾难，分析它们的起因，提出预防对策，寻找让死亡区恢复生机的有效办法。我和其他人的研究工作，不仅揭示了世界各地海洋生态系统退化事件的重要细节，还发现了新信息，能够帮助我们找到恢复死亡区活力的途径。

死亡区的形成

海洋研究人员把大多数死亡区的形成归咎于富营养化（eutrophication）现象。所谓富营养化，就是指海洋中，能够促进植物生长的营养物质（主要是包括氮和磷的化合物）过度富集。浮游藻类和其他微型光合植物构成了大多数海洋食物链（marine food chain）的底层。这些浮游植物（phytoplankton）群落，还有生活在光照充足的浅海海底的海草和海藻，都需要一定数量的“肥料”才能健康生长。但是，光照良好水域中的营养物质过多，会大大加速植物的生长，产生了破坏性的“藻类繁盛”，并带来其他不良后果。

植物进入食物链的方式有两种：被微小的海洋动物（浮游动物）、食草鱼类以及生活在海底的贻贝和牡蛎等滤食性生物吃掉；或者植物死亡、腐烂，沉入海底，经细菌分解而融入海底的有机沉积物中。这层海底有机物为生活在那里的动物（包括蠕虫、小虾和某些鱼类）提供食物。

正常情况下，浮游植物的数量受到光照、营养以及被采食情况所限制。但氮磷浓度一旦飙升，这些微型光合生物（photosynthetic organism）就会大量增殖。随着浮游植物种群繁盛，海水最终变成绿色甚至棕色，浮游植物投下的重重阴影，使生活在下面的植物得不到必要的光照，浅湾中的海草也被小型附着藻（附生植物）所掩盖，最终窒息而亡。此外，藻类还能包裹珊瑚礁，在大量捕捞造成食草动物日渐稀少的区域，这种情况尤其严重。

浮游植物和附生植物（epiphyte）种群大量增加，直接导致附近海洋生物的生存危机；当底层海水氧气水平下降的时候，环境就会更加恶劣。海洋富营养化期间，动物的排泄物和尸体数量猛增，形成了大量有机物质。这些物质大多积聚到氧气相对稀少的海底，而细菌在分解这些物质时消耗了大量氧气，进一步降低了氧气浓度。

海洋中的氧气，要么是光合作用的产物，要么就是从海面的空气中扩散到水里的。一个地区的海底被死亡植物覆盖，如果那里刚好又存在着较高的密度梯度，阻止不同深度的海水相互混合的话，海底的氧气就会迅速耗竭，导致动物群落陆续消亡，直至灭绝（这里的密度梯度是指，海洋中海水的密度随着深度的增加而逐渐增高的程度。密度梯度越高，意味着深层海水越重，不同深度的海水之间就越不容易混合，浅层的氧气也就越不容易渗入深海之中。这种高密度梯度是由海水中不同深度的温度或盐度差异造成的）。富营养化导致浮游植物繁盛，海底细菌过度活跃，氧气耗竭，现有动植物死亡。在研究人员调查过的每一片死亡区中，几乎都出现过这样的基本顺序。

当然，由于生物和自然环境不同，陆地向海洋提供植物营养的速度不同，各地的情况在细节上也就存在差异。例如，流速缓慢的河口就特别容易受到富营养化的影响，因为低速水流会导致底层海水中氧气补充十分缓慢。在美国东部沿海地区，氧气减少这一问题由来已久，那里的大型河口地区已受到了影响。

生活在沿海地区的居民总是把各种污水排放到海中，他们生活习惯上的变化，在很大程度上造成了沿海海域氮磷数量的超标。化石燃料用量的增加（向大气排放氮气），大规模家畜养殖和集约化农业生产（产生大量污水），甚至排污系统的建造（将废水全都排入水体），都会导致排入海洋的营养物质越来越多。联合国2005年公布的《千年生态系统评估报告》（the Millennium Ecosystem Assessment）表明，从1860年到1990年，由陆地排向海洋的含氮化合物增长了80%。报告还预测，到本世纪中期，人类活动向海洋排放的营养物质总量将再增加65%。因此，除非立即采取行动，减少植物营养物质的排放，不然还可能出现更多、更大的死亡区。

断裂的食物链

虽然死亡区是富营养化过程的最终结果，但早在它们出现之前，海洋生态系统（特别是动物群落）就已经发生了变化。健全的沿海食物链通常以硅藻（diatom）为开端，这种长着硅壳的浮游植物是桡足动物（copepod，极其微小的甲壳类浮游动物）的食物，而桡足动物又是鱼类的美餐。营养物质浓度提高，影响浮游植物种类的组成，更小或更不容易消化的浮游植物在数量上常常会超过硅藻。富营养化让大量浮游植物繁盛起来，但桡脚类动物却往往无法采食数量丰富的新浮游植物种类，也不能采食由于生态系统遭到破坏而产生的大量有机残渣（organic detritus）。这种变化有利于诸如夜光虫（Noctiluca）等适应性强的凝胶状生物生长（夜光虫是一种原生动物，在夜间，当水面受到搅动时，它就会发出磷光）。有时候，生物学家把这些形如水母的动物群落称为“终端物种”，因为更高级别的捕食者很难捕食它们，食物链到了这里，就像走进了一条死胡同一样。它们的出现降低了食物链的效率，导致鱼类食物短缺。

商业性的竭泽而渔，特别是对高经济价值的“顶层捕食者”物种（诸如鳕鱼、狗鳕、剑鱼和竹荚鱼等）的捕捞，让食物链的这种失衡雪上加霜。食物链顶层鱼类的减少，导致小型被捕食性鱼类数量增加，结果又致使小型鱼类的食物——浮游动物数量减少，从而使浮游植物更加繁盛。科学家将这种连锁反应称为“营养级联”（trophic cascading）。效率低下的食物链产生更多的海底有机物质，增加了随后出现死亡区的危险。

富营养化引起生态系统变化，还致使外来物种（foreign species）更容易入侵，它们可以通过多种途径进入这片海域，例如附着在跨洋船舶的压舱物上，被丢弃到这里。20世纪80年代，可能源于美国东海岸的淡海栉水母（Mnemiopsis leidyi），就在黑海安营扎寨，落地生根。到了1990年，这些贪婪的终极捕食者完全占据了那里的生态系统，在最猖獗的时候，每平方米的海洋中竟然有5千克淡海栉水母！

有时候，贝类动物构成的礁脉可能有助于避免生态系统恶化。在美国东部沿海地区的许多河口，牡蛎担当起“生态系统工程师”的职责：它们积聚成高出海床数米的巨大礁脉，维持着形形色色的生物群落，包括比目鱼（flounder）、鲷鱼（snapper）、石首鱼（silver perch）和蓝蟹（blue crab）等。

举例来说，美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的亨特·勒尼汉（Hunter Lenihan）和北卡罗来纳大学查珀尔希尔分校的查尔斯·H·彼得森（Charles H. Peterson）已经证明，在死亡区形成之初，北卡罗来纳州纽斯河（Neuse）河口牡蛎礁的顶部，就成了无家可归的海底生物的庇护所，因为它们高出海底，位于缺氧水层的上方。然而，机械化牡蛎捕捞经常会降低这些礁脉的高度，从而摧毁了这些生态系统的自我修复能力。

黑海灾难

过量营养如何摧毁海底生态系统，遭到破坏的系统又该如何恢复呢？黑海提供了一个值得研究的典型案例。20世纪60年代到80年代，黑海西北部水域沦为富营养化的牺牲品，那段时间，来自陆地的氮磷化合物翻了一番。这些化合物的主要来源渠道是多瑙河——包括德国和罗马尼亚在内的11个中欧国家的许多江河最终都汇入这条大河。造成营养物质过量的罪魁祸首是农业用水、城市污水及工业废水。注入黑海的氮化合物不断增加，至少一半是农业现代化的结果，例如化肥的大量使用和大型家畜养殖场的兴建。至于磷化合物排放量的增加，现代农业活动同样难脱干系，不过，富含多磷酸盐洗涤剂的工业和城市废水，才是主要的源头。

20世纪60年代以前，黑海西北部浅海区域是一个丰富多彩又极度富饶的自然生态系统，它的近海水域的海底生活着大片褐藻，而在更远一些的水域，还有着地球上最大的红藻群落——一大片面积与荷兰国土相当的Phyllophora（一种红藻）。这些自然藻类栖息地与盛产贻贝和其他双壳类动物的巨大海床共存，整个生态系统维系着大量无脊椎动物和鱼类的生存。藻类为底层海水制造氧气，贻贝则过滤海水，维持着光合作用所需的良好光照条件。这个生态系统具有高度修复功能，能够适应气候的剧变和自然界的干扰。然而，随着营养物质不断流入，表层海水中浮游植物大量增殖，降低了水体透明度，使得海底藻类得不到光照，最终导致它们消失，从而改变了整个自然生态系统。

每当夏季来临，海水层次分明、不易混合的时候，氧气水平就开始下降，海床附近尤为明显。受到影响的双壳类动物会合上它们的壳，依靠体内储存的糖原（glycogen，动物体内储存能量的主要碳水化合物）来维持生命。因此，在氧气不足的情况下，许多双壳类动物群落最多可以存活20天。当糖原耗尽时，这些软体动物就会全部死亡，细菌和其他生物分解它们的尸体时，又会消耗那里剩余的氧气，释放更多的植物营养物。到所有的氧气都快耗尽的时候，本来正常生活在这里的所有动物群落，除非迁移到其他地方寻求食物和氧气，否则就会全军覆没。这片区域的自然生态系统因此严重退化。

1989年底，这片区域才慢慢开始复苏。当时，东欧各国物价飞涨，农民买不起化肥，农业活动因而放慢了步伐。同样，许多大型养殖场关闭，大大减少了营养物质排放量。罗马尼亚以前有一个养猪场，所养生猪超过100万头，因此排放的污水也十分惊人——与一座500万人口城市的污水排放量相当。

6年内，营养物质流入量大幅下降，导致黑海死亡区面积大为缩小（参见第38页框图）。不过，海底的复苏需要循序渐进。例如，我的乌克兰同事所作的研究显示，黑海西北大陆架遭到破坏的贻贝海床，直到2002年才开始稳步复原，比其他生物群落的大量恢复晚了许多年。2006年8月，我们对黑海进行了一次科学考察，结果表明，大部分海底藻类群落已经复原。但它们已经不再是死亡区出现之前那些占据优势的物种了。

修复之路何其漫长

显然，要让死亡区复苏，至少要减少来自附近陆地的营养物质。但是，就算人类改变了生产和生活方式，减少排入河流的植物营养物数量，因富营养化和缺氧而崩溃的海洋生态系统可能还不会很快就恢复过来。这种阻力来自以下3个方面：

河流的集水处通常具有强大的营养物质储存能力——营养物质要么溶于地下水中，要么被土壤颗粒吸收。数年甚至数十年后，氮磷化肥和其他化学物质才会不再渗出，不再流向海洋。特别要提到的是，氮化合物往往都累聚在地下水中。

如果附近没有健全的海洋植物和动物群落，不能提供“种子储备”（seed stock）来恢复正在消失的生物群落，那么死亡区可能还会持续不去。实际上，曾经生活在受影响区域的动植物群落甚至可能已经灭绝。原本在这里土生土长的海洋动物处在幼虫阶段时，有可能从其他健全的生态系统中长途跋涉而来，最终在空闲的并且合适自己的微环境中重建自己的系统。然而有些时候，这些试图回归的物种会发现自己受到了排挤，乘虚而入的外来生物已经占据了所有合适的栖息地。

富营养化经常导致生态系统的构成发生变化，是难以逆转的（参见第39页框图）。最初，随着营养物质浓度的攀升，一些物种开始衰亡，但是如果自然群落能够抵挡住浮游植物相当大规模的增长，生态系统作为一个整体，也许仍然可以在很长一段时间内，继续保持强劲的势头。然而，在某个时刻，关键物种的消亡终于突破了生态系统的承受极限，使它突然退化到一种新状态。在那些仍然能够忍受富营养化环境的物种，以及那些从别处乘虚而入的侵入生物之间，这种新的平衡被建立起来。不幸的是，新的状态往往十分稳定。因此，仅仅把营养物质的排放量减少到富营养化出现之前的水平，也许无法恢复原来的生态系统；可能还得“矫枉过正”，把营养物质浓度降至更低的水平才行。

更糟糕的是，如果生态系统的修复功能因过度捕捞而减弱，那么从自然状态过渡到退化状态的临界点往往就会来得更早。因此，想要使海洋恢复健康，可能还必须大幅度减少捕捞活动。一旦原先生态系统中的物种已经消失，或者入侵者已经出现，那么从前的原始环境可能就永远也不会恢复了。

根除死亡区

仅仅了解如何修复死亡区还不够；对于各国政府来说，使死亡区复苏的关键在于，坚信这项工作是个重要目标，并且发挥带头作用。实际上，科学家们记录到的死亡区复苏的案例极为罕见，因为要减少陆地营养物质排放，就必须对农业生产方式和污水处理设施进行重大改革。迄今为止，大多数这类项目仅减少了一部分陆地营养排放量。

为了减少海洋中营养物的含量，我们必须在整个江河流域范围内，实施综合规划，把氮和磷保留在陆地上，使之远离水体。目前，这类尝试在美国切萨皮克湾和黑海周围展开。在联合国全球环境基金（the United Nations Global Environment Facility）的资助下，黑海周边的各国政府已经同意实施一项具有里程碑意义的计划，把营养物排放水平维持在20世纪90年代中期的水平。这项计划似乎旨在通过试验性的项目，改进农业生产和废物处理的方式，帮助死亡区复苏。

然而，要让黑海生态系统全面而可持续地恢复，有两个重大问题必须加以解决：欧洲各国政府必须采取措施，确保新一轮的经济发展不至于使陆地流入海洋的营养物质再度增长。比如，它们可以对采用最新技术来减少废物排放的工程进行重点投资。这一点对多瑙河流域特别重要，那里有6个国家已经加入或正在加入欧盟。一些西欧农民正急于购买中欧的农业用地，而他们擅长的集约型农业生产方式，常常导致河流与沿海水域富营养化。

下一步，各国政府必须减少商业捕捞活动，让濒临绝种的掠食性鱼类能够休养生息。渔船使用的拖网和捞网破坏了关键的海底生物群落，必须对这种捕捞行为实施更有效的管制。

事实上，各海洋国家必须不懈努力，减轻富营养化区域的捕捞压力，这是一项艰巨的任务，因为当今世界半数以上的水产公司都在过度捕捞。虽然已经达成一项国际协定，要在2012年建立一个全球性的海洋保护区域网络——这将有助于阻止过度捕捞，挽救复苏死亡区所必需的、关键的种子储备——但因为缺乏强制性机制，这一目标不大可能实现。

即使富营养化生态系统得以局部复苏，各国政府也必须认识到，局部复苏可能产生一种很不稳定的状态。例如，贻贝的滤水能力异常强大，在人工礁脉上大量安置贻贝已被用于改善水质。但是，细菌分解贻贝排泄物和死去的贻贝时，需要消耗大量氧气，在那些海水层次分明、不易混合、氧气补充又受到限制的区域，这种情况会导致生态的繁荣-萧条的周期性循环。在这些情况下，繁盛的贻贝群落会突然崩溃，留下死亡区；直到有机物质完全分解，贻贝群落才又重新恢复。科学家们已经在波罗的海的河口观察到了这种现象。海洋资源管理者面临的挑战就是，即使在一个已经不可能完全恢复的地方，也要努力维持一个具有修复功能的、生物物种丰富多样的生态系统。

从更加微妙的角度上来说，评判一个生态系统健全与否或质量好坏的所有标准，都取决于当地居民的价值观。对于一些人来说，能够使海洋中的小型被捕食性鱼类种群得以恢复，就是补救措施的理想结果了；而对于其他人来说，只有当海洋中处于生物链顶层的捕食者繁盛起来，补救措施才算取得成功。

海滨的死亡区提醒我们，人类不能简单地指望自然生态系统来吸收我们的废弃物，这样做会导致严重的后果，结果常常出乎我们的意想。现在我们已经知道如何复苏死亡区，但最终，复苏死亡区必须采取的步骤，将取决于我们对废弃物处置的环境后果的认识程度，更取决于我们估量世界海洋生态系统的价值标准。