1998年,中国科学技术大学的孙立广去南极,要找的东西有点特别:企鹅粪。他想从一层层粪土里,翻出企鹅种群的老底。可到了岛上,企鹅们撅起尾巴,把粉红泛白的粪流往外喷,雨雪一来,没多久就冲得干干净净,像样的粪土层几乎找不着。
这事细想就怪了。按科研估算,南极有约1.2亿只企鹅。再按体重和排泄率推算,它们每天拉出的粪约有5000吨。这么大的量天天往下落,换个地方早该臭气熏天。
那么,每天约5000吨企鹅粪,到底去了哪儿?南极为何还能那么干净?
一趴就是几周,粪只能往窝外喷
先把那两个数掰开看。约1.2亿只,是国际南极科学考察委员会和多国科研团队把各地种群调查拼起来得出的量级估算。阿德利企鹅、帽带企鹅、巴布亚企鹅、帝企鹅都算在里头,数量年年还有起伏。
约5000吨,则是拿企鹅的体重乘上每天的排泄比例推出来的,谁也没拿秤去称过。5000吨摊到每只头上,一天也就四十来克,还不到一个鸡蛋重。单只看不起眼,麻烦在于企鹅爱扎堆。
繁殖季一到,它们成群挤在海边裸露的岩石地上,一个窝紧挨着一个窝。最难熬的就是这个季节。企鹅的窝是用石子一颗颗垒起来的,亲鸟孵蛋要连着伏好几周,不能说走就走,想方便了也没法离窝。
可要是就地解决,粪堆在窝边,会增加蛋和雏鸟暴露在污物中的风险。
企鹅的办法是人不挪窝,粪挪窝。它抬起尾巴,身子往前一倾,泄殖腔对准窝的外沿,一使劲,粪就射了出去。没有谁教过它们这一招,能把窝弄干净的亲鸟,后代活下来的更多,一代代筛下来,就成了刻在企鹅身上的本能。
这股劲到底有多大,还真有人认真算过。
2003年,芬兰奥卢大学的Meyer-Rochow在南极考察时,注意到巴布亚企鹅的窝四周有一道道白色和粉红色的线,从窝心往外放射状散开,像给每个窝画了一圈光芒。
带回去一分析,全是粪喷出去留下的轨迹。他和匈牙利学者JozsefGal合作计算,2005年在《PolarBiology》上发表论文:企鹅排便时,直肠压力在10到60千帕之间。换成人话,这大约是人类排便时的三倍,相当于汽车轮胎胎压的一半。
在平地上,粪能喷出30到40厘米远。这项研究当年还拿了搞笑诺贝尔奖,听着好笑,算的却是正经的流体力学。
2020年,日本高知大学的团队重算了一遍,发现企鹅要是站在岩石这类高处,粪的水平射程最远能到1.34米。一喷之下,窝里是干净了,可地上的粪并没有消失,只是从窝里挪到了窝外。
真正的问题这才开始:窝外那一圈圈粉白的线,为什么没有越积越厚?
风从冰盖上冲下来,粪被一路搬走
要弄明白这个,得先看看南极的风。南极冰盖中心地势高,冷空气在冰面上越冻越沉,就顺着坡往低处滑,越滑越快,冲到沿岸时已经成了一股猛风,学名叫下降风。
东南极沿岸的平均风速有17到18米每秒,折算下来每小时六十多公里。
最猛的时候,风速超过50米每秒。在城市快速路上开车,把手伸出窗外,感受到的大概就是这个劲儿。
东南极沿岸平均风速可达17到18米每秒,强风会吹散松散物质。地上松散的东西,粪也好,碎屑也好,风一卷就散,有的被吹进海里,有的被带往冰盖边缘。风之外还有雨雪。
南极内陆极其寒冷,微生物分解很慢,可企鹅扎堆的地方,偏偏是半岛和沿海的无冰区。
到了夏天,这些地方气温能升到零度以上,雨雪又多,降水一冲,地上的粪就被带进海里,或者被冲淡后渗进冰层。孙立广1998年扑空,撞上的就是这一幕。
他本想找一层层叠起来的粪土,按深浅读出企鹅数量的涨落,结果眼看着企鹅喷出的粉红粪流,被雨雪很快冲个干净,沉积下来的粪土层根本无从找起。
到最后,他只在个别背风的角落里,找到了留存下来的粪土。按常理,一样东西干净了,多半是烂掉了,被细菌一点点吃完。
南极偏偏不走这条路。天冷,微生物干活特别慢,粪里的尿素、尿酸这些含氮的东西,分解起来磨磨蹭蹭。要是只能等它们烂完,南极的海边早被粪糊满了。南极靠的是搬。
分解慢就让它慢,风和雨雪抢先一步,把粪从地面上挪走,物理清除的速度远远跑在微生物前头。
冷,反倒让粪没机会在原地发酵、堆积。账算到这里,清楚了一半:企鹅自己把粪喷出窝,风雪接力把粪从地面挪走。可挪走终究只是换个地方,每天约5000吨粪被搬离岩石,总得落在某处。
约5000吨粪,最后进了海里和云里
被风雨带走的粪,有一部分会进入海洋。企鹅吃的是磷虾和小鱼,吃进去的氮和磷,有一部分随着粪又回到海水里。这些养分正是浮游植物缺的,浮游植物一长起来,磷虾就有了口粮。
南极磷虾的生物量估计在1.25亿到7.5亿吨之间,是撑起南大洋整条食物链的关键物种,企鹅回过头来,又以它为食。
绕了一大圈,企鹅拉出去的,又被企鹅吃了回来。粪一进海,就被这张循环的网一层层消化掉了。还有一部分,飘上了天。
粪里的尿素分解时会放出氨气。2025年,芬兰赫尔辛基大学的团队在阿德利企鹅群落的下风处采样,测到的氨气浓度明显高于背景水平。
这些氨气碰上空气里的硫酸或甲磺酸,会生成硫酸铵、甲磺酸铵一类的微小颗粒,悬在空中,成了水汽凝结的“种子”。种子一多,云就更容易成形。云层把更多阳光挡回去,地面就少晒一点。
研究给出的结论很克制:企鹅群落排出的氨气,对南极局部的气溶胶和云量有可测量的影响,对那一带的地表温度有冷却效应。它说的是局部的云,并没说企鹅粪能给全球降温。
不过,粪里散出的气能飘上天帮着结云,这件事本身已经够让人吃惊。再看人在南极怎么上厕所,反差就更明显了。按《南极条约》体系下的《马德里议定书》,各国科考站的人类排泄物必须运回国内处理,不能留在南极。
原因很实在:南极太冷,人的排泄物在那儿很难自然分解,还可能带进外来微生物,给本地生态添乱。企鹅粪本来就是这片海陆循环里的一环,人的粪在这张网里找不到位置,只能密封装好,坐船、坐飞机运走。
回到孙立广当年扑空的那片岩石。企鹅撅起尾巴,把粉红泛白的粪喷出窝外。下降风刮过来,雨雪落下来,地面很快恢复干净。
他要找的粪土层没找到,眼前看到的,恰恰是这套清洁办法在运转。每天约5000吨企鹅粪,先被企鹅自己喷离窝边,再被强风和雨雪从地面搬走,其中一部分进入海洋,参与浮游植物和磷虾所在的物质循环,部分氨气释放到大气中,促进气溶胶与云层形成。
南极之所以还那么干净,靠的就是这一路接力:粪在哪一处都待不久,刚落下,就被送走了。
参考资料:
南极条约体系及马德里议定书.南极条约秘书处
SCAR企鹅种群调查报告.国际南极科学考察委员会
Penguin faeces as a source of atmospheric ammonia and cloud condensation nuclei in Antarctica.赫尔辛基大学
企鹅粪土揭示生态气候变化史.中国科学院
全新世南极无冰区生态地质学研究进展.中国科学技术大学