浮游植物的能耐與極限

到底哪些海洋肥料對浮游植物有作用，在過去科學家所知有限，直到最近10年間有幾個重大發現，才釐清了海中營養鹽的天然分布狀況。所有的浮游植物都需要兩種主要的營養元素，氮與磷。其中，磷普遍認為比較不易取得，它是合成核酸的基本要素，只存在於陸地岩石的含磷礦物中，會經由淡水（例如河流）沖刷進入海中。而氮氣是地球大氣層中含量最多的氣體，可以自由溶進海水裡。

然而到了1980年代早期，生物海洋學家才開始了解，他們高估了氮轉變成生物可用形式的速率。絕大多數浮游植物要用來製造蛋白質所用的氮，必須先固定住，也就是說，氮必須先與氫或氧原子結合形成銨鹽（NH4+）、亞硝酸鹽（NO2-）或硝酸鹽（NO3-）。絕大多數的氮經由少數幾種細菌與藍綠藻轉為銨鹽而固定住，這些生物死亡、分解後，銨鹽會釋入海水之中。

因此，想知道為何浮游植物的成長幾乎總是受限於氮的供給量，就得來看看這些化學轉換的細節。要催化這個反應，細菌與藍綠藻都使用「固氮」（nitrogenase），而固氮又依賴另一種元素來傳送電子︰鐵。藍綠藻固氮時的主要能量來源，是製造三磷酸腺（ATP），這又是另一個需要大量鐵質的反應。基於上述理由，許多海洋學家認為，鐵質掌控了這些特殊生物能夠固定的氮量。

已故的美國加州莫斯蘭丁海洋實驗室化學家馬丁（John Martin），在1980年代中期提出假設，他認為，許多海域裡可用的鐵質很低，嚴重限制了浮游植物的生產力。他使用靈敏度非常高的方法來測量，發現此金屬的濃度在太平洋近赤道區域、太平洋東北區及南大洋等地確實很低，使得這些表水的磷與氮未曾受到好好利用。【圖說︰鈣板藻藻華是一種浮游植物大量增殖的結果，在加拿大紐芬蘭南方的深藍色大西洋上，以渦卷形式覆蓋了數百平方公里的範圍。這個自然發生的藻華現象發生於晚春，其時洋流從深海運送營養鹽到陽光可以照見的表層水域。】

一開始，馬丁的「鐵假說」（iron hypothesis）引發爭論，部分原因來自於較早的海洋測量認為鐵質十分充裕，但後來發現該結果其實是樣本受到污染所致。而馬丁與共同研究者指出，鐵質能抵達大洋海域表層的唯一途徑，是依附在隨風傳送的沙塵上。也因此，大洋海域遠離陸地的廣大地區，這種關鍵元素的濃度很少超過0.2 ppb（十億分之一），這是磷或固定的無機氮濃度的1/50~1/100。

埋藏在南極洲冰層裡的歷史證據，也支持馬丁的假說。從記錄地球過去42萬年歷史的東方冰層岩心（Vostok ice core）推測，冰河期的鐵含量高很多，當時沙塵顆粒的平均大小也明顯比溫暖期要大。從這些發現推測，冰河期陸地乾燥、風速大，比起較潮濕的間冰期，有較多鐵質與沙塵注入大氣中。

馬丁與其他研究者也注意到，當塵埃量高時，二氧化碳濃度低，反之亦然。這個交互關係顯示，冰河期高峰時飄到海中的鐵增加，刺激了氮的固定，同時也提昇浮游植物對營養鹽的利用。因此而增加的浮游植物生產力，可能加強了生物泵的作用，於是從大氣中擷取較多的二氧化碳。

冰河狀態的變更造成浮游植物這種戲劇化的效應，花費了數千年的時間；但馬丁還想知道，是不是有較小的變化可以在幾天之內造成差異。1993年，馬丁的研究同仁進行了世界上第一次鐵實驗，在大洋海域上把鐵直接加進赤道附近的太平洋裡。他們研究船上的水槽裡，裝載著數百公斤溶在稀硫酸中的鐵溶液，船在50平方公里的海域上像剪草機一樣推進，緩緩釋放水槽中的溶液。首次實驗的結果雖然不錯，但並未有決定性的結論，部分原因是，這些在海上工作的科學家只能預約到一週的時間觀察浮游植物的反應。到了1995年，同一群人又花了四星期重複此實驗，結果便十分清楚了：添加的鐵質明顯增加了浮游植物的光合作用，發生藻華現象，把海水染成綠色。

此後，來自紐西蘭、德國與美國的三個獨立研究群所得到的結果都顯示，在南大洋加入小量鐵質，的確顯著激發浮游植物的生產力。迄今為止規模最大的施肥實驗，於今年1~2月間進行，計畫叫「南大洋鐵施肥實驗」（Southern Ocean Iron Experiment），由美國蒙特雷灣水族館研究所與莫斯蘭丁海洋實驗室為首，有三艘船與76名科學家參與，其中包括我在路特格大學的四名同事。初步結果指出，在300平方公里區域釋出一噸的鐵溶液，八週內，初級生產力可增加10倍。

這些結果說服多數的生物學家，鐵質在高緯度地區確實能刺激浮游植物生長，但要注意的是，還沒有人能證實這些增加的生產力是否加強了生物泵的作用，或增加二氧化碳在深海的儲存。最新的數學預測認為，即使在未來100年裡，浮游植物能夠完全取用南大洋表層水域未利用的氮與磷，但是燃燒化石燃料所釋放的二氧化碳，頂多只有15%能儲存到遙遠的深海。

來自 http://www.sciam.com.tw/read/re...ocNo=122&CL=4