浮游植物的能耐与极限

到底哪些海洋肥料对浮游植物有作用，在过去科学家所知有限，直到最近10年间有几个重大发现，才厘清了海中营养盐的天然分布状况。所有的浮游植物都需要两种主要的营养元素，氮与磷。其中，磷普遍认为比较不易取得，它是合成核酸的基本要素，只存在于陆地岩石的含磷矿物中，会经由淡水（例如河流）冲刷进入海中。而氮气是地球大气层中含量最多的气体，可以自由溶进海水里。

然而到了1980年代早期，生物海洋学家才开始了解，他们高估了氮转变成生物可用形式的速率。绝大多数浮游植物要用来制造蛋白质所用的氮，必须先固定住，也就是说，氮必须先与氢或氧原子结合形成铵盐（NH4+）、亚硝酸盐（NO2-）或硝酸盐（NO3-）。绝大多数的氮经由少数几种细菌与蓝绿藻转为铵盐而固定住，这些生物死亡、分解后，铵盐会释入海水之中。

因此，想知道为何浮游植物的成长几乎总是受限于氮的供给量，就得来看看这些化学转换的细节。要催化这个反应，细菌与蓝绿藻都使用「固氮」（nitrogenase），而固氮又依赖另一种元素来传送电子︰铁。蓝绿藻固氮时的主要能量来源，是制造三磷酸腺（ATP），这又是另一个需要大量铁质的反应。基于上述理由，许多海洋学家认为，铁质掌控了这些特殊生物能够固定的氮量。

已故的美国加州莫斯兰丁海洋实验室化学家马丁（John Martin），在1980年代中期提出假设，他认为，许多海域里可用的铁质很低，严重限制了浮游植物的生产力。他使用灵敏度非常高的方法来测量，发现此金属的浓度在太平洋近赤道区域、太平洋东北区及南大洋等地确实很低，使得这些表水的磷与氮未曾受到好好利用。【图说︰钙板藻藻华是一种浮游植物大量增殖的结果，在加拿大纽芬兰南方的深蓝色大西洋上，以涡卷形式覆盖了数百平方公里的范围。这个自然发生的藻华现象发生于晚春，其时洋流从深海运送营养盐到阳光可以照见的表层水域。】

一开始，马丁的「铁假说」（iron hypothesis）引发争论，部分原因来自于较早的海洋测量认为铁质十分充裕，但后来发现该结果其实是样本受到污染所致。而马丁与共同研究者指出，铁质能抵达大洋海域表层的唯一途径，是依附在随风传送的沙尘上。也因此，大洋海域远离陆地的广大地区，这种关键元素的浓度很少超过0.2 ppb（十亿分之一），这是磷或固定的无机氮浓度的1/50~1/100。

埋藏在南极洲冰层里的历史证据，也支持马丁的假说。从记录地球过去42万年历史的东方冰层岩心（Vostok ice core）推测，冰河期的铁含量高很多，当时沙尘颗粒的平均大小也明显比温暖期要大。从这些发现推测，冰河期陆地干燥、风速大，比起较潮湿的间冰期，有较多铁质与沙尘注入大气中。

马丁与其他研究者也注意到，当尘埃量高时，二氧化碳浓度低，反之亦然。这个交互关系显示，冰河期高峰时飘到海中的铁增加，刺激了氮的固定，同时也提升浮游植物对营养盐的利用。因此而增加的浮游植物生产力，可能加强了生物泵的作用，于是从大气中撷取较多的二氧化碳。

冰河状态的变更造成浮游植物这种戏剧化的效应，花费了数千年的时间；但马丁还想知道，是不是有较小的变化可以在几天之内造成差异。1993年，马丁的研究同仁进行了世界上第一次铁实验，在大洋海域上把铁直接加进赤道附近的太平洋里。他们研究船上的水槽里，装载着数百公斤溶在稀硫酸中的铁溶液，船在50平方公里的海域上像剪草机一样推进，缓缓释放水槽中的溶液。首次实验的结果虽然不错，但并未有决定性的结论，部分原因是，这些在海上工作的科学家只能预约到一周的时间观察浮游植物的反应。到了1995年，同一群人又花了四星期重复此实验，结果便十分清楚了：添加的铁质明显增加了浮游植物的光合作用，发生藻华现象，把海水染成绿色。

此后，来自纽西兰、德国与美国的三个独立研究群所得到的结果都显示，在南大洋加入小量铁质，的确显着激发浮游植物的生产力。迄今为止规模最大的施肥实验，于今年1~2月间进行，计画叫「南大洋铁施肥实验」（Southern Ocean Iron Experiment），由美国蒙特雷湾水族馆研究所与莫斯兰丁海洋实验室为首，有三艘船与76名科学家参与，其中包括我在路特格大学的四名同事。初步结果指出，在300平方公里区域释出一吨的铁溶液，八周内，初级生产力可增加10倍。

这些结果说服多数的生物学家，铁质在高纬度地区确实能刺激浮游植物生长，但要注意的是，还没有人能证实这些增加的生产力是否加强了生物泵的作用，或增加二氧化碳在深海的储存。最新的数学预测认为，即使在未来100年里，浮游植物能够完全取用南大洋表层水域未利用的氮与磷，但是燃烧化石燃料所释放的二氧化碳，顶多只有15%能储存到遥远的深海。

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