氣膠鐵的西北太平洋表水之旅

引用授權聯絡人: 何東垣 / tyho@gate.sinica.edu.tw / (02) 2787-5862

關鍵字: 氣膠、鐵、生物可利用性、轉化、浮游植物、西北太平洋

圖說: 源自中國大陸石化燃料燃燒而產生的人為氣膠混雜著岩石性沙塵透過東北季風及西風帶傳輸至東亞邊緣海、西北太平洋、或甚至整個北太平洋;左上角圖為本研究採樣月份的平均氣膠光學深度(AOD, Aerosol Optical Depth)比較,可視為氣膠的相對濃度。氣膠傳輸模擬底圖引用自https://airvisual.com/earth (April 29, 2018)。

鐵在海洋有光層中的供應量對於物質在海洋中生物地球化學循環具有極為重要的角色! 除了氮和磷之外,鐵是海洋浮游植物生長最主要的限制因子之一,換句話說,有愈多生物可利用鐵供應到受到鐵限制海域的表層水中,就會促進浮游植物生長,大大提升初級生產力,光合作用把溶解在表層海水中的無機碳轉化成顆粒有機碳,一小部分的有機碳顆粒將下沉至深海,甚至被埋在不見天日的海底沉積物中;所以鐵在海洋表層的供應量不僅影響海洋中碳及其他物質的循環,甚至能影響大氣二氧化碳含量及全球氣候。

不僅海洋浮游植物容易缺鐵,人也很容易缺鐵,其實生活在有氧環境中的生物都有缺鐵的壓力,主要原因是鐵在中性或弱鹼性有氧水體中的溶解度極低,非常快產生沉澱而受到移除,例如: 無氧環境的地下水抽到地表時二價鐵被氧氣氧化成三價鐵後在中性或弱鹼天然水條件下很快就會形成氧化鐵、氫氧化鐵固體沉澱或被顆粒移除,金瓜石旁的陰陽海也就是這樣形成的。 鐵快速沉澱後就無法透過海流送去遠方了,河流或地下水中的溶解鐵在河口和近海就因沉澱反應而下沉移除了;相反的,透過大氣傳輸,氣膠可被傳送至遠方的開放性大洋表層水(上圖),氣膠鐵自然成為大洋表層海水鐵的主要來源,而這氣膠鐵在表層海水的變化過程及生物可利用性就成為一個重要的議題。

東亞消耗了大量石化燃料,燃燒過程同時放出大量人為氣膠(PM 2.5),混合著源自沙漠相對較大顆粒的岩石性氣膠,在強烈東北季風或西風帶的傳輸下,一起被傳送至東亞邊緣海、西北太平洋、或甚至整個北太平洋(上圖)。 我們這個研究的目的就在於探索這些不同大小及來源的氣膠沉降在海洋表水之後發生了甚麼轉化的過程(Wang and Ho 2020)。 我們在高低氣膠濃度的對比季節,2013年七月和2014年三月,在西菲律賓海執行了兩個研究航次(見左上圖),全面性的採集氣膠、海水、海水中不同大小的懸浮顆粒、沉降顆粒等。 我們發現雖然三月氣膠沉降量高於夏季一個冪次,但是春季大量氣膠的沉降並未反映在溶解態鐵的濃度而是在懸浮顆粒態上,透過樣品元素組成及比值顯示出生物性及非生物性懸浮顆粒鐵具有不同大小的分布特徵,海水中源自氣膠沉降的岩石性顆粒的大小主要分布於2至25 µm的範圍;而生物性顆粒絕大多數均小於 2 µm,顯示這些較小的生物顆粒也是表面吸附或膠結鐵的主要載體,由於主要由藍綠菌組成的生物性顆粒不僅顆粒較小且密度也較低,相對於顆粒較大且密度較高的岩石性顆粒,吸附及膠結在生物性顆粒的鐵將在有光層具有較長的滯留時間及生物可利用性,由元素組成可推論這些生物顆粒表層吸附膠結鐵主要來自具極高溶解度的人為氣膠鐵,人為氣膠溶解鐵在海洋表水沉澱後極可能由小型藍綠藻作為載體成為浮游植物可利用鐵的外部來源 (Wang and Ho 2020),進一步驗證工作現正進行中。

關鍵概念

  • 鐵是海洋浮游植物生長最主要的限制因子之一。
  • 氣膠鐵為大洋表層海水鐵的主要來源。
  • 源自人為氣膠鐵溶解及沉澱後吸附及膠結在藍綠藻體表的鐵將在有光層具有較長的滯留時間及生物可利用性。

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