“寂靜的”冰期邊緣海

由台大地質系助理教授任昊佳帶領的國際團隊首次發表觀測證據，顯示冰期時邊緣海的生物活動減少，生物地球化學循環減弱，該研究在2017年7月31日發表在美國國家科學院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)上。

現代海洋中大概一半的光合作用藻類生長在大陸邊緣，這得益于大陸棚營養鹽的有效循環機制。深層海水受海底地形逐漸變淺的影響，帶著海洋深處的營養鹽混合到缺少營養鹽的海洋表面，促進藻類植物大量生長，生物死亡後大部份在沈降過程中被快速分解成營養鹽後帶回到海洋透光層，使得營養鹽在該環境反覆利用。在這個高效能的生產環境中，有大量的有機物沉積在海底，在沈積物中被微生物分解而造成沈積物的缺氧環境，這時脫氮作用(微生物在缺氧環境下將硝酸鹽轉化成氮氣的作用)就會發生。脫氮作用是減少海洋中可被生物利用的氮（主要是硝酸鹽）的主要過程，其中至少有一半的脫氮作用發生在上述的大陸棚環境，另一半則發生在個別缺氧海水環境。

在冰河時期因為大陸冰川的增長，全球平均海平面下降約120公尺，造成許多大陸棚裸露變成陸地的一部分，大陸斜坡替代大陸棚使得邊緣海洋地形變得陡峭且平均深度加深，營養鹽從深層向上混合來到表層的效率因此明顯減弱，在減弱表層海洋生產力的同時，也會降低沈積物中的脫氮作用的速率。該理論目前仍停留在假說階段，還未被直接觀測證據證明。

在這項研究中，任教授的團隊利用南中國海的沈積物記錄（圖一）首次提供了可以支持上述假說的觀測證據。他們利用保存在南海沉積物的海洋生物化石「浮游有孔蟲」作為材料，分析其化石殼體中的氮同位素，以重建過去860,000年以來的海洋氮循環。其資料顯示在過去8個冰期，南海的固氮作用（部分生物將大氣中的氮氣轉化為生物可利用的氮的過程）速率明顯降低，固氮作用是海洋中獲得新的生物可以使用的氮的過程。經過將固氮作用與其控制因素（溫度、鐵含量等）進行比對之後，任教授等發現固氮作用的變化與海平面變化密切相關，海平面升高伴隨較高的固氮速率，反之亦然。由於固氮作用的發生可能受到海洋裡磷的相對含量變化（磷相對于氮的含量） 的控制，在間冰期海平面升高時，大陸棚脫氮作用的發生使邊緣海變成一個氮相對缺乏、而磷含量相對上升的環境，從而促進固氮生物的生長，而冰期時這個現象卻會相反，海平面下降造成脫氮作用速率降低的同時，也減弱了固氮作用。

該研究顯示伴隨著冰期與間冰期的氣候震盪，邊緣海生物地球化學循環過程發生明顯改變，這可能進而改變大陸邊緣的物種演化。現代邊緣海支撐着高生產力和豐富生物多樣性，冰期邊緣海藻類植物基礎生產力的降低，會進一步影響到處於上層食物鏈的魚類、海洋哺乳類，以及依賴表層有機物的底棲生物，並進而可能改變物種演化、海岸物種組成及生態(圖二)。

該研究"Impact of glacial/interglacial sea level change on the ocean nitrogen cycle,"於2017年7月31日在美國國家科學院院刊發表。(http://www.pnas.org/content/114/33/E6759.abstract)

圖一.   台灣國家實驗研究院海洋科技研究中心海洋岩心庫。（圖片來源：台灣國家實驗研究院海洋科技研究中心）

圖二. 間冰期時有機物在大陸棚的迅速分解促進海洋表層的生產力，並加快沈積物中脫氮作用的速率，脫氮作用消耗海洋中的硝酸鹽，使大陸棚的海水相對富含磷，從而促進固氮生物的生長。隨著冰期海平面的下降，大陸棚裸露，減少生產力以及脫氮作用速率，並進而減弱近岸的固氮作用。（圖片來源：Ren et al., PNAS 2017)