互动科普

海洋浮游植物跟陆地上的森林一样在地球气候调节中可以通过光合作用吸收二氧化碳，扮演着重要角色，那能否利用它们来抵抗地球的变暖呢?

来自海洋表层10O米内的每滴水中，都生存着数千个自由浮动的微生植物一一浮游植物(phytoplankton)。这些单细胞生物——包括硅藻类及其它藻类一一生活区域占据了地球面积的3/4。全球进行光合作用的生物所含的碳有6000亿吨，浮游植物占的比例却不到1%。这片隐形森林虽小，不过一点也不妨碍它们在地球上最重要的自然循环中"画"上浓墨重彩的一笔。

可以验证的海洋浮游植物活动的最明显效应之一是它们对气候的影响。然而直到不久前，还只有非常少的研究者意识到这些海洋中的微小"居民"从大气中吸收温室气体二氧化碳(CO2)，并将之贮存于海洋深处所达到的程度。最新的卫星观测及大范围的海洋学研究项目，最终揭示了这些生物体对地球温度、海洋环流及营养供应的变化是多么敏感。

这些知识引起了一些科研人员、企业家和决策者的兴趣：通过向海洋“施肥”来调节浮游植物数量，以减轻地球的变暖。今年早些时候，在南大洋中进行的一个为期两个月的实验证明：在海水表面加入微量铁可以刺激浮游植物的增长；但大范围商业化的海洋施肥计划的功效及可行性还在激烈地争论中。要想预测这种活动对长远生态的副作用，就必须研究人类活动将如何改变浮游植物对地球碳循环的影响。

遥望绿色大海

在数十年到数百年的时间跨度中，植物担当着从大气中吸收CO2的重任。这一事实大约始于30亿年前，蓝绿藻(cyanobacteria)——那时世界上数量最多的浮游植物——中进化出了产生氧气的光合作用。浮游植物及所有陆生植物——大约5亿年前由浮游植物进化而来——利用光能将水分子分解成氢原子和氧原子，氧气被当作废弃物释放出来，之后地球上所有的动物才有可能诞生，包括我们人类自己。地球上的碳循环(从大范围讲是地球气候)依赖于光合生物体用氢帮忙把CO2中的无机碳转变成有机物，即糖类、氨基酸及其它构成细胞的生物分子。

二氧化碳转变成有机物的过程，也被称为“初级生产”(Primaryproduction)，它的量不太容易测量。即使在大约5年前，大多数生物学家还是严重低估了浮游植物相对于陆生植物对这种转变的贡献。在20世纪后半叶，生物海洋学家各自对浮游植物的生产能力做了数千次的不同测量，但这些测量点不均衡地散布在世界各地，因此，在任一年度或月份内的覆盖区域还是太小了，即使在数学模型的帮助下填补数据的缺失，对全球浮游植物总的生产能力的估计也是靠不住的。

1997年，这种状况发生了变化，美国航空航天局(NASA)发射了海洋广角感测仪(SeaWideFieldSensor)，它是第1颗能每周观察全球浮游植物数量的人造卫星。这颗卫星之所以能观测这些生物体是利用一个事实，即只有当存在叶绿素A时，产生氧气的光合作用才能进行。叶绿素A及其它色素能吸收阳光中的蓝色和绿色波长，而水分子则将其散射。因此，在一个区域内吸收阳光的浮游植物越多，从太空中观察的这片海洋就越暗。简单地观测从海洋反射回来的蓝一绿光所占的比例，就可以计算出叶绿素的量，从而了解浮游植物的量。

结合叶绿素的卫星图片以及此前千百次的生产能力测量，大大提高了数字模型对全部海洋初级生产力的估计。尽管不同的研究小组所用分析方法不尽相同，但到1998年，他们得出了一个共同的惊人结论:浮游植物每年将大约450亿-500亿吨的无机碳合成到自己的细胞中一一大约是此前最大胆的估计的2倍。

同年，美国华盛顿卡内基学院的Christopher B.Field和James T.Randerso以及路特格大学的Michael J.Behrenfele和我，决定通过建立第一个基于卫星资料的比较海洋和陆地植物的初级生产力的分布图，从而找出这一数量在全球范围初级生产力中所占比例。此前有研究推算出陆生植物一年大约可吸收1000亿吨的无机碳。令许多生态学家吃惊的是，我们的卫星分析发现陆生植物每年大约只吸收520亿吨碳。换句话说，浮游植物通过光合作用从大气和海洋中吸收的CO2大约等于花草树木及其它陆生植物所吸收CO2的总和。

沉入大海深处

知道了浮游植物的初级生产力是以前估计的2倍，生物学家必须重新考虑死亡浮游植物的最终命运，因为它们对地球上碳循环和CO2气体有很强的调节作用。由于浮游植物将其吸收的阳光能量全部直接用于光合作用和生长繁殖，因此这些海洋植物能够每个星期总体更新一次，而陆生植物必须将大量能量用于生长树干、树叶和树根，因此大约平均20年才能总体更新一次。浮游植物细胞平均6天分裂一次，约一半的子细胞会死亡或被浮游动物吃掉，而它们又为虾、鱼及较大食肉动物提供了食物。

浮游植物的快速生命周期是它们对气候产生影响的关键，这一认识启发了一个正在进行的国际研究项目——全球海洋通量联合研究(JGOFS)，该项目始于1988年，其研究人员开始对海洋碳循环进行量化研究。在这一循环中，死亡浮游植物的细胞和动物排泄物中的有机物质，下沉并被微生物分解，进而转回成无机物和CO2。这种循环大部分发生于海洋中的阳光照射层，产生的CO2能马上被用于光合作用或者进入大气中(大气中的气体总量约每6年会与溶解于海洋上层的气体完全交换一次)。

对气候影响最大的是那些还未分解就沉入海洋深处的有机物。如果在200米以下才释放，由于温度较低、密度高，阻止了这部分水与其上面较暖和的水混合，因而CO2停留的时间长得多。通过这一被称为“生物泵”的过程，浮游植物将表层海水及大气中的CO2转移至海洋深处。去年，美国夏威夷大学的EdwardA．Laws、3名JGOFS项目的研究人员和我报道了每年被泵入深海中的物质总量在70亿一80亿吨之间，相当于浮游植物每年所吸收碳的l5％。

在数百年内，几乎全部存在于深海中的营养物会随着上涌或其它洋流又回到阳光照射的表层水中，在那里，又促使了更多浮游植物的生长。这一循环使生物泵保持一种自然平衡，正是这一循环使大气中CO2的浓度，比如果没有这一循环低了200ppm(百万分之一)，对于目前大气中CO2浓度约为365ppm来说，这是一个很重要的因素。

然而，经过数百万年，这个生物泵也会慢慢渗漏，大约0．5％的死亡浮游植物细胞和排泄物无法循环回上层海水，而是沉降到海底的沉积层中。其中的一些碳成为沉积岩，例如，这是地球上最大的有机物贮存库；更小的一部分形成了石油和天然气层。实际上，现今工业社会基本的燃料正是这些浮游植物的化石残留物。

内含碳的黑页岩和其它岩石随着大陆构造板块在下沉带相互碰撞、落入地球深处，在那里，极度高热和高压使岩石溶化，最终通过火山喷发的途径释放出CO2气体，其中的碳才会以CO2的形式回到大气中。

人类通过燃烧化石燃料，将深埋地下的碳带回循环中的速度是火山喷发途径的100万倍。森林和浮游植物吸收CO2的速度难以赶上这一增长的步伐，结果导致大气中的这一温室气体的浓度迅速上升。几乎可以肯定，它对过去50年中地球温度的上升倾向起了重要作用。

20世纪90年代初，当决策者开始寻找解决这一问题的途径时，他们将目光转向海洋，因为海洋有潜力吸收全部燃烧化石燃料产生的CO2。有几位研究人员及私人公司建议人工加速生物泵，以便能充分利用这个额外的储存能力。理论上可以通过两条途径来实现这一加速过程：在表层海水中加入更多营养物或者保证未被利用的营养得以充分利用。许多人推测，不管哪条途径都可使浮游植物繁殖更多，从而产生更多死亡细胞将碳带入深海中。

浮游植物的“本领”与极限

到底哪些营养成分对浮游植物起作用，在过去科学家知之甚少，直到最近10年有几个重要发现，才弄清了海洋中营养的自然分布状况。在浮游植物所必须的两种营养氮和磷中，长期以来认为磷更难获得，作为合成核酸的基本物质，磷只存在于陆地的磷酸盐矿石中，经由淡水(例如河流)冲刷进入大海中；而氮气是地球大气中最丰富的气体，可以自由溶进海水中。

直到20世纪80年代早期，生物海洋学家才开始认识到他们高估了氮转变为可被生物利用的氮的速率。只有氮气被固定后(换句活说是与氢或氧结合生成铵盐、亚硝酸或硝酸盐)，大部分浮游植物才能利用它们合成蛋白质。大部分氮是由少数几种细菌和藻青菌将氮气转变成铵盐而固定的，这些生物死亡、分解后铵盐就被释放到海水中。

为什么浮游植物生长受限于可获取氮的供应量，其原因就存在于这一化学转化的细节中。细菌和藻青菌都是利用固氮酶来催化这一反应，而固氮酶需依靠另一元素铁来传递电子。藻青菌固氮时所需的基本能量来源是合成三磷酸腺苷酸(ATP)，这又是另一个需要大量铁的反应。因为这些原因，很多海洋学家认为：铁决定了这些特殊生物所能固定的氮量。

20世纪80年代中期，John Martin——美国加利福尼亚莫斯兰丁海洋实验室(MOSSLandingMarine)的已故化学家——提出假说，认为在许多海域可获取的铁量很低，严重限制了浮游植物的生长繁殖。他使用极灵敏的方法测量这种金属，发现在太平洋近赤道的区域、太平洋东北区和南大洋中铁的浓度太低，以致这些区域的氮、磷从未被用完过。

Martin的“铁假说”刚开始引起了争论，部分原因是由于早先的测量显示铁量是很丰富的，但后来发现是样本受到污染所致。Martin及其合作者指出：铁抵达海洋表层的唯一途径是通过风吹起的沙尘。因此，在远离陆地的大片海域中，这种关键元素的浓度很少超过0．2ppb(十亿分之一)，大约是磷酸盐浓度或已固定的无机氮浓度的l／50一l／l00。

埋藏于南极洲冰层中的历史证据也支持Martin的假说。从记录了过去42万年地球历史的东方冰核(Vostok ice core)推测，冰河期铁含量高很多，而且沙尘颗粒明显比温暖时期的大。这一发现揭示在冰河期陆地干燥而且风速高。因此，与湿润的冰河期相比，有更多的铁和沙尘吹入大气中。

Martin及其它研究者还注意到，当沙尘含量高时，二氧化碳的浓度就低，反之亦然。这种关联揭示出在冰河期向海洋中输送的铁量高，刺激了固氮作用，同时提高了浮游植物对营养的利用，结果增加了浮游植物的生产能力，提高了生物泵作用，于是从大气中吸取了更多的CO2。

随着冰河期环境的变化，造成浮游植物的这种戏剧性的效应，花费了数千年。但Martin想知道是否在几天内能引起较小规模的变化。l993年，Martin的同事实施了世界上第一例海洋实地人工调节实验，他们直接在赤道附近的太平洋里投放了铁，他们的研究船装载着盛在罐里溶解于稀硫酸中的数百公斤铁，船在一个50平方公里的海域内像除草机一样推进，缓慢地投放该溶液。第一次实验结果趋势很好但并未得出确切结论，部分原因是因为那些海洋学家只能预约到一个星期的时间观察浮游植物的反应。1995年，该小组用了4个星期重复此实验，结果很明确，铁的加入明显提高了浮游植物的光合作用，使海水里出现了一个被生物体染绿的区域。

之后，3个独立的研究小组——来自新西兰、德国、美国——很确切地证明了向南大洋中加入少量铁，显著地刺激了浮游植物的生产力。迄今为止，规模最大的一次施肥实验是今年1-2月份进行的，该计划——即南大洋铁施肥试验(the Southern Ocean Iron Experiment)，以美国蒙特雷湾水族馆研究所和莫斯蓝丁海洋实验室为首——有76名科学家和3艘船参与，其中有4名来自路特格大学。初步结果显示，1吨铁溶液投放于约300平方公里的海域，在8星期内使初级生产力提高了l0倍。

这些结果使大部分生物学家相信，在高纬度地区铁确实刺激了浮游植物的生长，但也应当看到还没有一个实验证实提高原始生产能力是否进而提高了生物泵作用或提高了深海中CO2的贮存量。最新的数字模型预测显示，即使在未来100年内，浮游植物将南大洋表面海水中所有未利用的氮、磷全利用，最多也只能将全部化石燃料燃烧所生产CO2的15％封存起来。

给海洋施肥

尽管有目的向海洋施肥存在多种不确定性，一些私营和公共团体已经开始更大规模的海洋施肥行动。某公司已经提出计划，让一些常年横渡南太平洋的商船投放少量的混合肥料；另有一些团体讨论以管道直接向沿海水域输送氨和铁营养成分的可行性，以促进浮游植物大量繁殖。有3位美国企业家甚至已经说服了联邦专利与商标局为7项有关海洋施肥的技术发了专利证，而且另一项也正在申请中。

这种海洋施肥计划技术上是否可行还是未知数。为了达到效果，施肥计划必须在几十年内连年进行。而在施肥活动后的数百年间，因为海洋环流最终会将所有深层海水带到表层，由于生物泵作用增强而贮存的过量的C02也会回到大气中。另外，这种努力的结果也不易控制。农民尚且无法将肥料营养固定在一陇地中，更何况在波涛汹涌的大海中施肥。基于这些原因，一些海洋学家争辩说：一旦开始大规模施肥计划，就有可能造成长期的危害，即使可能修复，也将会十分艰难。

海洋食物网将受到严重扰乱，这是最令人担忧的问题。计算机模拟以及对自然状态浮游植物大量繁殖的研究均提示，提高初级生产力将导致局部区域内严重的氧气消耗，因为分解死亡浮游植物细胞的微生物，消耗氧气的速度比海洋环境重新补充氧气的速度快，一些无法逃到富氧每域甲的生物将会窒息死亡。

这种环境也会促使产生甲烷和氧化氮的微生物的生长，而这两种温室气体吸收热量的能力比CO2还高。根据美国海洋和大气管理局的资料，严重的氧气消耗及其它由营养径流引发的问题，已经使美国一半以上沿海地区的水质下降，例如臭名昭著的墨西哥湾北部的"死亡海域"，世界上还有数十个海域也在与同样的难题做斗争。即使由施肥引起的副作用并不严重，但因植物与海洋面对渐暖的世界会有所反应，因此，任何的努力必须能补偿这些反应的差额才行。比较卫星在20世纪80年早期和90年代对浮游植物密度的观察结果显示，海洋正变得稍微绿了点。但有些研究者发现提高初级生产力不能保证更多碳会贮存在深海中。确实，事实可能正相反。海洋和大气的计算机模拟显示，温度升高会增加海洋的分层现象，因为融化冰川和浮冰而来的淡水漂浮在密度较大、较咸的海水上层。这种分层现象会降低生物泵将表面海水中的碳转移到深海的能力。

目前，新的卫星传感器每天一次监视着浮游植物种群，而未来小规模的施肥实验对于更好地理解浮游植物的动向很关键。然而，设计大规模商业施肥计划来改变气候的想法，在科学界和决策者中仍在激烈的辩论。许多科学家认为，改变自然的海洋生态系统，会造成不可避免且难以预测的结果，这比人类从商业施肥计划中所取得的暂时利益重要得多。不管怎么说，现代人类社会求助于浮游植物来帮忙解决由于燃烧它们祖先化石所产生的问题，看起来有点讽刺。

海洋中隐形森林硅藻是浮游植物世界中的巨无霸。有图显现的是副环藻中的一种，直径可达1毫米.

概述/气候调节因子——浮游植物

生命周期短的海洋浮游植物把摄取热能的二氧化碳从大气和海洋转运到深海中，这些气体隐没在深海中，直至数百年后才会随着洋流返回到海面。如果今天所有的海洋植物都死去，数百年间，大气中的二氧化碳浓度将增加200ppm（相当于35%）。

在海洋表层加入某些营养物质，可以极大地增进浮游植物的生长，从而增加它们的光合作用摄取二氧化碳的量，但是，这种人工施肥是否够能够增加二氧化碳在深海的储存量却还是未知数。

人为地促进浮游植物的生长，一定会对自然的海洋生态环境造成影响，但其程度还很难预测。

由颗石藻大量繁殖引发的浮游植物潮，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。该现象发生在晚春，当时洋流将营养盐从深海运送到阳光可照射的表层水域。

浮游植物对地球碳循环的影响

地球碳循环能够明显地影晌地球气候，它取决于摄取热量的二氧化碳从大气和海水表层移入(黄色箭头)或移出(绿色箭头)的相对量，这种交换约每6年循环一次。称为浮游植物的植物性生物，在这一循环中担任着4个任务。这些微小的海洋居民通过光合作用每年将大约500亿吨的碳合成到它们的细胞中。这种光合作用通常会受到自风吹来的沙尘中铁的刺激(过程1）。浮游植物也会通过生物泵将CO2暂时存储于深海中:它们所吸收的碳，约有15%沉到深海，而当死亡细胞分解时，再以二氧化碳的形式释放出来(过程2)。经过几百年，上涌的海流将这些气体及其它营养物带回到阳光照射的表层海水中。

一小部分的死亡细胞变成了海床中石油沉积岩的一部分，从而避免了再循环。一些与岩石结合在一起的碳在地球内部经过几百万年的降解和变质后，通过火山喷发又以CO2的形式重新回到大气中（过程3）。

相比较而言，燃烧化石燃料使二氧化碳回到大气中的速度比这快100万倍(过程4）。自然状态下，海洋浮游植物和陆地森林吸收CO2的速度不足以减缓这种升高。结果，地球碳循环失去平衡，使地球变暖，一些人已经考虑向海洋中施放稀释的铁溶，人为提高浮游植物的光合作用和生物泵作用，从而修正这种失衡。-P.G .F.