8.6 海域的生地化循環

海洋是一個容量極大,十分活躍的碳貯藏庫,碳的存量是320×1016 莫耳,溶解態的碳佔98%以上,其中CO2約佔0.5%,碳酸根離子(CO3=)佔約10%,其餘90%左右為碳酸氫根離子(HCO3-),三者合稱總二氧化碳濃度(total CO2,(CO2)。海洋的生物質(biomass)僅有3×1015g碳,但是每年的基礎生產力卻有30∼40×1015g,因此,超出實際生質十倍的生產力的效果之一,就是將CO2由大氣中清除,變成顆粒態的碳,由海表向海洋深處傳輸,形成所謂生物幫浦(biological pump)的作用(圖8-9圖8-9),這也使得海洋深處的無機碳濃度高於海表。顆粒有機碳沈降到中層水時常會氧化殆盡,形成所謂「低氧帶」(oxygen minimum zone),釋放出溶解態的碳、氮、磷。某些浮游生物,如鈣板藻(coccolithophorids)、有孔蟲(foraminifera)、翼足類(pteropod)等所產生的CaCO3(霰石或方解石)殼體則可能沈降到較深的部份,但是,隨著海水深度加深,壓力增大,碳酸鈣的溶解度增大,在某一深度(3500∼4500公尺),方解石大量溶解,這一深度稱為躍溶帶(lysocline);到更深的深度,碳酸鹽類可能全數溶解,該深度稱做碳酸鹽補償深度(carbonate compensation depth,簡稱CCD)。躍溶帶及CCD的深度隨地點不同而異,一般而言,大西洋較深,故大西洋底海床的沈積物保存有較多的碳酸鹽,而太平洋躍溶帶和CCD深度較淺。海洋沉積物中所含的碳酸鹽含量百分比較低。碳酸鹽類在深海中溶解,釋出Ca++和CO3=會使鹼度(alkalinity)增高。

生物幫浦降低海表的CO2分壓(partial pressure),把CO2移到不能與大氣接觸的深水部份,有些顆粒態的有機碳和無機碳(CaCO3)甚而埋藏到沈積物中,置放到一個進出不易,反應遲緩,更大的碳儲存庫(海床沈積岩庫)。生物幫浦的強度與海表營養鹽的含量與形成中底層海洋環流的溫鹽環流(thermohaline circulation)的強度有關。一般相信,冰期時代因為生物幫浦作用較強,深海底流的形成位置不同,故將大氣中的CO2轉移到深海及海床碳酸鹽中,使得大氣的CO2濃度下降,僅達190 ppm。為了探討這些將營養元素及顆粒態碳傳輸到深海的作用,在全球變遷研究中推展了「環球海洋通量聯合研究」(Joint Global Oceanic Flux Studies, JGOFS),台灣進行多年「東海陸棚與黑潮交換作用研究」(KEEP),是我國的JGOFS計劃。


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