为浮游植物「施肥」，促使它们多吸收一点二氧化碳，好解决温室效应的问题。这是绝妙的点子，还是再一次干扰自然环境？
每一滴来自海洋表层100公尺内的水，其中都含有数千个自由漂浮的微生植物，名唤「浮游植物」（phytoplankton）。这些单细胞生物包括硅藻与其它藻类，居住的地区占据了地球表面的四分之三。全球行光合作用的生物所含的碳有6000亿吨重，而浮游植物占的比例却不到其中的百分之一。这片隐形森林个儿虽小，不过一点也不妨碍它们在地球上最关键的自然循环中记上重要的一笔。【图说︰硅藻是浮游植物世界中的巨人，右图中呈现的是辐环藻属的一种，直径可达一公厘。】
按说海洋浮游植物活动的最大效应，就是它们对于气候的影响：这些身形奇小的海洋住民，能够从大气中撷取温室效应气体，即二氧化碳（CO2），并将之储存到海洋深处；但直到不久前，还只有非常少数的研究者对此有深刻的体认。最新的卫星观测及大型的海洋学研究计划总算告诉我们，这些生物对于全球温度、海洋环流与营养盐丰富度的改变是多么的敏感。
这些知识引起了部分研究者、企业界及决策者的兴趣。为了缓和全球暖化的问题，他们企图藉由「在海里施肥」来操控浮游植物的族群量。今年（2002）稍早，在南大洋为期两个月的实验已经证实，将微量的铁注入表层海水，可以刺激浮游植物增长；然而，大规模为海水施肥的商业计划，其效益及可行性依然引发激烈争辩。想要预测这种行动长期下来的生态副作用，我们必须知道，人类活动是如何改变了浮游植物对于地球碳循环的影响。
浮游植物对全球碳循环的影响
地球的碳循环之所以强烈影响全球气候，端赖聚热气体二氧化碳（CO2）移入与移出大气与上层海水的相对量（见右图），而气体在大气与海水间大约每六年可以完全交换一次。名为「浮游植物」的植物性生物，在这个循环中担负了四项重要任务。这些微小的海洋居民，每年纳入自己细胞中的碳，大约有500亿吨；这个过程藉由光合作用来达成，通常受到风中沙尘上的铁质所激发。浮游植物也透过生物泵将二氧化碳暂时储存于深海：它们所吸收的碳，大约有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。过了数百年，涌升流把这些溶在水中的气体与其它营养盐带回阳光照耀的表层水域。
一小部分的死亡细胞没有参与前述的循环，而变成石油沉积物或海底的沉积岩。数百万年间，地球内部发生隐没及变质作用，这些与岩石连结的碳又以二氧化碳的形式，藉由火山喷发重新回到大气中。另一方面，燃烧化石燃料会使二氧化碳回到大气中的速度加快约100万倍。海洋浮游植物与陆地森林自然吸纳二氧化碳的速度不够快，不足以减缓二氧化碳的增加；因此，全球的碳循环无法平衡，地球温度随之提高。有些人考虑以「人为施肥」来修正这个失衡现象，方法是在海中加入稀释的铁溶液，增强浮游植物的光合作用及生物泵作用。
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「固氮酶」（nitrogenase），而固氮酶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，是制造三磷酸腺苷（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。
马丁与其它研究者也注意到，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，的确显著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，计划叫「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。
在大海中施肥
尽管为大海添加肥料还有无数的不确定性，一些私人及公共团体已经着手展开更大规模的行动。某公司提出一项计划，要以定期航越南太平洋的商船来施放少量的混和肥料。其它团体则讨论以管道输送营养盐的可行性，将铁与氨直接导入沿岸水域，以促进浮游植物的藻华现象。有三位美国企业家甚至说服了美国专利及商标局发出七项商业性海洋施肥技术的专利权，而且还有另一个案子正在等待批准。【图说︰加入大海中的肥料，是将粉末状的铁溶进稀释的硫酸与海水中。】
这种海洋施肥策略在技术上是否可行，还是未定之天：为了达到效果，施肥必须年复一年地持续执行数十年；由于海水循环终究会让所有的深层水与大气接触，所有因生物泵增强而额外储存的二氧化碳，在最后一次施肥处理的数百年后，终会回到大气层来；此外，这种做法的效果不容易控制，农人尚且无法让养分留置于一块田地里，那么在流动且波涛汹涌的一块海域中施肥，当然就更无法控制了。基于这些原因，许多海洋专家认为，大规模的施肥一旦开始进行，就有可能造成长期的危害，即使可能修复，也会十分困难。
海洋食物网会受到严重破坏，是最令人忧虑的事。用计算机仿真，以及对自然浮游植物的生长研究均指出，增加初级生产力会导致局部地区的氧气严重耗尽；微生物会分解那些下沉的死亡浮游植物细胞，其消耗氧气的速度，常常比海洋循环补充氧气的速度还快。无法逃到氧气充足地区的其它海洋生物，将会窒息而死。
这种环境也促使会产生甲烷与氧化亚氮的微生物生长，这两种温室气体抓攫热能的能力，比二氧化碳还要高。根据美国海洋暨大气总署的资料，因为淡水的营养盐注入而引发的氧气严重消耗与其它问题，已经使得美国有一半以上沿岸地区的海水变质，例如墨西哥湾北部恶名昭彰的「死亡海域」。世界上还有数十个海域，也正在与类似的难题搏斗之中。
即便「施肥」产生的非预期结果是可以容忍的，但因植物与海洋面对暖化的世界会有所反应，因此，任何的努力都必须在补偿这些反应的差额后尚有余利才行。透过卫星观测来比较1980年代早期与1990年代的浮游植物丰富度，会发现海洋变得稍微绿一点，但许多研究者已经指出，较高的生产力并不保证有较多的二氧化碳储存进深海中。真相可能恰恰相反。海洋与大气的计算机仿真显示，温度升高会增加海水的分层现象，因为融化自冰河与海冰的淡水会漂浮在密度较高的咸海水之上，这种分层现象实际上会减缓生物泵把碳从海水表层运到深处的能力。
目前，新的卫星感测仪以一天一次的频度来观察浮游植物族群，而在未来，小规模的施肥实验将是进一步了解浮游植物动态的关键。然而，设计大规模的商业性海洋施肥计划来改变气候的点子，在科学社群与决策者之间仍然争论不休。在许多科学家心目中，改变自然海洋生态系，会造成无可避免且难以预测的结果，这要比人类短暂的潜在商业利益重要得多。无论如何，人类社会居然叫现代的浮游植物来帮忙解决焚烧它们祖先化石所产生的问题，真是讽刺啊！
