黑潮水文化學與基礎生產力

黑潮水文化學與基礎生產力 龔國慶國立台灣海洋大學海洋環境化學與生態研究所 E-mail: gcgong@mail.ntou.edu.tw 一 水文化學與基礎生產力簡介 海水之溫度 鹽度 營養鹽等之特性, 是研究各海洋科學領域必要的基礎資料, 習慣上將之統稱為水文化學 (chemical hydrography) 基礎生產力則是指海水中浮游植物每天在進行光合作用的過程中可以吸收的二氧化碳量 海水的水文化學特性可以讓我們瞭解海洋中不同水團的特徵 水團混合的情形 流動的情形 海水的年齡 水質環境的好壞以及基礎生產力的高低變化等等 海水的基礎生產力是推動海洋生態系食物鏈的動力, 它可以讓我們瞭解海洋中浮游植物 (phytoplankton) 的生長 海洋生態系營運的健康情況 海洋生物資源的豐富程度 海水可以吸收二氧化碳的能力以及對全球溫室效應的影響等等 二 全球海洋之水文化學與基礎生產力特性 2.1 海水溫度 (Temperature) 太陽是大氣與海洋熱能的來源, 海面海水溫度的高低變化就是由

海水與大氣兩者熱能交換的結果 ; 赤道附近接收到的太陽熱能平均約是極區的 4 倍, 由太陽吸收到的熱能也會往天空釋放, 不過在不同緯度所釋放出熱能的量差異並不大, 因此在熱帶區域會獲得多餘的熱能 ( 如圖 2.1), 也就是因為這種有這種結果, 所以在全球海洋中海洋表層具有最高溫度的海水就出現在熱帶海域裡 ( 圖 2.2), 全球海洋海面溫度年平均變化約介於 -2~28 o C 之間 離開海洋表面之後, 由於太陽能穿透海水的深度極為有限 ( 約在 200 公尺上下 ), 因此海水裡的溫度會隨著深度的增加而急速降低, 然後再緩慢降低之深海層, 圖 2.3 就是在低 中及高低緯度太平洋海域典型之海水溫度隨深度的變化, 圖中表層海水溫度隨深度較無明顯變化, 這個水層我們稱之為混合層 (mixed layer), 在此深度以下海水溫度會隨深度增加而急速降低, 這個水層我們稱之為斜溫層或躍溫層 (thermocline layer) 海水溫度隨深度的變化範圍約介於 2~28 o C 之間 2.2 海水鹽度 (Salinity) 海水的鹽度主要是受到當地的蒸發量與降雨量兩者所影響, 圖 2.4 就是全球海洋表面海水鹽度的分布, 從該圖我們可以清楚地發現雖然在赤道地區很熱, 但是由於降雨量也很高, 所以其鹽度並不是最高的, 反而是在中緯度地區有最高的鹽度值, 原因是當地風非常的盛行

導致有較高的蒸發量 離開海洋表面後, 由於受到海洋環流的影響, 鹽度隨深度的變化較無一定的趨勢, 但整體而言, 離開表面後海水鹽度會逐漸降低至約 1000 公尺處在逐漸增高, 圖 2.5 就是在太平洋以及大西洋海水鹽度隨深度的變化 鹽度值的變化範圍約介於 33-37 之間 2.3 海水營養鹽 (Nutrients) 海水裡的營養鹽一般是指無機之硝酸鹽 (nitrate; NO 3 ) 磷酸鹽 (phosphate; PO 4 ) 以及矽酸鹽 (silicate; SiO 4 ) 這些營養鹽可以從大氣 河川以及海洋中的有機物分解而來, 在開擴性的海洋中營養鹽主要是來自上層水體裡有機體的分解 ( 主要是浮游生物 ) 所產生, 然而在光可以穿透的水層中 ( 我們稱之為有光層 ) 營養鹽是浮游植物在生長過程中不可或缺的養份, 因此在大部份海洋表層水中的營養鹽含量均非常低, 圖 2.6 分別是全球海面營養鹽的濃度分布 在有光層以下, 營養鹽的濃度則隨著水深增加而逐漸升高, 其原因就是這些營養鹽是由上層水體裡之有機體在死亡沉降被細菌分解的過程中逐漸累積而成 圖 2.7 就是太平洋與大西洋典型之營養鹽濃度隨深度變化情形, 舉例而言, 在太平洋中, 磷酸鹽的濃度變化範圍約介於 0~3 µm 之間, 硝酸鹽的濃度變化範圍約介於 0~45 µm 之間, 矽酸鹽的濃度範圍約介

於 0~150 µm 之間, 由圖 2.7 中我們也可以進一步發現在同一個海洋這些營養鹽隨深度的變化趨勢非常的相似, 原因就是因為有機體是由一定成份之氮磷比例所組成, 所以當這些有機體被細菌分解氧化後, 在海水中氮與磷的濃度就也維持了一定的比例 公式 (1) 就是海水中有機體被分解氧化的過程 ( CH 2 O) 106 106CO ( NH 2 3 ) 16 + 122H ( H 2 3 PO ) + 138O 4 O + 16HNO 3 2 + HPO 4 (1) 不同營養鹽成份之間的比值我們稱之為 Redfield Ratio, 根據 Watsonand Whitfield (1985) 之研究指出它們的比值如公式 (3), 不過該 比值仍然會有些微區域性的差異 C : N : P : Si : = 126 :15.7 :1: 23.5 : 23.0 (2) org C iorg 2.4 海水基礎生產力 (Primary productivity) 海水中的基礎生產力就是指海水有光層裡之浮游植物每天在行光合作用的過程中 ( 公式 (3)) 可以吸收的二氧化碳量 ( 一般的慣用單位是 mgc m -3 d -1 ), 在整個有光層中所累積之生產力我們稱之為基礎生產量 (primary production; 單位為 gc m -2 d -1 ) 2H + + H O + O (3) 2 O CO2 + Light ( CH 2O) 2 2

由此可見海洋水體中基礎生產力的高低變化大致上可以反應出該水體中浮游植物細胞的數量以及生長的情形, 再者浮游植物是生態系食物鏈 ( 圖 2.8) 的基礎, 所以基礎生產力便成為推動整個生態系食物鏈運轉的基礎動能 基礎生產力就是反應光合作用的營力, 因此基礎生產力的高低變化大致上會受到海水中物理 化學及生物因子的影響, 物理因子主要是可見光的亮度 (PAR) 以及溫度, 化學因子主要是營養鹽及微量重金屬, 生物因子主要是浮游植物的種類以及浮游植物被浮游動物 (zooplankton) 攝食 (grazing) 的壓力 圖 2.9 就是在海洋水體有光層中典型之基礎生產力隨深度的變化情形, 從該圖中我們可以發現基礎生產力有隨著深度增加而急遽降低的趨勢, 與可見光亮度在水中的變化情形相似 就全球海洋而言, 圖 2.10 就是利用海洋水色衛星資料推算得到之全球海洋年平均基礎生產量, 我們由該圖中可以發現在較靠近陸棚以及有湧升作用的海域會有相對較高的基礎生產量, 因為在這些海域營養鹽的供應量較為充足, 進一步我們也可以發現海洋浮游植物的基礎生產量與陸上植物的生產量是相當的, 估計海洋的基礎生產量為 48.5*10 15 gc year -1 ( 佔全球生產量的 46.2%), 陸地的基礎生產量為 56.4*10 15 gc year -1 ( 佔全球生產量的 53.8%), 這也就是為什麼海洋基礎生產力的高低會與溫室效應有關

三 黑潮水文化學與基礎生產力 黑潮是北赤道洋流的延伸流經台灣東部海域, 台灣東部海域是北 太平洋的西側 ( 亦即西北太平洋 ), 因此黑潮之水文化學的特性大致上 與西北太平洋的海水相似 3.1 黑潮海水溫度 圖 3.1( 左 ) 就是歷年來在台東與花蓮之間黑潮海水溫度隨深度的變化情形, 海水表面溫度的變化範圍約介於 26~30 o C 之間,500 公尺水深以下隨時間的變化就很小, 至 1000 公尺以下海水溫度約可降至約 4 o C, 到 3000 公尺水深時海水溫度約為 2 o C 3.2 黑潮海水鹽度 圖 3.1( 中 ) 就是歷年來在台東與花蓮之間黑潮海水鹽度隨深度的變化情形, 海水表面溫度的變化範圍約介於 33.8~34.6 之間, 在 200 公尺附近有一鹽度的極大值 ( 約 34.8), 這個水就是從東太平洋亞熱帶海域沉降過來的亞熱帶太平洋海水 (subtropical Pacific water), 到了水深約 600 公尺附近有一鹽度的極小值 ( 約 34.2), 這個水就是從東太平洋亞熱帶海海域沉降過來亞熱帶太平洋中層水 (subtropical Pacific intermediate water),1000 公尺水深以下海水鹽度隨時間的變化幅度就

非常微小, 到 3000 公尺水深時海水鹽度約在 34.6 左右 黑潮水裡不 同水團的特性我們可以進一步由圖 3.2 之溫鹽圖更清楚地顯現出來 3.3 黑潮海水營養鹽 圖 3.3 是在台東與花蓮之間實際量測到之黑潮海水的營養鹽濃度隨深度的變化情形 這三種營養鹽隨深度的變化趨勢相當一致, 尤其是磷酸鹽與硝酸鹽 其濃度在表面海水時非常的微量, 然後隨著深度增加濃度也逐漸地增高, 一直到水深約 1000 公尺處磷酸鹽與硝酸鹽有濃度的極大值出現, 濃度分別為 2.8 38 µm, 在此深度以下營養鹽濃度就有略微降低的趨勢, 到了 4000 公尺時磷酸鹽與硝酸鹽的濃度值約分別為 2.6 36 µm 矽酸鹽則較無明顯的濃度極大值,4000 公尺水深時之濃度約為 145 µm 3.4 黑潮海水基礎生產力 圖 3.4 是在台灣東北外海黑潮流經之處所實際量測得到黑潮水基礎生產力隨深度的變化情形, 從該圖中我們可以發現大致上在表層海水有較高之基礎生產力, 範圍約介於 0.3~0.8 mgc m -3 hr -1 (3.6~9.6 mgc m -3 d -1 ) 之間, 然後隨著水深增加基礎生產力就呈指數遞減型態迅速降低, 至水深約 100 公尺以下由於浮游植物已經很稀少而且也沒有充足的光線, 所以基礎生產力就非常微小了

圖 2.1 不同緯度下地球表面吸收到來自太陽的輻射能量與釋放出的輻射能量差 異 ( 取自於 http://www.physicalgeography.net/fundamentals/7j.html 網站 )

圖 2.2 全球海洋海面年平均之海水溫度分布 ( 取自於美國 NODC http://www.nodc.noaa.gov/oc5/woa05f/woa05f.html 網站 ) 圖 2.3 海水溫度隨深度之變化 ( 取自於 Chester, 2000)

圖 2.4 全球海洋海面年平均海水鹽度分布 ( 取自於美國 NODC http://www.nodc.noaa.gov/oc5/woa05f/woa05f.html 網站 ) 圖 2.5 海水鹽度隨深度之變化 ( 取自於 Chester, 2000)

圖 2.6 全球海洋海面年平均營養鹽濃度分布 ( 取自於美國 NODC http://www.nodc.noaa.gov/oc5/woa05f/woa05f.html 網站 )

圖 2.7 太平洋與大西洋典型之營養鹽濃度隨深度變化 ( 取自於 Chester, 2000)

圖 2.8 海洋生態系食物鏈結構示意圖

圖 2.9 基礎生產力隨深度變化示意圖 ( 取自於 Lalli and Parsons, 1993)

圖 2.10 全球年基礎生產力分布 ( 取自於 Field et al., 1998)

圖 3.1 台灣東部黑潮海域海水溫度 鹽度與密度隨深度之變化 ( 資料取自於國家 海洋科學研究中心海洋資料庫 http://www.ncor.ntu.edu.tw/odbs/index.html 網站 )

圖 3.2 台灣東部黑潮海域海水之溫鹽圖 ( 資料取自於國家海洋科學研究中心海洋 資料庫 http://www.ncor.ntu.edu.tw/odbs/index.html 網站 )

0 PO 4 (µm) 0 1 2 3 NO 3 (µm) 0 10 20 30 40 SiO 4 (µm) 0 40 80 120 160 1000 Depth (m) 2000 3000 4000 5000 圖 3.3 台灣東部海域黑潮海水營養鹽隨深度變化

圖 3.4 台灣東北部黑潮海域基礎生產力隨深度之變化 ( 取自於 Gong et al., 2001)