海水營養鹽
正文
海水中一些含量較微的磷酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽和矽酸鹽。嚴格地說，海水中許多主要成分和微量金屬也是營養成分，但傳統上在化學海洋學中只指氮、磷、矽元素的這些鹽類為海水營養鹽。因為它們是海洋浮游植物生長繁殖所必需的成分，也是海洋初級生產力和食物鏈的基礎。反過來說，營養鹽在海水中的含量分布，明顯地受海洋生物活動的影響，而且這種分布，通常和海水的鹽度關係不大。20世紀初期，德國人布蘭特發現海洋中磷和氮的循環和營養鹽的季節變化，都與細菌和浮游植物的活動有關。1923年,英國人H.W.哈維和W.R.G.阿特金斯,系統地研究了英吉利海峽的營養鹽在海水中的分布和季節變化與水文狀況的關係，並研究了它的存在對海水肥度的影響。德國的“流星”號和英國的“發現”號考察船，在20年代也分別測定了南大西洋和南大洋的一些海域中某些營養鹽的含量。中國學者如伍獻文和唐世鳳等，曾於30年代對海水營養鹽的含量進行過觀測，後來朱樹屏長期研究了海水中營養鹽與海洋生物生產力的關係。從20世紀初以來，海水營養鹽一直是化學海洋學的一項重要的研究內容。
海水營養鹽的來源，主要為大陸徑流帶來的岩石風化物質、有機物腐解的產物及排入河川中的廢棄物。此外，海洋生物的腐解、海中風化、極區冰川作用、火山及海底熱泉，甚至於大氣中的灰塵，也都為海水提供營養元素。
大洋之中，海水營養鹽的含量分布，包括垂直分布和區域分布兩方面。在海洋的真光層內，有浮游植物生長和繁殖，它們不斷吸收營養鹽；另外，它們在代謝過程中的排泄物和生物殘骸，經過細菌的分解，又把一些營養鹽再生而溶入海水中；那些沉降到真光層之下的屍體和排泄物，在中層或深層水中被分解後再生的營養鹽，也可被上升流或對流帶回到真光層之中，如此循環不已。總的說來，依營養鹽的垂直分布特點，可把大洋水體分成 4層：①表層，營養鹽含量低，分布比較均勻；②次層，營養鹽含量隨深度而迅速增加；③次深層，深 500～1500米，營養鹽含量出現最大值；④深層，厚度雖然很大，但是磷酸鹽和硝酸鹽的含量變化很小，矽酸鹽含量隨深度而略為增加(圖1)。就區域分布而言,由於海流的搬運和生物的活動，加上各海域的特點，海水營養鹽在不同海域中有不同的分布。例如，在大西洋和太平洋間的深水環流，使營養鹽由大西洋深處向太平洋深處富集；南極海域的浮游植物在生長繁殖過程中，大量消耗營養鹽，但因來源充足，海水中仍然有相當豐富的營養鹽。近海區由於夏季時浮游植物的繁殖和生長旺盛，使表層水中的營養鹽消耗殆盡；冬季浮游植物生長繁殖衰退，而且海水的垂直混合加劇，使沉積于海底的有機物分解而生成的營養鹽得以隨上升流向表層補充，使表層的營養鹽含量增高。 近岸的淺海和河口區與大洋不同，海水營養鹽的含量分布，不但受浮游植物的生長消亡和季節變化的影響，而且和大陸徑流的變化、溫度躍層的消長等水文狀況，有很大的關係。
海水營養鹽含量的分布和變化，除有以上一般性規律之外，還因營養鹽的種類不同而異。下面分別敘述海水中矽、磷和氮的存在形態、再生、循環及分布變化的特點。
矽 海水中的矽以懸浮顆粒態和溶解態存在。前者包括硅藻等殼體碎屑和含矽礦物顆粒，後者主要以單體矽酸Si(OH)7的形式存在,故可以SiO2表示海水中矽酸鹽的含量。矽的再生過程與磷和氮不同，它不依賴於細菌的分解作用，但若這些碎屑經過海洋生物攝取後消化而排泄出來，溶解速度會較快。在大洋的表層水中，因有硅藻等生長繁殖，使矽的含量大為降低，以SiO2計，有時可低於0.02微摩/升;南極和印度洋深層水中SiO2的含量都約為4.3微摩/升；西北太平洋深層水中SiO2的含量則高達6.1微摩/升。總的說來，矽酸鹽的含量隨深度而增大,無明顯的最大值。但在深海盆地和海溝水域中,矽酸鹽的含量的垂直分布往往出現最大值，此最大值可能處於顆粒矽被溶解的主要水層之中。
磷 海水中的磷以顆粒態和溶解態存在。前者主要為含有機磷和無機磷的生物體碎屑，及某些磷酸鹽礦物顆粒；後者包括有機磷和無機磷兩種溶解態，溶解態的無機磷是正磷酸鹽，主要以 HPO娺-和PO婰-的離子形式存在。在磷的再生和循環過程中，生物體碎屑和排泄物中的無機磷，經過化學分解和水的溶解，生成的磷酸鹽能夠迅速返回上部水層，但一般的有機磷必須經過細菌的分解和氧化作用，才能變成無機磷而進入循環。細菌的活動，對沉積物中難溶的磷酸鹽的再生，也起著很重要的作用(圖2)。 大西洋中磷酸鹽含量由南向北遞減。南極海域的磷酸鹽含量，約為北大西洋的兩倍；太平洋中磷酸鹽含量高於大西洋；印度洋的含量則介於太平洋和大西洋之間。在垂直分布方面有一個特點：在大西洋磷酸鹽含量達最大值的水層之下，尚有一含量達最小值的水層。
氮 海洋中生物碎屑和排泄物的含氮物質中，有些成分經過溶解和細菌的硝化作用，逐步產生可溶的有機氮、銨鹽、亞硝酸鹽和硝酸鹽等。同時，硝酸鹽可被細菌作用而還原為亞硝酸鹽，它可進一步轉化成銨鹽，也可由脫氮作用被還原成N2O或N2。在氮的循環中,生物過程起主導作用。此外，光化學作用能使一些硝酸鹽還原或使銨鹽氧化。溶解在海水中的無機氮，除N2外，主要以NH嬃、NO娛和NO婣等離子形式存在（圖2）。
銨鹽在真光層中為植物所利用，但在深層中則受細菌作用，硝化而生成亞硝酸鹽以至硝酸鹽。因此，在大洋的真光層以下的海水中，銨鹽和亞硝酸鹽的含量通常甚微，而且後者的含量低於前者，它們的最大值常出現在溫度躍層內或其上方水層之中。硝酸鹽含量一般高於其他無機氮，它在上層水中的含量比深層水中低。在溫帶淺海水域中，銨鹽的含量在冬末很低；春季逐漸增加，有時成為海水中無機氮的主要形式；入秋之後，含量降低。故在秋冬兩季，硝酸鹽成為溫帶淺海中無機氮的主要溶存形式。此外，在還原性的條件下，銨鹽常為無機氮在海水中的主要溶存形式。
在營養鹽的再生和循環過程中，常伴隨著氧的消耗和產生的過程。研究海水中溶解氧和營養鹽的含量及其分布變化的關係，可估算上層水域的初級生產力或闡明深水層水團混合運動的狀況（見海水溶解氧）。
參考書目
H.W.Harvey, The Chemistry andFertility of Seawater，Cambridge Univ.Press，London，1957.
J.R.Riley,G.Skirrow,ed.,ChemicalOceanography，2nd ed.，Vol.2，Academic Press，London，1975.
