地球科學

沉積岩富含氮

我們腳下藏有前所未知的氮來源!

撰文/緬因(Doug Main)
翻譯/蔡雅鈴

地球科學

沉積岩富含氮

我們腳下藏有前所未知的氮來源!

撰文/緬因(Doug Main)
翻譯/蔡雅鈴


不少科學家一直以為土壤裡的氮全都來自大氣,可能經由微生物的固氮作用,或是氮溶解在雨水落入大地。但他們沒注意到氮的另一種主要來源,對植物的生長也極為關鍵:今年4月發表在《科學》期刊的研究顯示,從岩床釋出的氮,佔土壤與植物裡氮含量的1/4。


除了少數研究,「(研究)社群不曾考慮岩石。」該研究的主要作者、美國加州大學戴維斯分校的全球生態學家霍爾頓(Benjamin Z. Houlton)如此表示。這項研究結果不只改變我們對植物氮循環的認識,甚至可能修正氣候模型。霍爾頓說:「植物在某些地區可能比預期中長得更大、更快,因此吸收了更多二氧化碳。」


當全球氣溫攀升,計算植物所處環境的二氧化碳濃度,顯得益發重要。雖然科學家尚不清楚植物吸收了多少二氧化碳,但霍爾頓指出,植物可能形成「多一些的緩衝……儲存了二氧化碳。」


氮會從沉積物進到地函(地殼的下一層),或是從火山噴發至大氣(氮佔大氣的78%),先前研究已調查過兩者的數值。1970年代的某些研究指出,數種沉積岩裡的氮來自古代海底的植物、藻類和動物屍體。少數論文顯示,氮在某些地區可能淋溶進入土壤,不過科學家沒有深入研究,而岩石風化釋出的氮量被認為無關緊要。霍爾頓說:「岩石風化釋出的氮未列入一般認定的氮循環。」


他和同事於2011年在《自然》期刊發表一項研究,他們在加州部份地區發現,在森林土壤氮含量方面,沉積岩上方的比火成岩的多出50%,且樹木的氮含量也多出42%。雖然該研究指出,氮在少數特定地區會從岩石進入土壤和植物,但並不表示全球都有此一現象。


因為加州擁有地球上大部份岩石的種類,霍爾頓和同事在新研究中依據加州地質資料建立模型。他們先測量近1000件加州地質樣本的氮含量及其他地區樣本的氮含量,然後開發出電腦模型,計算地球岩石碎裂後釋出氮至土壤的速度。


經由風化作用釋出的氮,最後會進入海洋,沉積在海底岩層;岩石因板塊運動而抬升,受剝蝕作用後釋出氮。這些氮經動植物吸收,再度固定在岩石,如此循環不息。風化作用包括物理作用的碎裂(例如岩石受風吹日曬而加速碎裂),以及化學作用的溶解(例如酸雨和岩石裡的化合物發生反應)。


美國凱利生態系統研究所的生物地球化學家施萊辛格(William Schlesinger)並未參與此研究,他表示,自己曾經測量到岩石有很高的氮含量,卻「未有所聯想」。施萊辛格過去並不認為岩石中的氮是土壤養份普遍或重要的來源,然而他對過度詮釋新發現的重要性提出警告,從合成肥料進入土壤的氮遠多於岩石釋出的氮。施萊辛格認為,應該把新發現整合到氮與碳的全球模型,不過他補充道:「我不認為這項發現會顛覆我們對氣候變遷的理解。」


儘管如此,這項新發現解釋了某些土壤中令人費解的高氮含量。霍爾頓說:「我們的研究有助於解釋測量值和模型預測值的差異。」加拿大和俄羅斯有許多森林生長在沉積層上,這些研究成果對氮含量高的大型森林尤其重要。


霍爾頓表示,新研究採用相當保守的方法測量岩石的氮含量,實際數值可能比他們團隊所計算的還高。他說:「人類活動大幅增加岩石的侵蝕量。」因此增加了岩石受風化作用而釋出的氮,「而我們的研究尚未考慮這點。」


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