【臺大地質團隊研究榮登《Science》雜誌封面焦點】

東沙珊瑚記錄21世紀人類排放氮對遠洋的影響
任昊佳助理教授團隊最新研究成果發表於《Science》雜誌

在科技部和臺大的經費支持下，臺大地質科學系任昊佳助理教授帶領跨國研究團隊在「Science」雜誌上發表研究成果，首次直接證實人類活動排放的氮已經影響到遠洋環境。這項研究首次直接觀測到人為氮排放對遠洋環境的影響，結果顯示化石燃料能源的使用（包括煤炭消耗和車輛排放）所排放的氮可以傳播到遠洋，並立刻為生物所利用。我們向自然環境中排放的氮已經頻繁的造成陸地湖泊、河流以及沿岸海域富營養化，引起藻類及其他浮游生物的迅速繁殖，使水體溶解氧含量下降，造成水中生物的衰亡甚至絕跡，而該研究的結果再次警示我們：人類活動對自然環境造成的影響正在進一步擴大，我們在滿足自己欲望的同時，也正向自然環境和其它生物施加壓力。

海洋氮循環與生物的自然制約

海洋浮游植物與所有生物一樣，需要氮才能生長，雖然空氣的主要成分是氮氣，但是氮氣不能為大多數浮游植物使用，它們只能使用銨、硝酸鹽或有機氮等氮的化學形式。自然界將氮氣轉化為可供浮游植物使用的氮之過程稱為固氮作用，只有少數細菌和藍綠藻可以進行固氮作用，這使得海洋中能為生物利用的氮極其有限，從而抑制了浮游植物的生長。
人類破壞自然界氮循環平衡，可能播及遠洋

從上個世紀以來，人類活動迅速增加了固氮作用的速度。在20世紀初，Fritz Haber和Carl Bosch兩位諾貝爾化學獎得主的研究發現了可以將大氣中的氮氣轉化為生物可利用氮的工業過程，Haber-Bosch反應很快被利用於生產氮肥料。同時，內燃機的使用和其他工業燃燒過程導致氧化氮（NOx）向大氣中大量釋放。由於這些人類活動，每年進入生物圈的固氮量增加了一倍以上，這些固氮大部分都沈降在臨近的陸地上，並引起陸地生態系統的劇烈改變。人類排放的氮也可以經由大氣傳播到更遠的地方，電腦模擬的結果顯示，遠離大陸的海洋也會受到人類活動排放氮的影響，然而，至今沒有直接觀測證據支持這一論點，因為人為造成的固氮會因為海水的混合而稀釋，其影響也可能被海洋中固氮生物的活動抵消。

東沙珊瑚記錄人類對遠洋氮循環的影響

氮有兩個穩定同位素：較輕的N14和較重的N15，人為排放的氮通常比自然環境中的氮含有更多N14，使用氮的穩定同位素分析，任博士及其合作團隊試圖追蹤珊瑚中記錄的人為排放氮的信號。他們從南海北部的東沙環礁內取得珊瑚樣品，並測量珊瑚中所含有機氮的同位素組成。東沙環礁距離最近的陸地有300公里，人為排放的氮只能通過大氣傳輸到這裡，而其半封閉環形珊瑚礁環礁的地理環境使得科學家可以將其作為一個天然的實驗室來追蹤遠洋環境的變化。任博士的研究發現，自上世紀90年代末期開始，珊瑚中所含的較輕的N14同位素訊號迅速增強，其增強時間和趨勢與亞洲化石燃料燃燒（包括煤炭燃燒和車輛廢氣排放）的增加相符，而比電腦模擬結果晚幾十年，其變化的幅度表明，至2010年，人為造成的氮沈降佔該地區表層海洋年輸入氮量的五分之一。

參考閱讀

發表的論文“21st Century Rise in Anthropogenic Nitrogen Deposition on a Remote Coral Reef”出現在2017年5月份的Science雜誌上。

植物的根系是吸收養分和水分的主要器官。
植物與環境之間的物質吸收與交換，大多是依靠根系來完成。植物的根系粗壯發達，根毛多，是植物生長勢強盛的基礎。
那麼植物的根系如何來吸收這些養分跟水分呢？可以分成被動吸收跟主動吸收兩類。
被動吸收是一種不需要消耗能量，屬於物理的或物理化學的作用。
被動吸收（Passive absorption）依照強弱又分成三種方式
1. 質流(Mass Flow)。
2. 根截取(Root Interception)。
3. 滲透作用(Permeation)。

什麼是質流(Mass Flow)？
a.　質流是水溶性的養分隨著水分被植物吸收之同時，進入植物根部。
b.　質流的驅動力量主要是靠葉的蒸散作用，帶動土壤水分由根往莖、葉移動，使土壤中的水分往根內移動，同時就把水溶液中的養分帶進根部。通常硝態氮、鈣離子、鎂離子藉由質流到根部最多。

什麼是根截取(Root Interception)：
根毛上的細胞壁的酚基脫氫之後帶有負電荷，因此可以吸附陽離子，當植物根毛接觸到土壤膠體時根毛上的陽離子可以和膠體上的陽離子直接交換，把膠體吸附的陽離子吸收到根部裡面，這樣的機制稱為根截取或稱為接觸交換，是一種離子交換的方式，主要吸收的養分為鈣離子、鎂離子、鉀離子、銨離子。

什麼是滲透作用(Permeation)：
自然界有幾種基本的原理，例如重力作用導致物體往下掉，擴散作用濃度高的往濃度低的跑，如水中滴進一滴墨汁，最後整杯水都均勻的變黑，就是擴散作用。由濃度高往濃度低處移動而中間有一層膜（植物根毛的細胞壁），就稱為滲透作用，只能部分的水分子及養分透過這個作用進入植物體內，擴散作用主要作用於磷酸根離子、鉀離子。

主動吸收（Active absorption）
主動吸收為植物根系吸收養分的最主要方式。當植物根所含養分濃度，高出根外土壤溶液的養分濃度時；或根細胞內的養分濃度高於細胞外的濃度時，植物對養分的吸收依舊會進行。
這種違反濃度由高向低的吸收方式，需要消耗能量才能完成，所以稱為主動吸收。

主動吸收所需要的能量，由根部呼吸作用所產生，因此根部呼吸作用的強弱將影響養分的主動吸收作用。

植物氮肥的吸收以質流及根部特殊膜蛋白主動吸收為主，主要吸附硝酸態氮(NO3--N)。
土壤內的有機質可以經微生物礦化後產生之銨基態氮NH4+-N，若再經硝化作用後則進一步生成亞硝酸態氮(NO2--N)及硝酸態氮(NO3--N)，其作用分別由自營性菌Nitrosomonas spp.及Nitrobacter spp.所進行。

Lewis(1986)指出，在酸性的環境下硝化作用進行緩慢，pH值在6.0以下，硝化作用有顯著的降低，pH值在5.0以下硝化作用幾乎不存在，酸性土壤施用石灰對硝化作用則有顯著的增加。
因此在酸性土壤之中施用尿素，本身溶解出來的銨態氮 難以轉化成硝態氮，因此吸收較困難。但是銨態氮屬於陽性可以被土壤膠體吸附（土壤膠體帶負電），一般硝酸態氮(NO3--N)是陰離子無法被土壤膠體吸收因此流失性較高。
而銨態氮可透過根截取及根部特殊膜蛋白主動吸收與硝酸態氮吸收比例而言，依照植物的不同約為1:2 到1:3 (NH4+-N : NO3--N) ，而銨態氮進植物體內，依舊要先經過硝化作用轉化成硝態氮才能儲存在細胞的液泡之中，要使用的時候又銨化變成氨態氮合成蛋白質，只能利用少部分的銨態氮直接合成蛋白質，因為銨態氮濃度太高時會造成植物體銨中毒.

磷肥的吸收以滲透作用(Permeation)以及主動吸收，吸收的H2PO4-、HPO42-和PO43-三種型式，主要的吸收途徑是H2PO4- 的形式，磷肥是三種養分中吸收的速度最慢。

鉀肥的吸收以主動吸收為主，被動吸收以根截取為主，擴散為輔，如果土壤膠體內的腐蝕質越多，有機膠體越多，就有辦法儲存越多的鉀離子，減少鉀離子的流失。

一般而言，植物體對於氮磷鉀的吸收量氮＞鉀＞磷，氮肥容易吸收跟流失，鉀肥吸收較慢又容易流失，磷肥吸收最慢又不容易流失，台灣大多農地都有磷酸鹽過高的現象。

農民對於自己的土地有肥力疑問，可以向各地農試所申請診斷，網址如下：
http://www.tari.gov.tw/form/index-1.asp…

近來 #天氣瓶 #stormglass 大熱，我也DIY了一個。觀察了一個月，發現其實除了溫度外，不太理解還有甚麼因素影響結晶的形狀變化。剛好今天就看到了明報一篇介紹，大家也來了解一下這個「魔幻水晶球」的種種冷知識吧！
p.s. 相片中是我的diy 天氣瓶今日的模樣，結晶很巨型，卻是偏側一邊的（近窗的那邊）。

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瓶中美景 難預測陰晴
解構大熱天氣瓶 文章日期：2015年4月10日

【明報專訊】近日天氣乍暖還寒，母親嚷着膝頭風濕痛發作，斷定將會「翻風落雨」，笑稱準過天文台。
長輩會依據膝頭來預測天氣，近日則有一種叫「天氣瓶」的玩意，宣稱能預測天氣，瓶內的化學溶液能感應天氣變化而出現不同的結晶效果，一時像羽毛或葉片，一時如雪花般慢慢落下，有人讚歎「美得令人窒息」。天氣瓶早前在日、台掀起自製熱潮，近期更吹到香港。它當真有預測天氣的神奇功能嗎？

˙今期專家
˙麥嘉慧博士 - 香港浸會大學理學院 一級講師（化學系）

農夫、漁民或從事海上工作的人，最重視氣候變化。昔日科技不先進，他們只能用最原始和簡單的方法觀測天象。
據悉，十九世紀航海用的天氣預報器，稱作風暴瓶（storm glass）的天氣瓶，由數種化學物質如硝酸鉀、氯化銨、樟腦粉，混合水及乙醇（酒精）製成，溶液會依據溫度和氣壓變化，出現一系列反應，變出形態各異的結晶體。當時的人相信，天氣瓶能預測晴天、多雲、大霧、下雪等多種天氣狀况。
最早期的天氣瓶之成分已無從稽考，現今流傳的配方，是由英國海軍中將兼氣象學家Robert FitzRoy（1805至1865年）發明，他曾率領英國皇家海軍小獵犬號，載着著名生物學家達爾文（Charles Darwin）環球考察，那次便使用了風暴瓶。

◆天氣瓶原理是什麼？

麥嘉慧解畫﹕「每一種化學成分，也有獨特的結晶圖案及固定的溶點。天氣瓶內的物質主要是硝酸鉀、氯化銨及樟腦，它們溶於水和乙醇時，有不同的溶解度和結晶圖案，致使產生形態各異的晶體。至於為何會結晶？當水和化合物的比例已呈飽和狀態，水未能溶解更多化合物，晶體便會積聚於溶液中，而溫度會決定化合物的溶解程度，道理如煲湯加鹽，熱力可將鹽溶解，相反在凍檸茶加糖卻難以溶解。理論上，化合物愈多，水和乙醇未能溶解的化合物比例愈多，更易結晶。」

◆天氣瓶能準確預測天氣？

麥嘉慧解畫﹕「不能。瓶裏的化學溶液沒有顏色，當低至某個溫度便會凝結，呈現如漂亮雪花的晶體。除了溫度，氣壓也會影響結晶圖案，化學溶液儲存在密封玻璃瓶中，隨着外間溫度上升，化學溶液及空氣會膨脹，令瓶內壓力增加，影響化學物的溶解度，從而改變結晶狀態。天氣瓶只可說能反映溫度和氣壓改變，並非能預測天氣。」

◆天氣轉變，影響結晶體形狀？

有說，天氣瓶中的液體清澈，代表天晴；如為雲狀，天氣多雲並可能降雨；雲狀並有星狀小結晶，表示會有雷雨；瓶子底部有結晶體，為寒冷天氣；瓶子頂部有絲狀結晶體，將有颳風。
麥嘉慧解畫﹕「在同一種天氣狀態下，結晶也不一定每次一樣。雖然每種化學成分有慣常的結晶圖案，但很多細節因素會影響結晶過程，例如溶液濃度、溫度變化速率，甚至有一粒灰塵，也會影響結晶過程。至於有人稱能從晶體中辨別是下雪或冷天，估計是在一段時間內，溫度變化速度有別所致，例如一日下降3℃和一日降7℃，也會影響化合物的結晶化過程。」

文﹕李佩雯
圖﹕陳淑安、李佩雯
編輯/屈曉彤
美術/Money

來源：http://ol.mingpao.com/cfm/style5.cfm…
(全篇貼下以防連結過期)

瓶內結晶的變化，主要是由於溶液內的樟腦在水與乙醇、硝酸鉀、氯化銨混合溶液內的溶解度會隨著溫度變化。 溫度降低時，樟腦的結晶析出；溫度升高時，樟腦的結晶溶解。 ... 雖然不能用來預報天氣，但天氣瓶隨著外界溫度展現出多變的晶體變化，仍可作為一個美麗的裝飾。
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