約兩萬年前的末次冰盛期（Last Glacial Maximum, LGM），全球氣溫明顯低於今日，大氣中的二氧化碳（CO₂）濃度也比工業革命前低了約 90 ppm。然而，究竟是哪些海洋物理與生物地球化學過程造成如此顯著的差異，至今仍是古氣候研究的重要課題。
國立臺灣大學海洋研究所簡嘉德助理教授與德國 GEOMAR 的研究團隊，利用三維地球系統模式，探討末次冰盛期海洋營養鹽循環、生物碳幫浦及大氣二氧化碳濃度之間的關係，並評估模式參數的不確定性如何影響模擬結果。研究成果已於 2026 年 9 月 21 日發表在國際期刊 Earth System Dynamics。
海洋鐵供應是影響冰期碳循環的重要因素
海洋中的浮游植物透過光合作用吸收二氧化碳，並將部分有機碳輸送至深海，形成所謂的「生物碳幫浦」。這項機制的效率受到氮、磷及鐵等營養元素供應的影響。其中，鐵雖然只需要極少的量，卻可能限制廣大海域的浮游植物生長。
研究團隊利用能模擬浮游植物碳、氮、磷比例變化的生態系模式，分析冰期大氣粉塵增加、大陸棚暴露造成的沉積物鐵供應減少、營養鹽庫存變化，以及海洋環流改變等因素。
模擬結果顯示，鐵供應的變化對海洋生物生產力及大氣二氧化碳濃度具有特別顯著的影響。冰期較強的粉塵沉降可增加海洋鐵供應，促進浮游植物生長與有機碳輸出；然而，海平面下降使部分大陸棚露出海面，也可能大幅減少沉積物向海洋釋放的鐵，進而削弱生物碳幫浦(圖一)。
研究也發現，浮游植物能隨環境條件調整其細胞中的碳、氮、磷比例，因此海洋生物對營養鹽供應變化的反應，並不一定遵循固定的元素比例。這種生理調適能力可能進一步放大鐵供應變化對大氣二氧化碳濃度的影響。
即使能重現現代海洋，仍不代表能準確預測冰期
本研究另一項重要發現與地球系統模式的不確定性有關。
研究團隊首先測試 600 組不同的生物地球化學參數組合，選出其中 20 組最能重現現代海洋觀測資料的參數，再結合 24 種不同的冰期物理與生物地球化學條件，總共進行 480 組地球系統模擬。
結果顯示，儘管這 20 組參數都能合理模擬現代的海洋環境，在完整冰期條件下，模擬的大氣二氧化碳下降幅度卻介於 36 至 58 ppm，呈現明顯差異。
這說明即使不同的模式參數都能重現目前所掌握的海洋觀測資料，也不代表它們對不同氣候條件的反應必然一致。研究因此強調，在利用地球系統模式重建古氣候或預測未來海洋變化時，不能只依賴單一組最佳參數，而應納入參數不確定性的評估。
對未來氣候研究的啟示
這項研究指出，理解過去大氣二氧化碳濃度的變化，不僅需要考慮海洋環流與營養鹽供應，也必須將浮游植物的生理調適及海洋鐵循環納入評估。
研究結果同時有助於理解海洋碳移除技術的潛在限制。例如，透過增加海洋鐵供應促進浮游植物生長的構想，其實際效果可能受到生態系反應與模式不確定性的影響。
透過多組參數與不同環境條件的系集模擬，本研究為評估過去與未來海洋碳循環提供了更完整的分析架構。
延伸閱讀
Chien, C.-T., Pahlow, M., Somes, C. J., Schartau, M., & Oschlies, A. (2026). Ensemble simulation of the Last Glacial Maximum marine biogeochemistry and atmospheric pCO₂ drawdown due to the soft-tissue biological carbon pump. Earth System Dynamics, 17, 1277–1297, https://doi.org/10.5194/esd-17-1277-2026
圖一說明： 不同模擬組相較於預設的工業革命前生物地球化學條件（PIallbgc），(a) 淨初級生產力（NPP）與表層溶解態鐵濃度（dFe），以及 (b) 顆粒有機碳輸出通量（POC export）與顆粒有機質碳氮比（pC:N）的變化。顏色代表大氣二氧化碳分壓（pCO₂），不同符號則代表不同的生物地球化學模擬條件。其中，LGMFedep 代表採用末次冰盛期（LGM）的大氣鐵沉降通量；LGMFesed 代表大陸棚暴露造成的沉積物鐵供應減少；LGMPO4 代表海洋磷酸鹽總儲量增加 15%；LGMbdeni 代表大陸棚暴露造成的海床反硝化作用減弱；LGMallbgc 則代表上述所有冰期生物地球化學條件的綜合模擬。圖中接近參考模擬（PIallbgc）、變化幅度較小的資料點群，主要來自 LGMPO4 與 LGMbdeni 模擬。
