2015年3月9日 星期一

沖刷入海的土壤 為何也成了地球暖化的幫兇?

"被沖刷到水體裡的土壤,它們也是促成N2O形成的推手之一。當這些懸浮顆粒進入優養化的水體時,便有可能促進N2O的生成。"
圖片一,藻類大量生長的現象。 Photo Credit: Alejandro Díaz | WikiMedia Commons

作者:馮加伶、楊姍樺
校對:蕭淞云

    如果你跟我一樣住在城市,是個朝九晚五的標準上班族,每天光是為了柴米油鹽醬醋茶與休假太少而傷透腦筋,很少會再去想到圍繞在這座島嶼四周的海洋裡,因人類的活動而有了甚麼樣的衝擊。儘管,最近海洋中的懸浮顆粒議題越來越吸引人們的關注,但是大部分的人的注意力多半著重在「塑膠微粒的汙染上」,而不是每逢豪大雨來襲,沖刷至海水中的土石。

    土石沖刷,只要不是打在自己的屋子上,流放到海水之後,等著沉澱不就好了嗎?沒這麼簡單,這些沖刷至海水中的土石,除了會造成優養化現象之外,也與溫室效應氣體的生成有關聯。

    農業或其他開發活動後,土壤中過量的肥料或人類產生的汙水,如果遇到大雨沖刷,大雨就會挾帶著土壤中的營養鹽進入湖泊或海洋。當富含氮、磷的營養鹽進入水裡後,原本在水裡的藻類與浮游生物則因這些養分,在短時間內大量生長,這就是大家較為熟悉的優養化現象(Eutrophication) (圖一)。

    但是藻類的生活週期短,當藻類沉降死亡後,則會有大量的細菌滋生來分解藻類的碎屑,消耗水中的氧氣,使溶氧量降低導致其他生物無法在這環境中生存,尤其是邊緣海地區淡水與鹹水交界面處,表層與大氣接觸氧氣含量較高的淡水,不易與底下密度較高的海水混和,使底層海水特別容易發生缺氧現象,情況嚴重時,則會造成一個讓人畏懼的現象—死區(Dead zones)(圖二)。

圖片二,死區的形成:(1)春天時,溫度較高的淡水從密西西比河流入墨西哥海灣,形成了一個屏障,阻隔下方海水進行氧氣交換。(2)從肥料和汙水中而來的氮、磷營養鹽促成了大量藻類生長,等藻類死亡後,屍體會沉降到下方的海水被細菌分解,這個過程會消耗許多氧氣。(3)下方海水的氧氣濃度越來越低又無法進行氧氣交換,死區就此形成。 圖片出處:Nola.com (image Credit: Dan Swenson 

    西元1950年代,科學家首次在地中海地區的亞得里亞海域(Adriatic sea)注意到死區的缺氧現象,之後即出現在黑海(Black sea)的西北大陸棚和大西洋北海的卡特加特海峽(Kattegat)。到了2008年,死區已經遍佈全球超過400個區域(圖三),影響範圍超過24萬5千平方公里。其中最嚴重的例子就是北美洲的墨西哥灣。西元2011年時密西西比河的水患,使得挾帶著豐富營養鹽的大量淡水匯入墨西哥灣,造成當地海域死區的面積廣達17,534平方公里,有如半個台灣大,嚴重威脅墨西哥灣的生態和漁業。

圖片三,目前已知的死區全球分布圖(白色圈圈);人類開發活動(百分比)則以不同顏色標註於地圖上。圖片出處:Diaz and Rosenberg, 2008。 

    海洋死區是指海水的溶氧量低於2 ml/L的區域。在死區內,底棲生物開始會有異常行為,像是離開它的洞穴,移動到沉積物與水的交界處(sediment-water interface)。而當水中溶氧量低於0.5 ml/L之後,就會導致生物大量死亡。近幾年,死區大多發生在大陸棚海域,像是白令海峽、卡特加特海峽、黑海、墨西哥灣和東海,這些地區也都是主要的漁場。因此,死區被視為影響海洋生態系的主要威脅。

    實在不確定該用蝴蝶效應(指一件表面上看來毫無關係、非常微小的事情,可能帶來巨大的改變),還是要用莫非定律(凡是可能出錯的事均會出錯)來形容這件事情,也或許上述兩個詞彙都不足以描繪人類行為與地球環境之間錯綜複雜的關係。近期的研究發現,死區除了影響地區性的海洋生態,它跟全球的氣候變遷也有密切關係。

    溫室效應氣體,就是具有吸收紅外線,使得熱量保留在地表大氣層中的溫室效應氣體。大氣中,這類的氣體有許多種,包括水蒸氣,二氧化碳(CO2)、臭氧(O3)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)等。其中氧化亞氮,它所成造成的溫室效應效果,是我們熟知的二氧化碳高出153倍以上 (以500年期間計算)。

    N2O較容易在氧氣濃度低的環境中生成,而海洋死區的擴大,也就是增加N2O釋放至大氣的原因之一。

    再回到被沖刷到水體裡的土壤,它們也是促成N2O形成的推手之一。這些土壤被沖刷入水體成水中的懸浮顆粒,其構造也提供了缺氧的微環境。當這些懸浮顆粒進入優養化的水體時,便有可能促進N2O的生成。

    中研院環境變遷中心的蕭淞云博士曾赴混濁且有季節性缺氧的長江口,研究懸浮顆粒與N2O的生成的關係。他在研究過程中發現,在該區N2O主要生成機制為硝化作用。而負責執行硝化作用的微生物主要存在於大於 3μm 的懸浮顆粒物上。且經由穩定同位素的追蹤,發現水中的硝化作用活性也集中在這些顆粒物上。也就是,沖刷至海水的土石顆粒確實會對於海水中N2O的生成有貢獻。

    一直以為,對於過度開發的造成的土石沖刷問題,不僅僅侷限於新聞中每逢大雨就看到的土石流災情,這些沖刷至海水中的過量土壤石礫,繼續以另外的方式,默默地影響著氣候與海洋。等到我們再次察覺時,或許為時已晚。

【作者】
馮加伶 (國立台灣海洋大學海洋生物研究所碩士;中央研究院生物多樣性中心研究助理)
楊姍樺 (中央研究院國際研究生學程分子與農業生物科學博士候選人)
蕭淞云 (中央大學水文與海洋學研究所博士後研究員)

【參考文獻】
1. R.J. Diaz, and R. Rosenberg. (2008) Spreading dead zone and consequences for marine ecosystems. Science. 321:926-929.
2. S.S.Y. Hsiao, T.C. Hs, J.W. Liu, X. Xie, Y. Zhang, J. Lin, H. Wang, J.Y.T. Yang, S.C. Hsu, M. Dai, and S.J. Kao. (2014) Nitrification and its oxygen consumption along the turbid Chang Jiang River plume. Biogeosciences, 11:2083-2098.

【延伸閱讀】
復育氾濫平原森林 墨西哥灣「死區」驟減》2-June-2014 環境資訊中心
美國玉米酒精與海洋死區》7-Juy-2010 NGO對抗暖化行動資訊網
Aquatic 'dead zones' contributing to climate change 12-March-2010 Science daily 

沒有留言: