第一章 The Life-support environment

第一章 The Life-support environment 鄭先祐生態主張者 Ayo

第一章維生環境 • 維生環境的形成與組成 • 生物圈二號的實驗 • 維持都市-工業地區 • 紐約灣 • 伊利諾河 • 點源污染與非點源污染 • 建議閱讀書單自然的經濟(第一章)

維生環境的形成與組成 • 地球的誕生時，並沒有生命生活，至約30億年前才開始有簡單的生物出現，且一直至20億年前，簡單的生物必須生存於沒有氧氣，含有致命的紫外線、有毒的氣體、以及溫度變化極大的環境中。 • 約在20億年前，藍綠藻(cyanobacteria)的出現，才因為可以形光合作用，產生氧氣，而逐漸的改變大氣環境，下降大氣中的二氧化碳的濃度。自然的經濟(第一章)

地球的形成 自然的經濟(第一章)

生物對地球大氣形成的影響 • The earth began with no atmosphere and no oceans. • Today, the earth’s atmosphere contains a stable concentration of about 20%oxygen. 不會太高，若高於25%，濕的木材也會燃火；不會太低，若是低於15%，則燃火就很困難。 • Perhaps the most important innovation of living things in the history of life on earth was the development of photosynthesis. • 最早的光合作用可能是作用在 H2S + CO2→ CH2O + S2 自然的經濟(第一章)

從運用H2S 轉變到運用H2O • Because H2S was scarce, photochemical processes that employed the splitting of water (H2O) were favored. 因此逐漸演化為：H2O + CO2 → CH2O + O2 • 因為氧氣的出現，而顯著的影響大氣環境。 • 約有10億年，光合作用產生的氧氣都耗用在氧化反應上。首先是海洋中的鐵離子(Fe 2+ )，轉變成氧化鐵沉積海底。自然的經濟(第一章)

光合作用產生的氧氣 • 於15億年至20億年前，光合作用產生的氧氣量超過氧化海中鐵離子的量，氧氣才開始在大氣中累積。(Figure 3-1) • 真核(eukaryotic )生物約在13億年前出現。當時大氣的氧氣量約只有現在的1%。 • 目前地球有58%的氧是形成氧化鐵(Fe2O3)，38%是與岩石(SO4 2- )結合成大陸紅床(red beds)，只有4%進入大氣。自然的經濟(第一章)

 Fig. 3.1 Oxygen released by photosynthesis has accumulated on earth steadily through geologic time, but the occurrence of molecular oxygen in the atmosphere is a relatively recent event. 釋放至大氣的氧分子，只有4%。自然的經濟(第一章)

地球的生命力量（Gaia 假說） 自然的經濟(第一章)

圖1. 地球大氣的氧氣之產生。 自然的經濟(第一章)

維生體系的資源，免費供應 • 大氣中氧氣濃度的維持 • 全球的平均氣溫，與氣候分布和變化 • 雨水的供應 • 吸收太陽能量，產生有機食物 • 化石燃料的形成 • 自然景觀自然的經濟(第一章)

地景分類 土地可分為三類： • 建構的環境 (fabricated environment) • 馴化的環境 (domesticated environment) • 自然的環境 (natural environment) 或是 • 已發展地 (developed sites) • 農耕地 (cultivated sites) • 自然地 (natural sites) 自然的經濟(第一章)

已發展地區，或是建構的環境 • 包括城市、工業園區、以及運輸路線(如：道路、鐵路、機場等。 • 這些地區主要是靠化石燃料所推動。 • 這是非常能源密集的地區。 • 都市-工業地區的能源密度(energy density)是森林地區的1,000倍或更多。 • 都市不僅將垃圾傾卸到鄉村地區，而且還依賴鄉村提供其維生資源。自然的經濟(第一章)

城市是寄生體系，寄生於廣大的原野之上。 城市需要從其周遭環境獲取資源，用以維持城市人口的生活享用，其所產生的廢棄物則是要排出至其周遭地區。自然的經濟(第一章)

圖4. 美國地圖上的熱點(hot spots)。深色的地區是人造衛星在夜間能看到的燈光。自然的經濟(第一章)

馴化的環境，或是農耕地區 • 包括農業用地、經營管理的林地，以及人造池塘與湖泊等。 • 有津貼的太陽能動力體系(subsidized solar-powered systems) • 太陽能提供基本能源，但補助性的添加人力、機械、肥料和農藥等外來的能量和物質，用以增加生產力。自然的經濟(第一章)

圖1. 美國愛荷華州的農耕地。 自然的經濟(第一章)

自然地區 • 自我支撐(self-supporting)，自我維持(self-maintaining)的地區。 • 沒有能量或物質的外來津貼 • 基本太陽能動力體系(basic solar-powered systems) 自然的經濟(第一章)

圖1b. 北卡羅來納州匹茲葛國家森林的一塊天然硬木林區的入口。自然的經濟(第一章)

圖2a. Arkansas 州的一座廢耕地上生長的自然次生林。自然的經濟(第一章)

圖2b. 馴化的杉木林區。林下植被單調。 自然的經濟(第一章)

圖3. 美國大陸地區的土地利用情況(1980)。 (a) 三種土地利用範疇各佔的比率。 (b) 能量密度加權計算後的比率。已發展的環境已發展的環境農耕環境農耕環境自然環境 70% 自然環境 39% 自然的經濟(第一章)

維生體系 • 維生環境(life-support environment)：供應人類生理生活所需要的資源之地區。 • 維生體系(life-support system) • 維生體系 = 農耕體系 + 自然體系 • 農業體系提供每人每年所需的一百萬卡洛里，其中有15%必要是蛋白質。 • 自然體系維持氣候環境，氣溫、大氣中的氧氣濃度、淡水的形成、一部份的糧食、藥材等。自然的經濟(第一章)

生物圈二號的實驗 • 於1991年，一個不透氣，罩著玻璃的密閉建築，生物圈二號，被建造完成。佔地1.27公頃。 • 於1991年秋天，有8個人被送進去，在裡面生活了兩年，不與外面作任何物質的交換，但有豐富的能量供應與無限制的資訊交流(如收音機、電視、電話等)。 • 生物圈二號，約有80%的空間是自然棲地。其餘的有16%是農耕地。人類居住的地區(8個人)約佔4%。自然的經濟(第一章)

(1)雨林、(2)疏林/海洋/沼澤、(3)沙漠、 (4)密集的農耕地、(5)人類棲地、(6和7) 人造肺部、(8)能源中心、(9)冷卻塔自然的經濟(第一章)

生物二號的實驗結果 • 1993年秋季，八位生物圈人結束兩年的隔離生活。 • 他們的健康狀況比進入之前還好。 • 維持空氣、水的對流及淨化等，運作得相當順利。 • 進入生物圈的太陽能足以維持食物的栽培的產量。 • 但所有的光合作用上不完全足以維持和空氣中二氧化碳的平衡。於最後的六個月裡，必須注入氧氣以預防氧氣的不足。 • 生物圈人的時間分配： • 45% 生產和處理食物 25% 維護及修理器材 • 25% 溝通 5% 小型的研究計劃 • 沒有剩餘時間可用在休息及娛樂上自然的經濟(第一章)

Box維生的昂貴價格 • 為維持生物圈二號的維生體系，每個小時要耗用700千瓦的電力及23,000,000千焦耳(kilojoules)的天然氣。 • 兩年來總耗用12,500,000度的電力和3,800,000撒姆(therm)的天然氣。 • 以每度電1毛錢，每撒姆天然氣七毛錢來算，價格分別為1,250,000美元及2,600,000美元，總共近400萬美元。 • 由8位參予者分攤，每個月的帳單將超過150,000美元，相當於台幣450萬元(以1：30計算)。自然的經濟(第一章)

生物圈二號的後續計畫 • 生物圈二號在物質上是封閉的，但在能量上卻是開放的。除了給予太陽能外，還給予化石燃料。 • 將來這方面能源的需要，可以用太陽能電池來取代。 • 美國航太總署為要興建compact life-support modules，而進行的controlled ecological life-support system，簡稱為CELSS)的計畫。利用物理、化學和生物的方法製造空氣、淡水、和食物。自然的經濟(第一章)

自然的經濟(第一章)

維持城市-工業地區 • 農業用地，必然要比城市和工業地區大上許多倍。每平方哩的城市(上千個居民)，需要有許多平方哩的農地來餵養他們。 • 地小而人口密度高的國家，就必要仰賴進口來提供維生的必需品。譬如日本，只有30%的農產品是來自其本國內。 • George Borgstrom(1967) The hungry planet提出「幽靈面積」(ghost acreage)的名詞，表示供養一個國家境內的人口所需的國外土地面積。 • 日本的幽靈面積遠大於其本土外加其周圍的淺海地區的面積。自然的經濟(第一章)

紐約灣 • 紐約地區兩千萬居民所產出的廢棄物都傾倒於哈德森河的河口之海灣。這個地區被稱為紐約灣。 • 每年有超過一千萬噸的垃圾被傾倒在這裡，外加無數加侖的處理過的污水、工業廢棄物、船隻排放的廢棄物等等。 • 由於這裡在物理化學和生物上都非常的活躍，如海潮與潮汐，以及細菌活動等，因此至目前為止，這些龐大的廢棄物大部分都能被自然「消化」。 • 然而，愈來愈多的壓力訊號，顯示這個維生體系已經超過其負荷能力(承載力)。自然的經濟(第一章)

圖6. 紐約灣，圖中顯示輪郭線與水質抽樣站的地點。自然的經濟(第一章)

免費的自然處理體系 • 紐約灣大約有5,200平方公里，平均海水深度是30公尺的水域，如同活化的廢棄物處理系統(activated wasted treatment system)，一年365天，一天24小時，持續免費的操作著。 • 倘若要用人造的機械來處理，這將會是非常昂貴的支出。 • 自然免費的廢棄物處理已經負荷過度！我們要怎麼辦？ • (1) 增加昂貴的人工處理系統 • (2) 減少廢棄物的排放。自然的經濟(第一章)

伊利諾河 • 1900年，芝加哥市決定將其流進密西根湖的污水改道，流進伊利諾河，最後流入密西西比河。同時，也提供船隻的運輸水路。 • 伊利諾河谷寬廣，有數百個淺湖和泥潭相連，流經世界上最肥沃的土地。這裡是漁獵的天堂，充滿水禽、魚類、貽貝類和毛皮動物。 • 至1908年，還有2,500個商業漁民每年捕撈1,100萬公斤的漁獲量。另外消遣性的漁獲對當地的經濟，也帶來與商業漁民同等的利益。還有2,600艘捕撈貽貝的漁船在作業。自然的經濟(第一章)

圖7. 伊利諾河流域(虛線圈起的部分)。 自然的經濟(第一章)

1900年至1940年 • 自從1900年，來自芝加哥的污水注入後，漁獲量很快的下降。 • 1920年至1930年間，各城市建造污水處理廠，污染防治法也開始施行，污染的情況有了改善。 • 1940年，該河的整體情況還好，它吸收著芝加哥市和沿河谷的其他城市之大量廢棄物。自然的經濟(第一章)

維生能力的傷害 • 於1930年代起，伊利諾河谷上的肥沃草原就被開發成玉米和黃豆的農業區。 • 因為經濟政策和低價的化石燃料，促使農業進行大規模的經濟生產。 • 如此增加水土的流失和肥料與農藥的滲流，進入伊利諾河谷。 • 1975年估計每年有2500萬噸的土壤從農業區沖刷進入河谷。其中有部份在流入密西西比河，但大部分都停留在湖泊和泥潭中。 • 這些外加的壓力，已經顯著的下降這個河谷的維生能力。自然的經濟(第一章)

溪流中採集 自然的經濟(第一章)

嚴重優氧化的高屏溪，長滿布袋蓮，垂死污染的河畔，小男孩打撈死魚。嚴重優氧化的高屏溪，長滿布袋蓮，垂死污染的河畔，小男孩打撈死魚。自然的經濟(第一章)

點源污染與非點源污染 • 點源污染(point-source pollution)，比較容易定其污染排放的位置，並採取管制行動。 • 非點源污染(nonpoint-source pollution)，例如農藥的滲流，除草劑的滲流，汽車排放的廢氣等，卻是日益增加。 • 管理非點源污染，需要採用輸入管理(input management)來控制。自然的經濟(第一章)

如這張圖(於1950年代拍攝)的點源的污染，於美國近年來已經少見，但是非點源的污染卻是在全球日漸增加。如這張圖(於1950年代拍攝)的點源的污染，於美國近年來已經少見，但是非點源的污染卻是在全球日漸增加。自然的經濟(第一章)

Box不只是知識而已 • 生態學研究不只是給我們實用的知識而已，生態學也讓我們看到地球獨特的美，以及驚人的生物種類。 • 儘管我們對機器與人造建築的依賴日益增加，但對自然的愛仍是人類心靈的強大力量。 • 美感價值與保育倫理是根深蒂固的。 • 都市化把我們跟自然隔絕，但我們卻是越來越依賴自然，因此我們必然要對自然越來越關切。自然的經濟(第一章)

建議閱讀的書單 • Allen, J. 1991. Biosphere-2. The Human Experiment. Penguin Books, London. • Borgstrom, G. 1967. The Hungry Planet. Macmillan, New York. • Odum, E. P. 1977. The life support value of forest. In: Forests for people, pp.101-105. Society of American Foresters, Washington, D. C. • Odum, E. P. 1996. The high cost of domed cities. Nature 382:18. • Platt, A. E. 1995. Dying seas. Worldwatch 8(1):10-19. 自然的經濟(第一章)

問題與討論！ Japalura@hotmail.com Ayo 台南站：http://mail.nutn.edu.tw/~hycheng/ 自然的經濟(第一章)

第一章 The Life-support environment