第五章 維生物質的循環與物質環境

1. 第五章維生物質的循環與物質環境 鄭先祐 生態主張者 Ayo 工作室

2. 維生物質的循環 • 雨天被視為壞天，但假若都不下雨，就會沒有生命。 • 農人重視雨水，但當天氣不符合他們的農作物時，也是會抱怨。 • 十九世紀作家John Ruskin說，事實上並沒有壞天氣，指有各種不同的好天氣。 • 甚至是暴風雨也對環境有益，如果人們不要堅持在洪氾區或太靠近岸區建築，那麼它們所造成的損害就不會那麼嚴重。 自然的經濟 2001

3. 水文循環 • 水的循環，或稱為水文循環(hydrological cycle) (如同圖1)。 • 據估計，密西西比河谷的雨水有90%是來自海洋。 • 每年於陸地上的降雨量，其中有20%是流進海洋，有80%是補充地表或地下水庫。 • 但由於舖路、鑿溝、填平沼澤、壓實土壤、砍伐樹林，而造成地面逕流增加，減少水滲入土壤與地下的量。 自然的經濟 2001

4. 圖1. 水文循環的過程，分成上坡環和下坡環，靠著太陽能驅動的上坡環，以及釋放能量的下坡環。 自然的經濟 2001

5. 11.3 水的循環是生態体系元素循環的範例。  大氣 雨量 雨量 蒸發 地下水 佔97%量 單位：km3 ； 轉換的單位：km3 /年 自然的經濟 2001

6. 全球水量的分佈  • 全球水量估計有 1,400,000,000 km3， • 海洋有 1,350,000,000 km3 (佔97%)。 • 冰層有 27,500,000 km3 • 地下水有 8,200,000 km3 • 河流水有 40,000 km3 • 陸域雨量有 111,000 km3 • 海洋雨量有 385,000 km3 自然的經濟 2001

7. 全球水量的 residence time  • 全球水份的evaporation量，約可吸收陽光射入地球總能量的四分之一。 • 約是每年1021KJ • 大氣的水蒸氣之平均residence time是2週(1/26年)。 • 液態水的residence time則是高達2,800年。 自然的經濟 2001

8.  地下水是最易受威脅傷害的 • 乾淨水源的供應已經被認識到於未來25年間，將可能成為危害所有人類生存安全的最關鍵因素。 • 而且，在河川之下，或在我們腳下的地下水之命運，是不同於在「地表」(surface)的水。 • 不同於一般人的相信，新的研究結果顯示「地下水是最易受威脅傷害的」。 • 同時，「密西西比河」的地面和地下水量的比率並不是「獨特的」，全球淡水資源有97%是貯存於地下水岩層。 自然的經濟 2001

9. 過時的觀點  • 文明的早期，「地表水」是唯一的淡水來源。 • 當時全球人口還不到目前的千分之一，人口聚集在河川平原，且河水都相當乾淨。 • 我們可能仍然認為「地表水」是淡水的主要來源。 • 所以我們很容易誤認污染問題主要就發生在「地表水」，認為河川和溪流的污染才會危害我們的健康，以及洪水和水生傳染病才是人類的主要殺手。 自然的經濟 2001

10.  地下水的污染往往是無法回復的 • 然而，於近百年來，全球人口成長4倍，且河川水源愈來愈受污染和耗減，人們依靠抽取地下水的量急速攀升，因此我們已經有可怕的重大發現。 • 相對於一般的印象，至少山泉和井水(地下水)是乾淨的，我們發現這些水也已經遭受廣泛的污染。 • 而且，不同於河川，地下水的污染往往是無法回復的(irreversible)。 自然的經濟 2001

11.  地下水的補注，極為緩慢 • 另一個潛在影響因素就是：相對於地表水，地下水的自然更新週期是非常的緩慢。 • 雖然有些地下水岩層自然補注相當快速，但地下水源自然更新週期平均是1,400年，而河川卻只要20年。 • 所以我們這一代抽取的地下水，將須要好幾個世代去補注。 • 抽取上來的水或許可以快速蒸發進入大氣，再形成雨水回到地面(大部份的雨水是落入海洋)，但仍須要數百年才能進入地下水層，補注已經被抽取出的水量。 自然的經濟 2001

12. 流動緩慢，污染累積  • 而且，因為地下水在地層間的流動，如同冰河的緩慢，地下水層間的污染將會持續的累積。 • 河川可將污染衝刷進入海洋，但地下水層如同污染槽，長年的累積，因此將會逐漸減少可供應人類使用的乾淨水量。 自然的經濟 2001

13. 地下水，已經受到影響  • 於水資源危機的認知上，一般最大的錯誤觀念或許就是，假設我們站立的大地和地下都是堅固的、不會改變的和穩定的。 • 正如氣候變遷的來臨，警醒我們面對在我們頭上的空氣已經成為於巨大轉變中多種力量角逐的競技場；水資源的危機也已經讓我們瞭解到(雖然可能是緩慢的)地下水是整個水循環體系的一部份，介於大地、地表水、天空和海洋之間。 自然的經濟 2001

14. 玩弄天地，將自食惡果  • 就在前幾年，「Columbia」大學的科學家「Wallace Broecker」為顯現人類的活動已經影響到大氣，就提出警告「大氣體系是一隻生氣的野獸，而我們正用樹枝在戳牠。」 • 同樣的警告，也適用到我們腳下的體系。假若我們持續的挖洞，要它吞食我們的廢棄物，並要索淡水回報，我們可能是在玩弄一個沒有人想要的惡果。 自然的經濟 2001

15. Box免費的乾淨用水 • 到達地球表面的太陽能約有三分之一是耗散於驅動水文循環上。 • 水的自然再循環，是免費的服務，而且是耗用大量太陽能的免費服務。 • 假若我們不得不利用燃料來再循環並淨化我們所有的飲水，那麼我們的經濟將會是很悲慘的。 • 假若要海水淡化，一加侖海水將花費一美元，但這些都由自然包辦了，所以一美元就可以有好幾千加侖的飲用水。 自然的經濟 2001

16.  Fig. 28.10 Our total water supply. Most freshwater is frozen in glaciers and ice caps. A minuscule amount(0.003% of the to total) exists as vapor in the atmosphere. Water and the coming crisis 自然的經濟 2001

17. The Ogallala aquifer dilemma • The Ogallala aquifer is in the high plains of Texas, Kansas, Oklahoma, Nebraska, and eastern Colorado. • 這個地區灌溉種植的穀物生產提供外銷市場的重要部分，約有十億美元的經濟價值。 • 但這些是靠化石燃料抽出地下水，津貼給農地(肥料和農藥)，所換得的 • 不幸的是，至新世紀初，Ogallala 地下水層的水將會被抽光。這些水將會比化石燃料更早消失殆盡。 • 沒有地下水的大地，經濟將會蕭條，1930年代的塵暴(dust storm)將再重現。(圖2) 自然的經濟 2001

18. 圖2. 1930 年代的塵暴。 自然的經濟 2001

19. Box 地下水之外的選擇？ • 倘若Ogallala 地下水層的水量被抽光，要繼續灌溉農地的一個可能的方法，就是建造一條引自密西西比河的水渠。 • 但這樣的做法，花費很昂貴，且會產生嚴重的政治和倫理問題(水權資源的分配)。 • 或者是，在地下水枯竭之前，逐漸地將穀物的生產轉移到供水較佳的地區？ • 若是如此，要如何進行？ 自然的經濟 2001

20. 地下水源的鹽化  • 鹽份又是另一個自然發生於地下水的污染物，但人類活動往往會促使其更惡化。 • 正常情況，沿岸地下水會流入海洋。 • 但是地下水被過量抽取出來，而造成水流向反過來，海水倒入，進入地下水層。 • 因為海水有很高的鹽量，所以只要2%的海水加入淡水，就可以讓其不適用於飲用或是灌溉。 • 而且，只要一旦鹽化，原本淡水的地下水源就將會長久保有鹽份。 • 鹽化的地下水源通常是會被廢棄，因為處理費用是相當的昂貴。 自然的經濟 2001

21. 超抽地下水  • 於「馬尼拉」 (Manila)，因為超抽地下水，地下水位已經下降50至80公尺，海水則已經倒流進入離岸5公里遠，位在城市下的「Guadalupe」地下水層。 • 海水也倒流數公里而入侵至「雅加達」(Jakarta)和「Madras」兩座城市，以及美國佛羅里達州的地下水層。 • 海水的入侵對島嶼地區也相當嚴重，如：「Maldives」和「Cyprus」島嶼，這些住民的飲用水主要仍是地下水。 自然的經濟 2001

22. 生物地理化學的循環 • 化學元素往返於生物體和物理化學環境間的循環途徑，稱之為biogeochemical cycles。 • Biogeochemistry 這個名詞可能是由俄國科學家Vladimir Ivanovich Vernadsky, 1863-1945)，於1926年出版著作(生物圈，The Biosphere) • 但是開展這方面的領域者是 G. E. Hutchinson)。 自然的經濟 2001

23. 圖3. 養分的循環與驅動循環的單向能量循流之間的關係。 Pg 為總初級生產量，Pn為淨初級生產量，P為二級生產量，R為呼吸作用。 自然的經濟 2001

24. 元素物質的循環 • 約有20多種維生所需要的營養元素，如同水一樣，分布並不均勻。這些物質(元素)是存在於各個不同的部門(compartment)或庫(pool)裡。 • Chelation (嵌合作用)，有機分子可以抓住礦物質或金屬元素。如此可下降水中的礦物質或金屬元素等的量。 • 循環可分為兩類：氣型類和沉積類。(圖4和圖5) 自然的經濟 2001

25. 大氣層 圖4. 氮的循環。氮的循環包含大氣中的大貯存庫和土壤與水中的貯存庫。 固氮作用(Nitrogen fixation) 自然的經濟 2001

26. 氮循環(nitrogen cycle)於生態體系內，有多種氧化狀態。 • 陸域植物須要 1,200 x 1012 g 每年 • Nitrogen fixation 約 140 x 1012 g 每年 • 閃電則可有 20 x 1012 g 每年 • ammonification 產生 ammonia (NH3) • nitrification ： ammonia → nitrite (NO2-) • nitrite → nitrate (NO3-) • denitrification ：NO3-→ NO2- → N2  自然的經濟 2001

27. 人為產生 Fig. 11-12 全球氮循環。單位：1012g  自然的經濟 2001

28. 圖5. 磷的循環，是沉積循環的範例。 自然的經濟 2001

29. Balancing the global nitrogen budget • 目前全球的氮循環，同樣也有不平衡的情況，有些微的剩餘到大氣中。 • 熱帶雨林每年有2.4 至7.4 x 1012 g N2O • 人類的化肥則產出90 x 1012 g N2O 和NO • 這些在大氣的氮(N2O)，是很強的溫室氣體，是CO2的200倍。 • 95%的N2O進入平流層，會與臭氧作用，而被摧毀。 • 另外，還有一些貢獻到酸雨。  自然的經濟 2001

30. 磷循環與土壤的pH值和水域環境的營養互動有密切關係。磷循環與土壤的pH值和水域環境的營養互動有密切關係。 • 磷元素沒有氣體狀態，所以只有土壤和水域環境部門(Fig.11-15)。 • 每年約有21 x 1012 g 從陸域經由河流進入海洋。這些大部份(20 x 1012 g)是有機體內的磷。 • 人為開發出來的，加入土壤的磷約是每年 14 x 1012 g。  自然的經濟 2001

31. 陸域 Fig. 11-15 The gloval phosphorus cycle. 貯存庫的單位：1012g P循環的單位： 1012g P/年  自然的經濟 2001

32. 硫的循環 • 圖6. 硫的循環。 自然的經濟 2001

33. 人為的  Fig. 11-18 全球硫循環。單位：1012g 自然的經濟 2001

34. Box 被我們滲漏污染的郊區 • 於威斯康辛州的 Wingra 湖流域(集水區)，是美國國家科學基金會贊助的研究地區。 • Wingra湖的一邊是城郊的住宅區，另一邊是森林保留區。 • 靠近城郊的湖水，每年接受來自城市的肥料，和各種污染物，造成嚴重的優氧化。 • 另外靠近森林的一邊，則是保持清淨。 自然的經濟 2001

35. 跑錯位置的資源 • 產生N2O 與 NO2，以及SO2，原本只是其個別循環中的一個過渡步驟。 • 但是大量的化石燃料的燃燒，大量的增加這些揮發性氧化物的濃度。如此而形成酸雨(acid rain)。(硫酸與硝酸) • Synergism (加成效用) • 煙囪加高，只是讓污染物排放至愈高處，傳送得更遠。(圖7) 自然的經濟 2001

36. 圖7. 煙囪加高減少鄰近地區的空氣污染，但卻會加劇酸雨的問題。 自然的經濟 2001

37. 光化煙霧(photochemical smog) • 加州南部海岸盆地的居民，因為空氣污染所導致的疾病，平均每人有17天無法上班。 • 若要避免此效應發生，得支付出100億美元的成本。 • 這些還沒有包含對山區森林的傷害損失。 • 對農作物的損失估計，菜豆生產減少15%，蔬菜的年損失為4,500萬美元。 自然的經濟 2001

38. 酸雨的傷害  自然的經濟 2001

39. Box 清淨空氣：是該行動的時候了！ • 管制工廠的大煙囪排放污染，說得多但做得少，主要是因為管制的花費非常高。 • 因此污染所造成的經濟傷害必須要很巨大，人們才會覺得需要進一步嚴格的管制。 • 但是如此等待太久，那將會是我們付出數十億美元的健康和維生保障的代價。 • 我們必要運用輸入管理的概念，即是從生產系統的輸入方面著手，以減少污染。 自然的經濟 2001

40. Ozone, a “chemical weed” • Weed (雜草)，被界定為生長到錯誤地區之植物。它可能是有用的，但是因為長錯地方，所以就成為雜草。 • 臭氧(O3)，就是一種化學的雜草。 • 臭氧在大氣平流層，是自然形成，有隔絕紫外線的功能，對我們有保護作用。 • 但是於我們的生活環境中，臭氧的產生卻是主要的光化學污染物，特別是大城市。 自然的經濟 2001

41. 平流層臭氧耗減對生命的傷害Impact of the depletion of stratospheric ozone on life 紫外線增強 • 增加人類皮膚癌，產少農業生產。 • 摧毀海域生物的幼蟲，減少浮游植物的光合作用量。 • 兩生類族群減少。 • 傷害免疫系統 (減少血液淋巴球的存活量)。 CFCs對全球溫化的影響 • 對全球溫化的貢獻量約佔20%。 • 於2050年前，影響力可能就會大於二氧化碳。 

42. 臭氧污染的經濟 • 臭氧對我們維生體系的傷害，可能比酸雨有更大的威脅，至少者兩者會有加成效應。 • A. V. Kneese的研究顯示，即使是減少非常微小的0.01ppm的地面臭氧污染濃度，就可以減少一百萬個勞工呼吸系統慢性疾病的案例，對企業界每年可增加10億美元的利益。 自然的經濟 2001

43. 全球的碳循環 • 碳循環可有四個部門：大氣、海洋、陸域生物、和化石燃料。(圖8) 自然的經濟 2001

44. 11.5 現代碳循環包含 a missing sink of carbon。 • 海洋有38,000 x 1015 g的碳。 • 土壤和植物體有 2,060 x 1015 g • 大氣只有 720 x 1015 g (<1%) • 化石的碳量有 4,000 x 1015 g • 大約是陸域碳量的兩倍。 • 基礎生產量 每年120 x 1015 g • 呼吸量產出 每年 60 x 1015 g • 分解量每年 62 x 1015 g • 其中有60 x 1015g 回到大氣。  自然的經濟 2001

45. 呼吸量 粗基礎生產量 分解量  Fig. 11-7 全球碳循環。 單位：1015g；轉換單位；每年1015g 自然的經濟 2001

46. 表2 全地球碳之分佈。碳含量之單位是Gt (Gigaton), Gt=109公噸。原資料取自 Leo Smith (1990), p.251-253。其中海域地區之水體碳含量是39,000Gt 於本表中並未計入。全地球碳總含量是 55,635Gt(16,635Gt + 39,000Gt)。  自然的經濟 2001

47.  全球碳循環的平衡。 自然的經濟 2001

48. Land plants as the missing sink • 因為人類的活動而造成產出的CO2不平衡，每年有 1.8 x 1015g的多餘。 • 這些是否會被陸域植物所吸收？ • 大氣CO2的增加，可以促使光合作用加速。但情況似乎並不如此單純。 • Bazzaz (1993)的實驗，第一年的結果是有顯著的差異，但第2年至第3年，情況有變化。(Fi.11-10)  自然的經濟 2001

49.  Fig.11-10 高濃度(700l l-1)和低濃度(3500l l-1)栽培環境下，5種樹苗的成長(生物質量)比率。 自然的經濟 2001

50.  沼澤 自然的經濟 2001