第五章 維生物質的循環與物質環境

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

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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。

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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。

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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。

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11.3 水的循環是生態体系元素循環的範例。

雨量

地下水

雨量 蒸發

大氣

單位： km3 ； 轉換的單位： km3 / 年

佔 97%量

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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

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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 1021 KJ

• 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。

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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。

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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。

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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)。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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

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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)

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圖 2. 1930 年代的塵暴。

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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？

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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。

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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。

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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)。

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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。

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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)

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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。

大氣層

固氮作用(Nitrogen fixation)

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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

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Fig. 11-12 全球氮循環。單位： 1012 g

人為產生

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圖 5. 磷的循環，是沉積循環的範例。

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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。

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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。

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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

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硫的循環

• 圖 6. 硫的循環。

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Fig. 11-18 全球硫循環。單位： 1012g

人為的

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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。

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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)

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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。

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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。

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酸雨的傷害

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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。

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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。

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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。

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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。

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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)

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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。

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Fig. 11-7 全球碳循環。 單位： 1015g；轉換單位；每年 1015g

粗基礎生產量呼吸量

分解量

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分布地區 位置 碳含量(Gt) 百分率

大 氣 702 4.2％

活體 826 5.0％ 陸域地區

屍體 1,456 8.8％

活體 1 < 0.1％ 海域地區

屍體 1,650 9.9％

化石(含可開採燃料) 12,000 72.1％

總 共 16,635 100.0％

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)。

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全球碳循環的平衡。

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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)

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Fig.11-10 高濃度 (700l l-1) 和低濃度 (3500l l-

1)栽培環境下， 5 種樹苗的成長 ( 生物質量 )比率。

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沼澤

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Fig. 11-11 農耕的結果，會使土壤的有機質含量下降。

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• If greenhouse gases continue to rise at the current rate, between 2030 and 2050, the average temperature on Earth will rise by about 1.5oC to 10oC.

• If the temperature should rise 4oC, these scientists forecast massive changes in weather and ocean currents.

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Essay 28.5 The greenhouse effect

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Essay 28.5 The greenhouse effect

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全球溫化，冷熱不穩定的狀態• 溫室效應 (greenhouse effect)

• 假若全球的平均溫度上升攝氏 1 至 4度，極地的冰山溶解量，就足可以淹沒全球許多濱海的城市。同時因為改變降雨的分布，而使農作物生產大減。

• 但是全球還有另一個自然的力量運作。按最近地質年代的資料，我們正面臨另一個冰河時期的到來。再加上火山爆發的或是空氣污染物等，有可能減低太陽的輻射量，下降地表的平均溫度。

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其它的大氣氣體• 除了二氧化碳外，大氣裡還有兩種較少量的含碳

氣體：一氧化碳 (CO) 和甲烷 (CH4)。• 一氧化碳濃度約 0.1ppm ，存留時間 (residence

times) 約為 0.1 年。• 汽車流量大的地區， CO濃度可高達 100ppm 以上。• 一天一包吸煙者，所吸收的 CO濃度約為 400ppm。

• 甲烷的濃度約為 1.6ppm ，存留時間約 3.6 年。• 甲烷主要是由溼地、農耕和白蟻所產生的。• 甲烷對大氣的臭氧層有穩定的功能，但過多會有溫室效應。

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肇致全球溫化的氣體表 1. 溫室化氣體：來源與其對全球溫化的相對貢獻量。

註：貢獻的百分率是估計值，且具有相當大的「不確定性」。資料摘取自McKinney and Schoch (1996), p.505, Table18-1。

氣體種類 主要來源 貢獻百分率二氧化碳 化石燃料，森林砍伐 50%

Chlorofluorocarbons類 冷凍，溶劑，隔緣，泡膠，噴霧溶劑，以及各種工業與商業用途。

20%

Methane(甲醛) 稻田，沼澤，畜牧，白蟻，化石燃料，燃燒木頭，等等。

16%

平流層臭氧 化石燃料。 8%

Nitrogen oxides 化石燃料，肥料，燃燒木頭，等等。 6%

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貧營養土壤的營養循環• 有關熱帶的神話之一：那裡的土壤肥沃，只要我門砍除森林改種農作物，便足可養活全世界的人口。

• 然而事實上，熱帶地區，如亞馬遜河的熱帶雨林，其土壤是相當的貧瘠，比溫帶地區的草原土壤還要貧瘠。

• 亞馬遜河的茂密森林是靠生物再循環的系統，將存在於土壤中的大部分養分，鎖入生物世界中。

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Fig. 28.4 Much of the Earth's rainforests are destroyed each year for farming and ranching.

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Fig. 28.5 The soil in tropical rainforest is notoriously poor. Local farmers will plant a few crops here, then move on.

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熱帶雨林的循環機制

• 1. Root mats ，廣布於各個角落的根系。• 2. Mycorrhiza fungi (真菌的菌根 ) ，分解有機物，以及和根系共生吸收營養物質。

• 3. 常綠樹葉 (evergreen leaves)。• 4. 藻類 (algae) 和 地衣 (lichens)。

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再循環的途徑：紙類的再循環

• 地球上的生命得以生生不息，延續數千萬年，這是因為所有維生物質是一再循環使用。若不是如此，維生物質終會耗盡，生命即無法延續。

• 再循環是必要耗用能量。• 自然的再循環，耗用大量太陽能和有機能，

但卻是免費的。

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圖 9. 五個主要的再循環途徑。

(1) 分解作用

(2) 動物排泄

(3)微生物共生

(4) 太陽能驅動

(5)化石燃料驅動

2001自然的經濟 64圖 10 無再循環和有再循環的城市經濟。

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城市的生活

(A) 無「循環回收」(recycling)

自然資源

生產体系

掩埋或是焚化 ＄

產生大量垃圾，

處理費相當高。

消耗大量自然資源

(A) 無「循環回收」的社會，大量耗用自然資源，產生大量垃圾，再花費大量金錢處置垃圾。

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城市的生活

(B) 有「循環回收」(recycling)

自然資源

生產体系

掩埋或是焚化 ＄

＄

＄

減少垃圾量，節省處理費 減少消耗

自然資源

(B) 有「循環回收」的社會，因回收再利用，可減少自然資源的耗用，並可減少垃圾量，節省處理費，且可有利潤。

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• 無「循環回收」的社會，其是「不經濟」的；或是說，其經濟是難持久的。

• 有「循環回收」的社會，不僅是合乎「生態環保」的原則，亦是「經濟」的。

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Limiting factor concepts

• Liebig’s law of the minimum ( 最低限定律 )

生態主張（三）永續的原則• 重點 28 ：按生態學的最低限定率 (Law of

minimum) ，一生命的成長受其環境因子中最低限者 ( 供給最差 ) 所限制。生態環境品質的維持，亦受到此社會最差的因素所限制。生態環境的保育和未來發展機會的保育，其必要的條件之一就是在目前社會中最窮族群的生活改善。

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Factor compensation ( 補償 )

• 生態型 (ecotypes) ：生物體對特殊的地區產生特殊的適應，這就是這種生物的一種生態型。

• 圖 11a. Aurelia auris 水母的不同兩個族群之適應溫度範圍。

• 圖 11b. 高海拔和低海拔的 yarrow植物的種子栽種於同一地區的生長高度。

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圖 11a. Aurelia

auris 水母

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圖 11b. 高海拔和低海拔的 yarrow植物的種子栽種於同一地區的生長高度。

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Acclimatization

圖 6-18. Swimming speed of goldfish as a function of temperature. Fish acclimated at 25oC display higher swimming speeds than those acclimated at 5oC。

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acclimation vs. acclimatization

環境壓力

反應強度

acclimationacclimatization

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生態指標 (ecological indicators)

• 許多物種的可容忍的範圍很狹窄，因此對環境的改變很敏感，這類的物種就可作為環境改變的生態指標。

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Water abundance and salinity

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地形的影響

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生物時鐘 (biological clocks)

• Circadian rhythm ( 約日韻律 )

• Photoperiod ( 光照週期 )

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白尾鹿的生殖週期

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白尾鹿全年的賀爾蒙分泌情況。

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Plant adaptations to light stimuli

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The influence of photoperiod on flowering in short-day and long-day plants

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Fire as an ecological factor

• 火是環境的主要因素之一，在塑造全球大部分陸域環境的植生歷史上，火幾乎如同氣候一樣的重要。

• 在美國，特別是南部與西部的地區，很難找到一塊大片森林或草原於過去 50 年至 100 年間不曾發生過大火。

• 在季節性或間歇性火災頻繁的地區，火適應的植生就可以蓬勃發展，且其發展依賴火的因素。 ( 圖 12)

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圖 12. 美國西南部的 禾草和 mesquite shrubs。(A) 於沒有火的情況下， mesquite shrubs排擠禾草的生存。

(B) 於林火過後，禾草恢復快速。

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範例：大平原上的火因草原

• 持續多年的潮濕夏季，這個地區的草種因而生長茂盛，讓更多的物種可以共存，包括一些稀有的。同時也讓自然起火的火力更加旺盛。

• 旺盛的火可以燒死野漆樹的種子，這些灌木樹種正準備入侵草原，終究會使草原演變為樹林。

• 隨著下雨的來臨，草原之火自然熄滅。• 老鼠類因火災而逃離，所以在火災過後，沒有鼠

類來耗用新成長的草類，直到鼠類重新再回來。• 當火災過後，鳥類聚集來覓食螞蟻和小昆蟲，因

為他們沒有茂密的草可以隱蔽。

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a web of interactions

• 熄滅大火的大雨，將草灰中的磷質沖刷回土壤中。重回土壤的礦物質，又可供應新生草類之成長。

• 經過幾個星期，焦黑的大地又重新鋪上新生的鮮綠色草坪。 (Fig. 1.1)

• 草類再度成長，野花再度開放。• 以上的景象，描述著 a web of

interactions。

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http://www.brookscole.com/biology/member/student/index.html

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火燒議題： Cheatgrass 的入侵• Cheatgrass 的出現橫跨 Nevada和 Great Basin 的草原牧場，已經成為一個大型的火災爆發區。

• 於 1999 年的夏季， Great Basin 經歷過其最大的野火事件，僅在 Nevada 就有超過 160萬英畝的牧草地被火焚毀。

• 這些野火的規模和程度，主要都是來自 Cheatgrass的影響，它是一種野火的理想燃料。它快速成長，擴散和死亡，形成大量的燃料。一個小小的火星就可以讓數千英畝的草原焚毀。

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Cheatgrass 的入侵與擴散• 過去百年， Cheatgrass 從亞洲入侵 Great Basin ，沿著鐵路和相連的原生草地逐漸地擴散。

• 於四十年前， Cheatgrass於 Nevada 的灌木叢林只佔 1% 。於 1990 年代中期，就上升到 25% 。

• 它快速的成長週期減低草地的品質，從種子萌發至其死亡，只有 6 週，然後它就成為燃料，易燃的材料。

• 如此的結果， Great Basin 的自然火因週期從原本的每 60 年至 100 年縮短為每 10 年。

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復原計畫• 去年的夏季大火，引發出這個問題的嚴重性。• 土地管理局計畫對超過 500,000公畝的草地施放原生植物的種子，經費是每公畝 80美元 (這比滅火的經費還便宜 ) ，以及清除野草的十年計畫。

• 重新施放種子和清除野草，以及避免過度牧養和控制 cheatgrass 的擴散，將可以使牧草原資源再度恢復昔日的生機。

• 摘取自： EcoUpdates for January, 2000, reported by Andrew Tolley

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Box Smokey Bear is (partly) right

• 我們必要區分兩類火：火因生態群落的火，通常是輕微的且是地表層的火，以及猛烈的，具有破壞性的樹冠大火 (crown forest fire)。

• 我們要了解防止森林大火的必要性。因此才會製作 Smokey bear 的防火海報。

• 但我們也需要了解因閃電引起的，是自然環境的一部份，以及專業人員運用火進行植生情況的改善，這些是對大眾有利的。

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土壤資源• 空氣、水和土壤，是支撐生物的三大媒介。• 土壤是地殼經過物理風化和生物活動的產物。• 土壤是維生體系的主要運作中心，因此土壤可成為整體環境品質的最佳指標。

• 土壤剖面 (soil profile)： ( 圖 13)• A 層 ( 表土層 ) ：細微的有機物質和土、沙及礦物質混合構成。

• B 層：由礦物質土構成，有機物已被礦化，並與碎解的母質混合。

• C 層：較未被風化過的岩石母質。

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圖 13. 土壤剖面。顏色較深的 (1-6)是 A 層 ( 表土層 ) ，其下顏色較淺的部分是 B 層，是淋溶下來的物質聚積的地方。

有三分之一的表土曾被侵蝕了。↓

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土壤的生成

• 土壤從母質暴露出來開始至發展到如同圖 13 的土壤，所需要的時間，少則 100 年，多則要 2,000 年，是氣候、植生和其他條件而定。

• 土壤的主要類型： ( 表 1)

• 全球有四分之三的土壤必須要藉大量肥料和水來改善農業生產。

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人為因素，造成土壤流失• 1930 年代，美國政府成立土壤保持署 (Soil

conservation service) ，用以面對當時證損毀數千英畝農耕地和森林地的土壤侵蝕現象。

• 政府提供經費，大學貢獻研究，再加上與地主的合作，扭轉了土壤流失的趨勢。而且土壤保持的倫理 (soil conservation ethic) 也大致上為農民與地主所接受。

• 或許部分是因為它的成功，它變得愈來愈官僚化，並將其業務擴及其他領域，如為溪流改道，建立水壩。 ( 圖 14)

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圖 14. 被棄置的水庫。由於泥沙淤積，而廢棄。

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圖 13 (B) 興建一作辦公大樓，所造成的土壤侵蝕 ( 流失 ) 。

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問題的惡質化• 惡質化的主要原因有兩個：

• 1. 農業工業化，大量經濟作物，犧牲土壤肥沃力和長期生產力的保持。

• 2. 城市的擴展。• 對良好的深厚的土壤，可容忍的土壤流失量為每英畝 5噸，較貧瘠的土壤則為 2噸。• 據官方調查，全美國所有的農地有四分之一的面積其流失率大於可容忍率。

• 假若每英畝喪失 10噸的土壤，就等於每 17 年喪失 1英吋的表土層，遠大於土壤形成的速度。

• 專家估計，每喪失 1 英吋的表土層，農作物產量減少 10% 以上。

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Box全球土地衰敗化的現象

• 1992 年全球土地衰敗化的現象 (land degradation) ，已受損的植被面積估計，• 全世界 17% ，• 歐洲 23% ，• 亞洲 20% ，• 南美 14% ，• 北美 5% 。

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可持續的農耕作業• 新農耕方法是增強土壤，而非耗盡土壤的方法。• 保育犁耕 (conservation tillage) ，或稱殘餘物經營

(residual management) ，即是隨時以一層植物殘餘物覆蓋在土壤上，並減少犁耕的程度，甚至是完全取消犁耕，即無犁耕 (no-till)。

• 這種方法的範例，如圖 15 。• 保育犁耕法，不僅可以保護水土，更能改善土壤品質。

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圖 15. 愛荷華州保育犁耕的範例。未經犁耕，在去年玉米作物的殘餘所構成的覆蓋面上種植黃豆。

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犁田人的愚行

• Edward H. Faulkner (1943) 根據其無犁耕農作試驗寫成的報告 Plowman’s folly (犁田人的愚行 ) ，他就指出犁耕是沒有科學道理的愚行。

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開礦的水土流失• 採礦作業從地球挖出來的物質，比所有的

自然侵蝕所造成的物質損失量還要多。• 採礦的傷害在發展中的國家特別嚴重，世界礦物生產大部分也是來自這些國家，但他們卻只用相當少的一部份。

• 已發展的國家是很繁榮，但窮國家不僅沒有充分享受到經濟報酬，甚至遭受不成比例的環境破壞。

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有毒廢棄物：工業社會的禍根

• 化學風暴 (chemstorm) ：每年於美國就製造了多達 1,000 種以上的新合成化合物質。於市場上的化學合成物質就將近有 5萬種。其中有近 3萬 5千種在美國使用的化學物質，被美國聯邦環保局列為對人類健康有害或是可能有害的物質。

• 超級基金 (super Fund)：

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圖 16. (A) 露天垃圾傾倒場。

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圖 16. (B) 有毒廢棄物傾倒場。

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Weldon Spring 案例• 於 1940 年，二次世界大戰期間，美國國防部於

「密蘇里」 (Missouri)州近「聖路易斯」 (St. Louis) 的「 Weldon Spring 」地區，取得 70 平方公里的農地。

• 美國軍方將其開闢為全世界最大的 TNT炸藥的生產工廠。

• 於這些工廠，每日將甲苯加上硝酸，生產出的炸藥產量最高達每日百萬噸。

• 生產過程包含純化 TNT ，清除甲苯加硝酸反應後的「硝化苯類」雜質。

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SuperFund 的對象• 多年下來，如此產生數百萬加倫的這些紅色垃圾 (廢淤泥 ) 。

• 這些垃圾部份進入廢水處理廠處理，更多部份從處理廠滲出進入溝渠和山谷，且沉入地下水層。

• 於 1945 年，當美軍離開該地區，軍人焚燒受污染的建築物，但留下染紅的土壤。

• 經過數十年後，現在這個地區仍是個廢墟。• 於 1980 年，美國「環保署」起動「超級基金」

(Superfund) 計劃，「 Weldon Spring 」就列於此項計劃最高優先處理地區的名單中。

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污染超過原本的預期• 軍方工程人員負責此項清理工作。• 他們原本認為這些受到「硝化苯類」污染的土壤

和植物應該都在這個廢墟區域內。• 然而，當他們檢測地下水質後，令人訝異的，於遠離此污染區的村落，發現在人們飲用的井水都遭受污染。

• 地質學者探測到在此 TNT 工廠的地下水層有許多污染柱狀沉積，這些污染物於過去的 35 年間已經透過在石灰石的岩縫，擴散到其它地區的地下水岩層。

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Weldon Spring 並非是特例• 這個「 Weldon Spring 」的故事聽起來似乎是笨拙的清理計畫，又碰到特別易受害的地質結構。

• 但事實上，這方面完全沒有例外。• 美國各地，以及歐洲、亞洲和拉丁美洲，人類活動產

生的大量化學物質和污染物都會滲入地下水層。• 這當然不是新鮮事，大地下層早就持續承受人類所拋棄的各種東西，我們噴灑的農藥、除草劑，或是我們死後的屍体。

• 然而我們目前產出的廢棄物量實在非常的大量，再加上有害化學物質的混合，這已經產生難以想像的嚴重問題。

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圖 1. 地下水層污染的熱點 (Hotspots) 。這是根據在學術文獻的資料。因為全球大部分地區仍然沒有完全的監測，目前這個圖表現的只是真實現況的部分情形。

砷

農藥 溶劑

石油化學

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Box 環境荷爾蒙：影響內分泌的化學物質

• 被排入環境的人造化學物質，有許多是含碳的，類似荷爾蒙，其對動物的內分泌造成破壞性的影響。

• 其中有些還會累積，如 organohalogens(殺蟲劑 ) 和許多工業塑料和其他產品 (HCBs, RCBs, 戴奧辛和酚類 ) ，以及一些金屬 (鎘、鉛和汞 ) 。

• 人類的精虫數目的下降，以及一些癌症的增加，都可能與這些污染相關。

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減少污染源，成本內化

• 1. 淨化被污染的傾倒場。• 2. 發展減少廢棄物和去毒的科技。• 3. 找尋有毒化學物質的替代品。• 4. 最重要的是，廢棄物的成本必要內化，即成為生產總成本的一部份。

• 5. 相關政治經濟的法規和制度之建立。

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Box 綠色淨化

• 有些植物具有高量聚積的能力，可以生活於毒性污染的地區。

• 近年來，人們有興趣於培育這類的植物，運用於清理受到金屬和其他有毒物質污染的土壤。

• 這個領域稱為： phytoremediation (植物療法 ) 或是 bioremediation ( 生物療法 ) ，俗稱綠色淨化 (green clean)。

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津貼 - 壓迫 的模型

• 文明活動對自然環境可有正反兩面的衝擊。• 人類文明活動有可能豐富，也可能損毀自然環境。這往往與規模大小有關。

• 例如：良善的農業及林業經營可改善我們的地景，但大規模的使用肥料和殺蟲劑，這可能會造成過猶不及的傷害。

• 參閱 圖 17 。

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圖 17. 受到兩種輸入干擾的生態體系之假設性功

能表現曲線。

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建議閱讀的書單

• Abrahamson, W. G. (1984) Fire: Smokey bear is wrong. BioScience 34:179-180.

• Brown, K. S. (1995) The green clean. BioScience 45:579-582.

• Chaboussou, F. (1986) How pesticides increase pests. Ecologist 16(1):29-35.

• Cooper, C. F. (1961) The ecology of fire. Sci. Am. 204(4):150-160.

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