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崩塌作用會如何影響氣候?在太魯閣舉行的龐大實驗

Lea Tang
・2019/12/18 ・2147字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

崩塌,對在台灣生長的我們來說並不陌生。為了更加了解崩塌作用對人類甚至於大氣的影響,一場在太魯閣國家公園的實驗即將展開——

最理想的實驗室

崩塌(landslide),指的是在重力影響下,塊體沿著坡度產生大範圍移動的一種地質現象。通常只要符合三項基本要素:地勢陡峭地震,崩塌就會被觸發。台灣位於西太平洋火山地震帶,除了地震多、颱風(短時間內強降水事件)也多,這類頻繁的極端事件使得台灣成為世界上最容易發生崩塌現象的國家之一。

地震讓土塊因震動變得鬆散,大雨則減少土壤顆粒中的摩擦力。圖/pixabay

太魯閣國家公園(Taroko National Park)就是一個最典型的例子。其陡峭的大理石峽谷,成了科學家眼中最理想的實驗室。

崩塌會釋放二氧化碳?

過去三年中,德國地貌學家霍維斯(Niels Hovius)與同事們在太魯閣國家公園到處安裝儀器,意圖打造台灣最全面的景觀動態觀測站。這個實驗有兩大目標:監視崩塌並了解其觸發因素,以及探討另一個肉眼看不見的影響——

崩塌作用會消耗大氣中的二氧化碳?還是釋放更多二氧化碳到大氣中?

大多數儀器將作為崩塌檢測器,地震儀紀錄館時造成的震動;相機用來記錄新鮮的崩塌沉積物及裂痕。圖/sciencemag.org

當崩塌發生,其催生的化學風化可能會釋放二氧化碳,或消耗掉大氣中的二氧化碳。藉由分析崩塌現象是一種碳匯(carbon sink)、亦或是碳源(carbon source),能幫助研究人員將碳循環(carbon cycle)——這個掌控地球氣候及宜居性的關鍵因素——模擬得更加完善。

在說明原理前,我們需要稍微了解碳源碳匯碳循環這幾個專有名詞所代表的意思。

什麼是碳源?碳匯?碳循環?

碳循環示意圖:以植被(vegetation)為例,藍色小箭頭和數字代表碳藉由植物的光合作用被儲存到植物體(121.3)、再由呼吸作用(60)、腐敗分解返回大氣(1.6)。圖/wikimedia

碳源(carbon source)指的是碳的排放源,包含燃燒石化燃料、森林火災和呼吸作用等,把原本被儲存起來的二氧化碳釋放到大氣中。碳匯(carbon sink),又稱吸納源、吸儲庫,是碳的儲存庫。例如海洋、土壤及植物的光合作用,能從大氣中吸收並儲存二氧化碳。

通常兩者間會形成動態平衡。這種碳元素在地球上大氣、生物圈、岩石圈、土壤圈及水圈彼此交換流動的循環方式,就稱之為碳循環。

崩塌對大氣的無形影響

雖然自工業革命後,人為產生的二氧化碳已經成為碳循環中的主導力量,但化學風化——以本文來說是水與被侵蝕裸露岩石間的交互作用——是自然界中另一個強大的參與者。

而崩塌作用,是催化劑。

崩塌可以產生更多岩石的裸露面,增加表面積來參與風化作用。圖/wikipedia

它可以讓岩石產生更多新裸露面,增加參與化學風化的接觸面;或是留下刻痕,方便雨水向下侵蝕。

要判斷受崩塌所驅動的化學風化作用是釋放還是吸收二氧化碳,取決於岩石的組成成份和酸。大氣中的二氧化碳溶於雨水生成碳酸,這種弱酸能與矽酸鹽組成的岩石(如砂岩、花崗岩等)反應產生碳酸氫根離子。碳酸氫根離子經由雨水沖刷入海後,被生物利用形成碳酸鈣殼體。當生物死去,遺骸最終可在海床上堆積長達數百萬年。

這便是碳匯(carbon sink)。

若碳酸雨水落在石灰石或其他碳酸鹽岩石地區,只要附近有黃鐵礦之類的硫化礦物,就會有相反的結果。硫化物先是和氧氣反應生成硫酸,溶解碳酸鹽岩石後釋放二氧化碳,

變成碳源(carbon source)。

不同環境,不同的化學風化

根據前文,不同環境下會有化學風化上的差異,那麼已知 1/4 是碳酸鹽岩的太魯閣國家公園究竟是吸收還是釋放碳啊?

要判斷是由哪種風化作用主導,就得靠分析河水和崩塌滲液中的離子。

美國學者羅伯特‧艾默生(Robert Emberson)主張,太魯閣是二氧化碳的碳源(carbon source),因為碳酸鹽岩和硫化礦物的反應比矽酸鹽和碳酸的反應快了數千倍。中研院同位素地球化學家黃國芳卻認為:過去幾世紀的時光,已經幾乎讓硫化礦物與碳酸鹽消耗殆盡,未來可能反而是矽酸鹽的風化佔上風。

欲知後事如何,請待下回分解

倒塌的樹幹也有極重要的地位。圖/pxfuel

另外在崩塌作用下被移動的樹幹、植被等,也開始它們由河流邁向海洋的旅程。由於植物本身就儲存了碳,若這些有機物質在腐爛前被快速掩埋,可以防止分解時再度把二氧化碳釋回大氣。

對此,科學家們決定在太魯閣和其它有相似岩石組成的地方測量崩塌的淨風化作用,了解風化作用隨著時間推移會有什麼改變;他們也監控被沖到下游的樹幹來紀錄它們的狀態。

落落長說了一大段,結論其實很短。

Q. 太魯閣的崩塌作用到底是排碳多?還是吸碳多?

A. 一切還有待確定。

因為除了岩石的組成外,時間、附近的有機物質等都是影響最終判斷該地區是吸碳還是釋碳的關鍵因素。所以欲知後事如何,還請客倌們耐住性子、靜心等候了。

參考資料:

  1. A massive experiment in Taiwan aims to reveal landslides’ surprising effect on the climate

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Lea Tang
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徜徉在極北之海的浪漫主義者。 喜歡鯨豚、地科、文學和貓。


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如何幫畜牧業減排溫室氣體?——教會小奶牛上廁所,可有效降低「一氧化二氮」排放!

阿咏_96
・2021/10/17 ・2612字 ・閱讀時間約 5 分鐘

近年來,大眾對於「氣候變遷」這個詞越來越不陌生,國際間也會簽訂不同協議與政策,來減緩溫室氣體的排放,講到這邊,我們通常會想到化石燃料的使用,但較少被人們注意到的是,畜牧業也是排放甲烷、二氧化碳、一氧化二氮等溫室氣體的大宗,甚至會造成水污染及空氣污染。

最近由心理學家團隊發表的研究,提出一種可能的解決方案,以減少畜牧業對環境的影響,也就是——「教小奶牛上廁所」!

看到這邊一定頭上冒出好幾個問號,為什麼畜牧業會對氣候變遷造成影響?是哪方面的影響?為什麼教奶牛尿尿可能可以減緩對環境的衝擊呢?要怎麼教?

圖/Pixabay

畜牧業和氣候變遷到底有什麼關係?

首先,根據聯合國糧食與農業組織 (FAO) 的報告,全球畜牧業每年約排放 7.1 兆噸的二氧化碳,大約是人為排放溫室氣體的 14.5%,其中,牛是排放量最大的物種,佔畜牧業排放量的 65 %,而大約來自於腸道發酵、糞便儲存與加工、飼料生產過程、其他能源使用等活動,FAO 也提出了目前評估可實行的減緩方案,其中一項便是提高奶牛的飼料開發以及飼養技術,來減少消化過程中和分解糞便時產生的甲烷 (CH4) 與一氧化二氮 (N2O) 。

而這篇研究的主角之一就是一氧化二氮 (N2O) ,雖然它只佔全球溫室氣體總排放量的 5% ,但它把熱留在地球的能力卻將近是二氧化碳的 300 倍!除此之外,每次排放的一氧化二氮 (N2O) 都會停留在大氣中超過一世紀,可以說是一種「長壽」的溫室氣體。從 1990 年起,紐西蘭的一氧化二氮排放量增加了五成,主要是來自乳製品業擴展以及氮肥使用,因此紐西蘭政府制定了一個目標,要在 2050 年之前將一氧化二氮的排放減少到淨零。

但這和牛有什麼關係呢?

紐西蘭的一氧化二氮排放量增加與乳製品業擴展有關。 圖/Pixabay

從「牛尿尿」開始的氮旅程

原因是牛尿液中氮含量很高,而動物尿液中的氮來源主要是尿素  (CH₄N₂O),在紐西蘭和澳洲,通常將牛飼養在戶外,牠們排尿之後,就開始一趟名為「氮循環」的旅程,首先尿素會迅速在土壤裡被水解成銨鹽 (NH4+) ,再經過微生物「亞硝化菌」氧化成亞硝酸根 (No2),接著,另外一群微生物「硝化菌」,將亞硝酸鹽 (No2) 再氧化成硝酸根 (NO3),以上的過程稱為「硝化作用 (Nitrification) 」。

當然,旅程還沒有結束,另一群稱作「脱硝菌」或「脫氮菌」的微生物會將硝酸鹽還原成氮氣 (N2),叫做「去硝化作用」或「脫氮作用」,而一氧化二氮 (N2O) 是反應的中間產物,會直接被釋放到大氣中。

難道把牛飼養在牛舍裡就沒有問題了嗎?

代誌不是憨人想得這麼簡單!當牛尿液中的氮和地板上的糞便混在一起時,會產生另一種空氣污染物——氨 (NH4)。

File:Nitrogen Cycle 2.svg
生態環境中的氮循環系統。細菌在其中扮演了關鍵角色,將氮源轉換為各種化合物,能夠被生物利用。圖/WIKIPEDIA

所以,如果牛的尿液可以被收集處理,裡面所含的氮就可以被轉換,減緩對環境的衝擊,但是要怎麼收集牛的尿液呢?

最直接的方式就是,教小牛到「廁所」裡尿尿。

要怎麼教會小牛尿尿?獎勵和拆解步驟是關鍵

研究團隊利用行為心理學的原理,訓練小牛到特定的地方排尿,這個原理便稱為「操作制約 (Operant Conditioning)」,由美國哈佛大學心理學教授史金納 (B.F. Skinner) 於 1938 年提出,當時有個著名的動物實驗稱為「史金納箱 (Skinner Box)」,將飢餓的小白鼠放在箱子裡,內有電動裝置紀錄動物的正確反應次數和頻率,因飢餓不安而活動的小白鼠,偶然壓到槓桿就會得到少量食物,當以後小白鼠看到槓桿,再去壓桿的頻率就會比以前高。對小白鼠來說,因反應而出現的食物是「強化物」,對壓桿這個「操作性反應」產生了強化作用。

除此之外,他們還運用訓練小孩上廁所,一種叫做「反向鏈接技術 (Backward Chaining Technique) 」的方式,將目標拆解成小步驟,從最後一步開始訓練到第一步。

首先,小牛被限制在圍欄設置成的廁所區域裡,當小牛排尿後再給予牠們喜歡的食物進行強化。然後,把小牛帶到圍欄外的一條走廊上,並再次強化進去廁所裡尿尿的行為,如果小牛在走廊上就排尿,便會用讓牠稍微不開心的噴水阻止牠。

經過幾次強化訓練,他們訓練的八頭小牛中,有七隻學會了在廁所尿尿,而且學習的速度和人類小孩差不多快!牠們大約只受了 15 天的訓練,大部分的小牛在 20 至 25 次排尿後學會了整套,比三到四歲的人類小孩還快。

小奶牛在廁所尿尿的影片。資料來源/參考資料 1

由此,研究團隊得到了兩個結論,第一是牛能夠學會注意自己的排尿反射,在準備尿尿時會移動到廁所裡;第二,在可以得到獎勵的情況下,牠們學會先憋尿,除非到了正確的地方。

牛牛學會了,然後呢?

在知道可以訓練牛牛到廁所排尿後,下一步要怎麼做才能夠離減排溫室氣體的目標越來越近呢?

作者認為希望未來可以優化廁所裝置,自動檢測排尿以及給予獎勵,就像是放大版的史金納箱一樣。除技術層面外,像是紐西蘭、澳洲等地的畜牧業,大多將牛飼養在開放的圍場,應該要把廁所設在哪裡,或者牛願意走多遠過來上廁所,都是需要進一步了解的問題,也才能夠將這項技術真正運用在不同國家的畜牧業,實際做到減緩畜牧業對氣候變遷的影響。

參考資料

  1. Dirksen, N., Langbein, J., Schrader, L., Puppe, B., Elliffe, D., Siebert, K., … & Matthews, L. (2021). Learned control of urinary reflexes in cattle to help reduce greenhouse gas emissions. Current Biology, 31(17), R1033-R1034.
  2. Gerber, P. J., Steinfeld, H., Henderson, B., Mottet, A., Opio, C., Dijkman, J., … & Tempio, G. (2013). Tackling climate change through livestock: a global assessment of emissions and mitigation opportunities. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO).
  3. 張春興(民80)。教育心理學:三化取向的理論與實踐。台灣東華書局。
  4. Backward Chaining Technique
  5. 全國法規資料庫:空氣污染防治法施行細則
  6. The science of nitrous oxide

阿咏_96
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