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與災共生(二):當坡地遇上開發

陳 慈忻
・2013/08/17 ・2557字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

坡地災害在地形年輕、地狹人稠的台灣是常見的災害,然而,2013年6月23日作家吳念真在自由時報指出台灣人對坡地開發風險有「假裝看不見」的問題。本專題採訪台科大營建工程系的李咸亨教授,從科學原理探討土石流的特性,說明坡地開發的限度為何,最後探討在台灣的情境下,法規管制的從無到有、四十多年來的鬆綁與緊縮,究竟我們想要的開發是什麼呢?

山坡因人為開發不再是原生植被,若要人能安全地與山地共處,需慎慮開發的「限制」。(圖片來源:Pixabay用戶SongChangHun)
山坡因人為開發不再是原生植被,若要人能安全地與山地共處,需慎慮開發的「限制」。(圖片來源:Pixabay用戶SongChangHun)

 

蚵仔麵線與蚵仔湯的差別

台灣2011年的塑化劑風暴樹立了近年來食品安全產生疑慮的里程碑,塑化劑這種不合法的成分因為穩定度高、成本低,可能被不肖業者用來取代「起雲劑」當中的棕櫚油成分。起雲劑之所以廣泛的使用在食品加工業,是因為它能夠使食品具有黏稠感,如果以土壤學的術語來比喻,就是「黏滯性(viscosity)」,許多人喜歡食物因起雲劑而黏稠、彈牙的效果,但是土石流的黏度是什麼造成的呢?土石流因為具有黏度的特性,又會和一般的流水具有什麼不同的效果呢?

李咸亨教授在2012年的研究《Phase concept for mudflow based on influence of viscosity》正是在討論黏滯性對土石流的影響。雨水本身並沒有明顯的黏度,但是當雨水下滲到土壤裡,溶解土壤中的黏土物質,便提供了黏滯性,具有黏滯性的雨水有什麼厲害之處?我們可以用蚵仔麵線湯來想像有無黏滯性的差異,一碗蚵仔湯的蚵仔會沉在清澈的湯碗底部,但是一碗濃稠的的蚵仔麵線湯,就能看到蚵仔懸浮在整碗麵線當中。一方面是因為勾芡增強了湯汁中分子間的吸引力,另一方面是湯汁的密度因為勾芡而增加了,而浮力大小是依據「物體沉入體積與溶液密度的乘積」決定,因此勾芡的湯頭能比清湯能產生的浮力更大。

回到土石流災害的問題,當累積降雨量夠多的時候,雨水能溶解大量土壤中的黏土物質,混和的泥水就像是濃湯的效果,黏滯性增強的同時向上作用力也增強,促成大石頭隨土石流而動,嚴重衝擊毀損沿途建築物,也壓縮沉溺其中的人之獲救時間,成為在台灣駭人聽聞的土石流。

尊重是有限度的使用:控制指標

許多人都感受到2013年6月發生頻繁的地震,6月2號甚至有民眾在溪面戲水時拍到上百公尺長的邊坡土石因為地震而大量鬆動、崩落,周圍的山澗煙霧瀰漫。年輕的台灣地形坡度較陡,又位於環太平洋地震帶,地震使得岩層之間產生縫隙,雨水更容易趁虛而入,增加土石流發生的機會,形成先天上容易發生坡地災害的台灣。

李咸亨教授指出,如果將台灣山坡地災害的成因分成4等分,大約有兩分是源於「自然活動」;1分是因為「開闢道路」,最後剩下的1分是「超限利用」,可見坡地災害並不全然是起於人為開發,但人為的不當使用確實是關鍵因素之一。

山坡原本是一個完整的斜面,開闢道路會將原本的山坡地層挖鑿一個接近直角的缺口,如果該處又是順向坡,道路上方的地層自然想要填補缺口而滑落,形成災害。開闢道路對坡地的影響是容易想像的,那麼超限利用又是什麼呢?以法規的定義來看,指的是「在適合林地或加強保育地之山坡地上,從事農、漁、牧業之墾殖、經營或使用。」但是如果從使用面積的層面切入,山坡表面植被如同人類皮膚,只要30%的皮膚燒傷到重傷程度就會有生命危險,亦即如果原生植被受開發超過30%的面積,5到10年之間就會發生崩塌等災害,何智武(1984)與陳信雄(1990)的研究也指出,山坡地開發度達到30%時,雨水對坡地的侵蝕量會比原始林增加3倍,洪峰會提早1個小時到達。

山區的居民也需要經濟活動來維持生計,如果人無法完全不進去、不使用山區,雖然居民從事高山蔬菜、梯田等農業活動,如果遵照「控制指標」去衡量開發程度的限制,也能夠維繫基本的安全,然而在台灣俗稱「山老鼠」的非法林業者,濫伐大片森林也是造成坡地超限利用的另一元凶。

台灣情境的開發管制

台灣在17到19世紀的清領時期,漢人冒著海上危險越過黑水溝來到台灣,「開墾」在當時是件難以想像有極限的事情,這是漢人的觀點;但是在郁永河《裨海紀遊》筆下的台灣原住民,卻是「一片平沙皆沃土,誰為長慮教耕桑?」這話其實說的很合理,對當時的原住民來說所有土地都是鹿場,何來荒地之有呢?當人們對「開發」存有不同的想像,抱持進一步的慾望,才會將自然的土地視為「荒地」。

17世紀的原住民或許還沒想到要進一步開墾,但是後來到台灣山區開墾的新移民,起初也想不到山區的開發可能造成的災害風險。台灣的坡地管制法規從1970年代以來,短短的40年間因為經濟發展與不同的歷史背景而經歷了幾番波折。

坡度的表示方法一般有「角度」和「百分比(%)」兩種表示法,前者即為數學的角度,一個直角可平分為90度;後者則是指「平均每水平前進單位距離,所上升的垂直距離」,因此在坡度為45度的地方,也可以將坡度表示為100%。坡度是坡地災害的重要指標之一,坡度越陡的山坡地因為重力在「水平於邊坡的分力」較大,能夠提供了較大的下滑力。因此在坡度陡峭的地區進行蓋房子等產業活動,更容易發生坡地災害,此時山坡地開發管制的相關法規便成為坡地防災調適策略的守門員。

台灣在1973年的建築法及1976年的山坡地保育利用條例正式進入法規管制山坡地開發的時代,此時的開發標準是不得於坡度大於30%的坡地配置建物。然而到了1980年代正值台灣經濟起飛時期,人口成長、經濟開發都相當快速,政府和人民都想要更寬鬆的開發限制,因此在1983年新立的山坡地開發建築管理辦法中將坡度開發標準放寬到55%,到了1997年5月才將標準調整為40%,但是同年8月的溫妮颱風造成台北汐止的林肯大郡事件,大量房屋損壞、28人死亡,讓人們更加注意到坡地開發的危險性,1998年再次緊縮法規限制為坡度30%,一直維持到今天。

台灣的防災相關的預算和法規,經常是在災害過後才有積極的作為,但是我們是否都要等到嚐到苦頭才記取教訓呢?每個時代的人,都因其時空下的社會脈絡而有不同的主流價值觀,因此不同時代、不同社會的人,對於「開發」的想像有所不同。而當代的人們,或者回到台灣,我們是受到那些時空背景影響,形塑我們對於開發的想像呢?儘管受到某些結構性因素影響,個人對於開發的想像依然有行動力,在台灣今天的民主社會,需要更多人實踐公民權利之外的公民義務,理性的討論、溝通,才能凝聚非流於意識形態的台灣共識。

延伸學習:

  • Lee, S.H.H. and Widjaja, B. (2012) Phase concept for mudflow based on influence of viscosity. Journal of Soils and Foundations, Vol.53, No.1,pp.

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就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

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