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若大禹再世(五):大地之腎 濕地也能減洪喔!

李柏昱
・2014/12/20 ・2918字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 529 ・七年級

本文由科技部補助,泛科學獨立製作

濕地除淨化水質外,更能有效發揮減洪的功能,圖為新海人工濕地。(圖片來源:Wikimedia Commons 作者:Lenovo-lin)
濕地除淨化水質外,更能有效發揮減洪的功能,圖為新海人工濕地。(圖片來源:Wikimedia Commons 作者:Lenovo-lin)

 

李柏昱 | 國立臺灣大學 地理環境資源學系

濕地作為水陸交界帶,能緩解雙方對彼此造成的衝擊,一方面淨化陸地汙染物,另一方面則減緩洪水與海浪對陸地的災害。目前臺灣對濕地的了解多側重於淨化能力,本專訪邀請長年投入濕地保育研究的國立臺灣師範大學方偉達教授,介紹濕地另一大被忽略的功能:「減洪防災」,並分享濕地的復育經驗,從終歸納展望未來臺灣社會如何與濕地共存共容。

大地之腎,淨化還能減洪

各國因各地國情不同,對濕地有不同的界定標準,依據1971年聯合國《拉姆薩濕地公約》中,各國共同對濕地作出比較明確的定義:「濕地是指沼澤(marsh)、泥沼地(fen)、泥煤地(peatland)或水域所構成之地區,無論是天然或人為、永久或暫時、靜止或流動的、淡水、鹹水或兩者混和,其水深在低潮位時不超過6公尺者。」目前臺灣一共有82處的國家重要濕地,保護著臺灣各地水與土的交界地帶。

過去,濕地由於其強大的淨水功能而被國人所熟知,並被賦予「大地之腎」的美稱。不過濕地還有另一項較少被提及與重視的功能:減洪(flood mitigation)。濕地由於是水與土之間的緩衝,對於臺灣的強降雨事件,造成河川水位亟漲,山洪暴發時,能發揮相當良好的滯洪功用,減少洪水的洪峰流量,讓水得以在此入注、下滲涵養地下水層,如果洪水水量超過濕地可容納量,濕地中的草叢、樹木,也能減緩水流,減弱洪水的破壞力。

在沿海地區,海岸濕地對陸地的保護效果也相當明顯。濕地如紅樹林在大浪來襲時,可以產生碎波效應,減少巨浪對陸地的沖蝕;此外,颱風來臨時也能預防海水倒灌,可以說是一道綠色長城,也不為過。世界上很多國家從過去人工大量營造防波堤、消波塊,改進為利用自然的紅樹林攔阻洪水,就是看上濕地對於減洪的卓越功能。

依據長期觀察之觀點而言,濕地做為自然且富有生命力的自然堤防,最大的優勢在於不會像人工堤防、水壩、抽水站等硬體工程,會隨歲月流逝而淤積、折損及毀壞,不需要投入大量人力與經費進行維護。復育濕地基本上是更聰明且永續的作法。目前臺灣各都市積極建設滯洪池,方教授認為也可改善其功能成為人工濕地,讓滯洪池吸水功能更佳,不僅僅是蓄水池,栽種植物之後,也能扮演都市中珍貴的綠色生態廊道的角色。

不過,方教授說「濕地固然可以起到相當程度的防洪作用,但是一定要搭配其他生態工程進行整體規劃及營造」,單靠濕地無法百分之百的杜絕洪水,但濕地如和其他的防洪設計能相輔相成,濕地數量越多,越能減少洪水的發生機率,例如桃園臺地有三千多個埤塘,就能有效分散颱風來襲造成洪水的風險。

濕地復育,必須因地制宜

濕地復育是長時間投入,且必須耐心耕耘的過程。第一階段必須恢復濕地的物理功能,例如在已荒漠化的土地上重新引進流水、進行土壤的改良;第二是引入生物的功能,包含植物的栽培,逐步由下而上建立生態金字塔,最終能吸引鳥類或其他較大型動物。方教授說:「復育是需要時間的仿自然推演,任何的復育工作都不能操之過急;以人為方式進行復育,絕不是立竿見影之事。」

儘管濕地有眾多優點,復育更需要較長時間和經費的付出,但是方偉達教授提醒,濕地的復育必須因地制宜,一旦在錯誤的地點進行復育,反而會弄巧成拙,濕地反而變成阻擋水流的障礙。例如關渡自然保留區的濕地本來的植物是蘆葦和茳茳鹹草,不會阻擋水流,但是過去當地地層下陷造成土壤鹽化,加上1964年,政府為了排洪的原因,炸掉了關渡獅子頭隘口,結果漲潮時的潮水帶來的海水倒灌的問題,水筆仔大量生長之後,阻擋水流反而不利於基隆河疏洪。此外,新竹的白地粉社區也有類似問題,在河道引進水筆仔之後,因為剛好是種在河口處,之後因為灌排不易的問題,反而開始發生淹水的問題。

另外相反的情況是,復育的濕地因為地點過於低漥,颱風來襲之後,栽種的植物幼苗被山洪沖刷殆盡,復育必須重頭開始。這些案例顯示,在人工濕地復育之前,當地的水質和水文(例如說,河川流速、颱風時的水位高度)都要調查清楚之後,才能動工。復育地區地勢太高,濕地植物會有缺水的現象;如果太低漥,颱風來臨之後,人工栽種的植物又會被沖走。如果地點選擇適當,濕地本身便具備自我復元的功能,莫拉克颱風高屏溪沿岸被沖走的濕地植物,現在又長回來了,新海人工濕地植物雖然被沖走,經過補植之後,現在也恢復了。

現代都市如何與濕地共存共榮?

隨著臺灣經濟快速發展,都市快速擴張,過去被認為會滋生蚊蠅、雜草叢生的濕地,由於沒有開發利用的價值,幾乎都被填平、排乾另作他用,例如過去桃園臺地有11.8%的面積是埤塘,但現在只剩下3.8%。如此一來,都市與水之間就失去了原本存在的緩衝地帶,洪水得以直逼人類為自我保護,所築起的堤防,這些高強度保護的城市,不淹則已,一旦潰堤,就是場大災難。

因此,在2014年6月通過的濕地法,引進國外共營共榮的概念,希望能促進臺灣濕地的復育。其中關鍵的「自主治理」理念來自美國印第安納大學諾貝爾經濟學獎得主歐斯壯(Elinor Ostrom)女士,她認為什麼都管的大政府,最後會變成什麼都管不好,不如由在地的社區民眾自己組織起來治理所身處的環境,能發揮比政府介入更強大的力量。因此,臺灣的濕地復育,必須先向下扎根,透過環境教育讓民眾知道濕地並不骯髒,健康的濕地有清淨流水、不會孳生蚊蟲。有關單位應讓民眾體認濕地的重要性與價值感,由下而上開始進行濕地保育工作。

方偉達教授感嘆,人的天性本身就喜歡玩水,但曾幾何時,人類不再親近水,反而開始害怕水,看到濕地就嫌它髒、想將它填平,並築起高牆(心牆),遠遠地離開河流。要避免現代人跟自然越來越疏離,我們更應該在都市中營造自然環境,暫且不管減洪淨化等遠大目標,從個人層次來說,當人們心情煩悶時,看到濕地平靜的池水,何嘗不是種心靈的療癒良方呢? (本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「專題報導」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

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李柏昱
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成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。


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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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