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小河川,大輸出:台灣山地集水區河川的碳輸出

小河川,大輸出:台灣山地集水區河川的碳輸出
Photo Credit: Max Pixel

我們想讓你知道的是

「碳循環」是指碳元素在大氣圈、水圈、岩石圈以及生物圈之間不斷交換的生物地球化學循環。那麼河川在整個碳循環中,扮演了什麼樣的腳色?小型的山地集水區又為何會引起國際科學家的關注?臺大地理系黃誌川老師的研究團隊對此進行了一系列長期的河川監測,以下是我們的重要發現。

文:李俐槿

工業革命以來,由於人類活動的影響,導致「自然」的碳循環系統遭到破壞,嚴重改變了地球碳循環的過程,也使得碳的相關議題日漸受到重視。碳是構成生命的重要元素,亦是所有有機物質的基本成分,而「碳循環」是指碳元素在大氣圈、水圈、岩石圈以及生物圈之間不斷交換的生物地球化學循環。那麼河川在整個碳循環中,扮演了什麼樣的腳色?小型的山地集水區又為何會引起國際科學家的關注?

首先,河川連接了陸域、海洋及大氣,三個地球表面上主要的碳儲庫,是碳循環中重要的連結者,調節了各碳庫的儲量。整體而言,全球河川每年約從陸地輸送0.9Pg的碳至海洋(編按:1Pg=1015公克),其中約有40%為有機碳(Organic Carbon,OC),60%為無機碳(Inorganic Carbon,IC)。

河川中的有機碳主要來自土壤(母岩風化和動植物的分解後的產物)、河川中的初級生產、水生動植物的分解、及地下水的輸出,與陸域生態系統的運作息息相關,同時,有機碳的輸出也影響著海洋內的生物地球化學循環。亞熱帶山地集水區,由於初級生產力高,颱風和地震頻繁,加上具有山高坡陡、河川短急、侵蝕旺盛等特性,因而成為全球有機碳的輸出熱點。台灣的高山溪流就是這類型河川的典型代表,為了能進一步量化和瞭解河川有機碳輸送的過程,台大地理系黃誌川老師的研究團隊對此進行了一系列長期的河川監測,以下是我們的重要發現。

天然的碳封存技術──顆粒態有機碳

全球氣候變遷,目前已成為當代人類急需面對的重要環境議題,為避免溫室效應持續擴大,人們開始尋找各種方法來捕捉並封存大氣中過多的二氧化碳,然而,地球系統其實早已存在自我調控的機制來移除大氣中的二氧化碳,而河川正是其中的輸送者。試想如果我們能將陸域吸收的現生生物源有機碳,以顆粒態的方式經由河川運送至海洋,並順著垂直海流埋藏至海底,則能將之與大氣分離數百萬年之久,直到它再次以岩石的形式重新露出水面,達到「碳封存」的效果。

​根據我們的研究團隊與廈門大學、台灣師範大學於2015年合作的研究成果顯示,位於大洋洲及其附近的小河川,每年向海洋輸出高達37Tg的生物源有機碳(編按:1Tg=1012公克),約佔全球生物碳年輸出通量的20%左右,然而,這些小河川的集水面積卻僅佔地球陸域總面積的1.8%。

在這篇研究中,我們利用「木質素」(lignin)作為示蹤劑(編按:容易被探測的追蹤物),用以追蹤台灣高山小河在颱風期間輸送的生物源有機碳。木質素是一種有機化合物,源自陸地高等植物的維管素,主要分布在表層土壤中,可作為生物源有機質的指標。研究團隊於颱風期間採集河水中的懸浮顆粒,並測量其有機碳和木質素的含量,經分析得知,台灣河川懸浮顆粒中,木質素的濃度為世界其他河川的二至四倍。

接著,透過建立木質素含量與逕流量的關係,配合長期輸沙資料,我們估算出全台灣每年輸送至海洋的木質素通量約為1.5-99.7Gg(編按:1Gg=106公克),並進一步得知濁水溪在單一颱風事件的96小時內,竟可輸出高達2.2±0.5Gg的木質素,相當於密西西比河(面積為濁水溪的600倍)年通量的20%,且颱風期間的單位面積輸送量更是密西西比河的16,900倍之多。由此可知,颱風對於河川物質輸送有很大的貢獻,提高了海洋碳埋藏的效率,同時也揭示了高山小河川對於全球有機碳輸出的重要性。

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研究團隊於颱風期間採集河水中懸浮顆粒,並測量有機碳和木質素的含量,圖為顆粒態有機碳的採樣地點與颱風路徑。

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台灣河川懸浮顆粒中,木質素的濃度為世界其他河川的2~4倍。圖為總懸浮顆粒與木質素濃度的關係。

維持河川生態的運作──溶解性有機碳

相較於大量且快速入海的顆粒態有機碳,河川中的溶解性有機碳是維持河川生態運作的重要營養鹽,為河口、海岸及海洋提供陸源的有機質,不僅能吸收來自太陽有害的紫外光,保護水中生物,同時還是人們飲用水的重要水質指標。

​近期的研究指出,颱風不只會造成原水濁度飆升,還會提高水中溶解性有機碳與致癌物三鹵甲烷的總量,三鹵甲烷是淨水廠加氯消毒後,與有機碳反應所產生的副產物,具有致癌的風險。該研究也指出,當前全球自來水水源溶解性有機碳含量的上升,可能與極端氣候有關,由於降雨頻率及強度的上升,為河川帶來了大量溶解性有機碳的輸入。然而,截至目前為止,我們對於高山小河川溶解性有機碳的瞭解卻十分有限,包括濃度和輸出量的變化、有機物的來源、輸出行為及控制因素等等。

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溶解性有機碳單位面積輸出量和集水區環境因子的關係 (灰色圓點為世界主要大河,彩色圓點為台灣河川)。

根據我們最新的研究結果顯示,台灣河川的溶解性有機碳,具有低濃度、高輸出的特性,年平均濃度約為0.78mg L-1,只有世界平均值的1/7,但年平均單位面積產量卻可高達~22.51kg-C ha-1yr-1(編按:C是指碳,ha-1表示每公頃,yr-1表示每年),甚至高於世界平均值(14.4-19.3kg-C ha-1yr-1)。

和過去研究報導的大型河流相比,年逕流量、坡度和土壤有機碳仍是控制台灣溶解性有機碳輸出的主要因素,但其影響的強度與方式卻與世界其他大河截然不同(上圖)。我們認為土壤有機碳是河川有機物的重要來源,其含量主要受植群分布的影響,隨海拔呈垂直變化;而陡峭的地形,造成集水區普遍土壤淺薄且流速快,進而限制了溶解性有機物的產出,然而豐沛的降雨和持續不斷的物質供應,仍為台灣帶來相當可觀的輸出量。最後,我們提出了一個概念模型,用以描述山地小河川在颱風與非颱風期間,溶解性有機碳的來源與輸出(下圖)。

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高山小河川中溶解性有機碳,於颱風與非颱風期間輸出的示意圖(圖的上半部為溶解性有機碳濃度與河川流量的關係,紅色和藍色圓點,分別代表颱風與非颱風時期;圖的下半部為有機碳來源的概念模型,藍色與紅色圓點,分別代表河川內源與外部輸入的有機物質)。

未來展望