水生生態系殺手:全球「死區」的優養化與生態浩劫

水生生態系殺手:全球「死區」的優養化與生態浩劫
Photo Credit: Alejandro Díaz Public domain
我們想讓你知道的是

「死區」議題牽涉大規模的生物死亡及對於商業漁業的強大威脅,像是瑞典一處峽灣就曾因此造成許多底棲生物死亡,其物種豐度與數量減少至中間深度水層的三分之一不到。而死區更開始有全球擴散的現象。

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文:謝嘉(台灣大學地理環境資源研究所碩士)

「死區」(dead zone)如其名,是造成生物死亡的水域範圍,或許可以比擬為人類的煉獄,想像你走進一個氧氣量極低的空間裡頭,然後窒息而死。當水中的溶氧因為微生物耗氧分解而下降至低於每公升兩毫克(2mg/L)的低溶氧(hypoxia)狀態[1],對於水中生物而言就成為死區。

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Photo credit:Diaz and Rosenberg,2008
1910至2007年間死區之科學研究出版的案例累積數量。

在1910年代,有進行科學研究並發表文章的死區區域,全球只有四個,然而死區議題因牽涉到大規模的生物死亡及對於商業漁業的強大威脅,逐漸受到重視。1960年代後,隨著人口成長,越來越多集水區改為都市或農地,使得全球的死區數量開始呈現大量增加與擴張的趨勢,至2008年具有科學研究與記錄回報的死區已超過400個[2],大多為季節性,分布在已開發國家與部分開發中國家的沿海地區(請看下圖,北美、歐洲與中日韓沿海都是密集區),為陸域、水域生態與社會經濟帶來眾多的衝擊。

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Photo credit:NASA,2008
2008年全球死區分布。
死區的驅動因素:輸入來源以及傳輸途徑

驅動水體中耗氧分解的原因很多,耗氧分解本就是生態系代謝功能的一環,目前的說法為優養化是死區的「前奏」,海洋學者Nixon在1995年對優養化做了較廣泛的定義[3],優養化為一個生態系統中,有機物質提供速率有所增加的情況。依據其他環境科學家對於優養化所下的定義[4],更明確地將優養化情況指為因無機營養物質(例如硝酸鹽、磷酸鹽等)輸入至淡水水體中所造成的現象,而輸入可能來自自然作用或人為活動。至於優養化的發生乃至水中溶氧減少的因素和途徑為何呢?主要可分為以下兩種:

  1. 許多有機質輸入至水體,致使水體中微生物過度耗氧、分解利用有機質,而溶氧下降至低於每公升兩毫克(2mg / L)。
  2. 許多營養物質輸入至水體,使水中營養物質濃度上升到優養化的狀態,並且足以促使水中藻類大量繁殖形成藻華(algal bloom),而在下個階段,當水中藻類數量超過環境承載力所能支撐的量(例如光資源、營養元素不足),將會使大量藻體死亡並形成龐大的有機質來源,進一步促使微生物進行耗氧分解而讓溶氧下降至低於每公升兩毫克(2mg / L)。

前者比較偏向自然作用下輸入過多有機質所造成,而後者則主要源自於農業所使用的肥料、殺蟲劑,或是都市的生活廢水等人為排放含有氮、磷、鉀等元素的營養物質。

有機物質及營養物質藉由大氣、地表逕流以及地下水等三種途徑進行傳輸,並依據輸入源是否受到人類的明確監測與控制,區分為「點源」(point sources)與「非點源」(nonpoint sources)。「點源」包括都市內的大量生活廢水及工業廢水放流管、畜牧業之廢水、垃圾掩埋場的滲出液等;「非點源」則包含農業與畜牧業用地、都市生活廢水、土地利用轉換(例如伐木、濕地設置或移除)等。

水文作用的改變也會影響物質的傳輸,河川自上游到下游蓄積來自集水區的營養物質並輸入海洋。受到海水潮流的影響,這些營養物質會集中於沿岸,或受到地形影響海流,而使海水穩定並發生「層化」,使得海水無法交換混合而讓營養物質與有機質蓄積。也有可能是人為活動(例如汲水灌溉、建造水庫蓄水)改變河川。當集水區的人為活動改變水文,或是土地利用型態轉變時,將會改變營養物質與有機物質的傳輸型態,進而對於河段、河川與最終輸入的湖泊或是海洋中的營養物質及有機質的種類與濃度產生改變。

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eutrophication&hypoxia授權方式 CC BY 2.0
死區所帶來的問題

優養化是死區的前奏,而優養化的發生途徑與影響層面甚廣,會因集水區內的自然條件與人為活動而異。Smith等人整理出優養化對於陸域及不同水域生態系的影響,從中可得知,優養化對於不同水域環境的主要影響,在於改變浮游植物或維管束植物的生物量與物種組成結構,進而透過「食階瀑效應」(cascading effect),由下至上影響到魚類的組成結構,並可能對商業性漁業造成經濟的損失;而對於水體本身,則會降低水體透明度、產生異味並造成供水過濾的問題、提高水的酸鹼值、整體而言使得水體美觀程度下降[7]。

從優養化進一步轉變為低溶氧階段(小於2mg O2 / l),甚至是達到無氧階段(溶氧降低至0.2 ml/l)時,如果發生的面積廣大且頻度高,會使大量水生生物死亡,並改變水中生物的組成結構。在不同溶氧狀況下,底棲生物所提供的能量轉換至其他生物會有所不同。當優養化發生時,水中的生物量因優養化而有所增加,使得底棲生物量也跟著增加,進而提高從底棲生物轉換至水中食物網較高階掠食者的能量。但隨著優養化愈來愈嚴重,致使水中低溶氧事件發生的頻度與強度愈來愈高的情況下,底棲生物的能量轉換隨著本身以及高階掠食者的缺氧死亡而逐漸降低,最終可能成為主要以厭氧分解底部有機質,以取得養分的微生物為組成的簡單水生生態系。

低溶氧事件的發生並沒有延滯時間,當水中溶氧降低到生物無法生存且無法逃離時,即會從生態系組成結構的根本產生劇烈影響、甚至重組。經歷過大規模水生生物死亡的低溶氧事件之後,生物組成結構簡單的水生生態系對於其他潛在環境影響因子所具有之抵抗力與回復力,遠低於舊有的狀態,若低溶氧事件的發生強度與頻度持續不減,則水生生態系無法回復;而即使發生強度與頻度得以改善,仍須很長的時間才能回復到舊有的生物組成情況並重建生態系結構,其回復速度往往趕不上物種喪失的速度,並且可能發生延滯現象(hysteresis-like response)。

例如,瑞典一處峽灣(Gullmarsfjord)曾發生為期半年的低溶氧事件,造成許多底棲生物死亡,其物種豐度與數量減少至中間深度水層的三分之一不到,而後耗費將近兩年才得以回復至發生前的狀態[8]。若低溶氧事件發生的時間達五年以上,則受創的生態系要回復至原先狀態所需的時間可能更長,延滯現象也會更強,這表示死區的發生對於生態系的組成結構具有很深遠的影響性。

死區除了對於生態系的組成結構造成影響外,對於個體或族群層次也有影響力。低氧的環境會直接造成個體死亡率增加的情況,也可能使得個體因為想逃離底部低氧環境或是有害硫化氣體的威脅而靠近水面,提高了其被捕食的機會,也會導致抵抗力下降、受病原體危害的機會增加 [9]。

當受到死區影響的區域含有重要漁場(如波羅的海、墨西哥灣、東海等海域)、觀光漁業或是高經濟價值的養殖漁業時,死區的影響就會因為其重大的經濟影響力而受到極大的重視,例如藍蟹(blue crabs)的箱網養殖業在低溶氧事件發生時產生大規模死亡的現象[10]。

隨著死區的範圍與數量逐漸擴張,其所衍生的影響除了在淡水湖泊水體、沿海地區以外,其發生尺度也不再局限於單一國家邊界內,也可能會藉由影響漁業收穫量而逐漸形成跨國界的環境問題,這個國界怎麼跨?我用跨尺度的概念來做說明。

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Photo credit:改繪自 Heffernan et al.,2014
具階層性的空間尺度之組成以及組成之間的交互作用;死區議題中所牽涉的空間尺度對應至跨尺度理論。
不同空間尺度下的死區議題

「跨尺度互動理論」(cross-scale interaction theroy)將大致等同於大陸尺度的宏觀生態系(macrosystem)區分為地方尺度(local)、宏觀尺度(macroscale),以及全球尺度(global)等三個具階層性的空間尺度關係,再進一步分析不同空間尺度間的交互作用關係。

地方尺度可藉由下往上的作用過程影響宏觀尺度中的驅動力,反之從宏觀尺度也會有由上往下到地方尺度的另一種交互關係。當然,也有那種只在宏觀尺度中產生回饋機制的交互關係。而再往上擴大到不同宏觀尺度之間的交互關係,則屬於全球尺度[11]。以下透過幾個案例,以此概念剖析不同空間尺度下的死區議題。

密西西比河:地方尺度影響宏觀尺度

美國密西西比河的集水區範圍流經北美大平原,北美大平原是美國主要的農業生產帶,使用大量的肥料與農業,使得密西西比河的各河段蓄積與傳輸集水區內大片面積的含氮及含磷肥料,輸入墨西哥灣而引發了低溶氧區的發生。

​密西西比河的低溶氧區事件被發現的時間是在1970年代,是季節性規律發生的現象,肇因於密西西比河季節性的大水,使河川將集水區內營養物質大量沖刷傳輸至墨西哥灣中,進而引發藻華甚至是赤潮而使低溶氧區發生,也因為密西西比河的集水區範圍廣大並且流經重要農業地區,其出海口已成為美國國界中範圍最大的死區[12]。

黑海:宏觀尺度影響地方尺度

1960年代黑海周圍的農業與工業活動日益增加,尤其多瑙河挾帶其集水區內之農工活動所釋出的營養物質流入黑海,引起優養化與赤潮的發生,並產生大面積的死區。

1973年黑海死區的面積為3500平方公里,到了1980年代迅速擴展到40,000平方公里,重挫漁業以及觀光休憩。然而,1990年代因為蘇維埃政府的瓦解,多瑙河集水區內的農業與工業活動大量減少,連帶使得肥料、農藥等營養物質的使用率大幅下降,使死區發生強度大幅減少[13]。

黑海地區自從1990年代大規模少用肥料後,在1995年之後並無記錄到較大規模的死區發生事件(除了在2001年曾短暫發生過),且生態系組成結構正緩慢恢復至事件發生前的狀態。

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Photo Credit: NASA Goddard Space Flight Center CC BY 2.0
2012年的黑海。
氣候變遷:宏觀尺度影響全球尺度

Diaz與Rosenberg於2008年透過氣候模型,指出未來全球溫度會有逐漸上升的趨勢,而氣溫上升會減少水中溶氧的濃度,也會使水體分層的狀況更加明顯,進而可能增加死區發生的機會。

另一方面,氣候變遷也可能改變降雨型態,降雨強度與降雨量如果增加,會使集水區內營養物質輸入至河川中的量大幅提升,也可能進一步加劇死區發生的情況;然而相反的情形也可能發生,當劇烈天氣事件發生的強度與貧度增加,則可以減少水體分層並稀釋營養物質,可能會減少死區發生,抑或是降雨量大為降低而發生乾旱,進而無營養物質輸入,也會降低死區發生的可能性[14]。

死區議題的發生與人為活動有著密切的關係,雖然臺灣很少有大規模的死區發生,但也並非完全沒發生過 [16],而死區對於人類的經濟與自然生態的影響都十分深遠,需要持續關注與試圖解決。

我在文章後段透過跨尺度理論來剖析全球的死區議題,有助於將此環境議題的尺度拉大來看,追溯更根本、更源頭的因素,並試圖擬定出可能的解決辦法。現在的我們已然無法回到過去的生活方式,但我們可以透過改變現行的農作方式、所使用的肥料或是土地利用管理政策等,改善這些對於環境有深遠影響的環境問題。例如丹麥位於死區熱區之波羅的海,在1980年代開始進行一連串檢測營養物質的技術,以及實行減少營養物質進入土壤/河川的政策,並得以在2000年代將營養物質的濃度降低將近一半[17]。

另一方面,雖然使用跨尺度理論以剖析死區議題有許多難度,但將尺度拉大的確可以將生態系統(包含自然生態結構與人文社經結構)的複雜性包含其中,然而,如何將這些複雜性以系統性且具有科學意義的方式去進行爬梳,並且找出各交互作用與回饋機制對於一個生態系統運作的影響強度與貢獻度,應是許多生態學者與環境科學家所需共同面對與突破的難題。

註解
  1. Hofmann, A. F., Peltzer, E. T., Walz, P. M. and Brewer, P. G. 2011. Hypoxia by degrees: Establishing definitions for a changing ocean. Deep-Sea Research I 58: 1212-1226.
  2. Diaz, R. J. and Rosenberg, R. 2008. Spreading Dead Zones and Consequences for Marine Ecosystems. Science 321(5891): 926-929.
  3. Nixon, S. W. 1995. Coastal marine eutrophication: A definition, social causes, and future concerns. Ophelia 41: 199-219.
  4. Lawrence, E., Jackson, A. R. W., and Jackson, J. M. 1998. Eutrophication, in Longman Dictionary of Environmental Science, p144-145. London: Longman.
  5. 同註1。
  6. 同註2。
  7. Smith, V. H., Tilman, G. D. and Nekola, J. C. 1999. Eutrophication: impacts of excess nutrient inputs on freshwater, marine, and terrestrial ecosystems. Environmental Pollution 100: 179-196.
  8. Rosenberg, R., Agrenius, S., Hellman, B., Nilsson, H. C. and Norling, K. 2002. Recovery of marine benthic habitats and fauna in a Swedish fjord following improved oxygen conditions. Marine Ecology Progress Series 234: 43-53.
  9. Breitburg, D. L., Craig, J. K., Fulford, R. S., Rose, K. A., Boynton, W. R., Brady, D. C., Ciotti, B. J., Diaz, R. J., Friedland, K. D., Hagy III, J. D., Hart, D. R., Hines, A. H., Houde, E. D., Kolesar, S. E., Nixon, S. W., Rice, J. A., Secor, D. H. and Targett, T. E. 2009. Nutrient enrichment and fisheries exploitation: interactive effects on estuarine living resources and their management. Hydrobiologia 629 (1): 31-47.
  10. Rabotyagov, S. S., Kling, C. L., Gassman, P. W., Rabalais, N. N. and Turner, R. E. 2014. The Economics of Dead Zones: Causes, Impacts, Policy Challenges, and a Model of the Gulf of Mexico Hypoxic Zone. Review of Environmental Economics and Policy 8(1): 58-79.
  11. Heffernan, J. B., Soranno, P. A., Angilletta Jr, M. J., Buckley, L. B., Gruner, D. S., Keitt, T. H., Kellner, J. R., Kominoski, J. S., Rocha, A. V., Xiao, J., Harms, T. K., Goring, S. J., Koenig, L. E., McDowell, W. H., Powell, H., Richardson, A. D., Stow, C. A., Vargas, R. and Weathers, K. C. 2014. Macrosystems ecology: understanding ecological patterns and processes at continental scales. Frontiers in Ecology and the Environment 12(1): 5-14.
  12. World Resources Institute, 2013. Interactive Map of Eutrophication & Hypoxia. (擷取日期:2014.06.24).
  13. 同註10。
  14. 同註2。
  15. Nørring, N. P. and Jørgensen, E. 2009. Eutrophication and agriculture in Denmark: 20 years of experience and prospects for the future. Hydrobiologia 629 (1): 65-70.
  16. 自由時報電子報,2006。淡水河20萬尾烏仔魚 確死於缺氧。 (擷取日期:2015.03.12)
  17. 同註15。
延伸閱讀

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責任編輯:游家權
核稿編輯:翁世航