湿地水生植物碳吸存能力之评价教学文稿.doc

全國高職學生102年度專題製作競賽
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群別：化工群

參賽作品名稱：濕地水生植物碳吸存能力之評估

關 鍵 詞： 濕地、碳、暖化

濕地水生植物碳吸存能力之評估
摘要
濕地是地球上的重要的生態系統，近年來濕地被發現能從大氣中吸收二氧化碳，轉換為有機碳捕集於濕地土壤、底泥或植物碎屑中，具有可觀的碳吸存能力。
本專題利用壓克力製靜置室採氣暨二氧化碳通量測定裝置，現場監測水生植物的人工濕地其二氧化碳交換通量，並由不同光照強度條件的二氧化碳交換通量監測結果，進一步計算濕地的總呼吸通量及濕地總初級生產量。監測結果發現，在南台灣冬季時晴天日間濕地總初級生產量隨著有效輻射值的增加而顯著增加。建立了總初級生產量與有效輻射值的相關方程式，可做為預測不同日照條件下的濕地總初級生產量。故濕地能增加碳吸存能力，逐漸蓄積濕地的碳庫，可有效減輕全球暖化，應該推廣保育濕地。

壹、 研究動機
自工業革命後，大氣中溫室氣體濃度顯著增加，使得大氣溫度上升，對全球氣候、地形特徵和生物生存條件及空間皆造成了顯著影響。二氧化碳和其他溫室氣體的含量不斷增加，正是全球暖化的人為因素中主要部分。燃燒化石燃料、清理林木和耕作等等都增強了溫室效應。雖然植物的光合作用吸收了很大一部分二氧化碳，海洋也溶解一部分二氧化碳並固定成碳酸鈣，但空氣中二氧化碳的含量還是逐步增加。將進而探討陸域生態系統(濕地)在全球暖化與氣候變遷中扮演何種角色，及全球暖化與氣候變遷對生態系統會造成何種影響。

貳、 研究目的
若與周遭的陸域及水體生態比較，濕地是地球上生產量豐沛的生態系統之一，濕地是地球上最重要的生態系統及天然資源，它擁有相當高的生產量，可提供鳥類、魚類及野生動物的棲息地，增進生物多樣性，並具有蓄水、調洪、補注地下水、穩定海岸線、水質淨化、氣候調節等功能，也提供景觀、休憩及教育的社會性價值。另外，由於濕地具有高的植物生產量、高的水位、厭氧的底部環境及低的有機物分解速率，導致濕地能從大氣中吸收二氧化碳，轉換為有機碳捕集於濕地土壤、底泥或植物碎屑中。
濕地能將大氣中二氧化碳封鎖或捕集於濕地的程序，即稱為碳匯。因長期的碳匯能力，使得濕地是所有的陸域生態系統中平均碳密度最高者，並儲存豐富的碳庫。
本專題研究目的即利用壓克力製的靜置室採氣罩，配合紅外線二氧化碳分析儀，現場監測水生植物的濕地其二氧化碳交換通量，並由不同光照強度條件的二氧化碳交換通量監測結果，進一步計算濕地的總呼吸通量及濕地總生產通量，並獲得濕地總生產通量與光照有效輻射值的關係方程式。由此方程式及一天的光照度變化可估算濕地一天的碳吸存通量。

參、 研究器材
研究設備為一組大型的靜置室採氣暨二氧化碳通量測定裝置，可以將濕地的挺水性水生植物(例如蘆葦、香蒲)罩在裝置內。裝置分為兩部份：不銹鋼底座及壓克力製氣罩。不銹鋼底座尺寸為0.34 m (高) × 0.4 m (長) × 0.4 m (寬)，壓克力製氣罩尺寸1.2 m (高) × 0.4 m (長) × 0.4 m (寬)。不銹鋼底座上緣設計成凹槽，使可與壓克力製氣罩接合。壓克力製氣罩內裝置有風扇，由罩外的驅動馬達帶動，風扇轉動可確保氣罩內的氣體濃度混合均勻。氣罩內也裝有溫度計以量測罩內氣溫，及設置光照度計以監測罩內的光合作用有效輻射值(400~700 µm，Photosynthetically Active Radiation，PAR)。氣罩並設有進、出通氣管，可與罩外的紅外線二氧化碳分析儀連接。
二氧化碳分析儀內部設有小型抽氣馬達，將氣罩內的空氣連續送入紅外線分析儀測得二氧化碳濃度後，再循環送回氣罩，以保持氣罩內恆壓。因此，二氧化碳分析儀所讀到的濃度值可代表氣罩內的二氧化碳濃度。

肆、研究方法
一、調查場址
本研究調查場址為嘉南藥理科技大學校園內的人工濕地，該濕地完成於2005年底，收集校園機械式污水處理廠淨化後的放流水，進一步提供三級處理。場址面積約為11,000 m2(水域與陸域總和)，由三個單元所組成，分別表面下流動式濕地(約1,450 m2 )、表面流動式濕地(約2,200 m2 )及景觀生態池。本研究設置的採樣點位於表面流濕地內，水深平均為0.2~0.3 m，該濕地有蘆葦、香蒲、蓮花、空心菜、美人蕉等水生植物，但以蘆葦為主(圖1)。

二、二氧化碳的交換通量的監測步驟
本研究主要利用壓克力製的靜置室採氣罩，配合紅外線二氧化碳分析儀，現場監測含有水、土壤、水生植物的濕地，其二氧化碳的交換通量。監測步驟如下：
1. 將不銹鋼底座穩固在濕地底部接觸到底部土壤表層，並將水生植物含納在底座框架內。
2. 將壓克力氣罩置於不銹鋼底座上緣之凹槽，並以水封住凹槽接縫處保持密閉，如(圖2)。
3. 啟動採氣罩內的風扇，並連結紅外線二氧化碳分析儀(圖3)。
4. 每分鐘紀錄一次二氧化碳濃度，約紀錄10~15分鐘。並紀錄當時的罩內溫度及有效輻射值變化。
5. 使用不同遮光率的布簾蓋於壓克力採氣罩表面，模擬不同光照強度條件(全日照、50 %、60 %、70 %、80 %、100 %遮光)，並重覆上述第2、3、及4步驟。
6. 每完成一組光照強度條件的紀錄後，即停止操作將壓克力採氣罩拿起與不銹鋼底座分離，讓氣體流通10分鐘，再進行下一組光照強度條件的測試。

三、氣體交換通量的計算
經由紅外線二氧化碳分析儀所測量到的溫室氣體濃度單位為 ppm，每一個氣罩在每分鐘所獲得的濃度(C)在座標圖上對時間(t)繪圖，經線性回歸分析求得斜率()及相關係數平方值(r2)，再由公式(1)算出氣體通量。回歸分析結果r2須大於0.90，則數據才予以採用。若交換通量為正值，代表氣體從水面(或土壤)釋放到大氣(圖4)；若為負值，代表氣體從大氣被吸收到水面(或土壤) (圖5)。

其中，
FCO2 = 二氧化碳氣體交換通量 (mg/m2/hr)
H = 矩形氣罩的高度 (m)
= 氣體濃度隨時間的變化斜率 (ppm/hr)
M = 氣體分子量，g /mol (44)
V = 標準狀態下(0℃,1atm)氣體的莫耳體積，22.4 L/mol
T =採氣時罩內氣溫 (oC)
再將氣體通量結果以公式(2)計算轉換為碳通量單位：

其中，
FC = CO2-C交換通量，mg C/m2/hr

(圖1)調查場址為嘉南藥理科技大學人工濕地樣區為蘆葦所覆蓋
(圖2) 裝置完成

(圖3)紅外線二氧化碳分析儀

(圖4 )採氣罩內二氧化碳濃度(縱軸，ppm)隨時間(橫軸，min)而增加，交換通量為正值，代表氣體從水面(或土壤)釋放到大氣
(圖5)採氣罩內二氧化碳濃度(縱軸，ppm)隨時間而降低(橫軸，min)，交換通量為負值，代表氣體從大氣被濕地吸收
伍、研究結果
一、濕地的二氧化碳交換通量
本研究在民國102年1~2月期間針對濕地場址不同地點進行兩次不同時間的監測調查，監測結果整理成表1及2。兩次監測結果發現，在無遮光條件下光照有效輻射值約在1167~1492 µmol/m2/s，二氧化碳的交換通量(FCO2及FC)均為負值，也就是濕地呈現淨吸收的結果。隨著增加遮光率，罩內的有效輻射值減弱，二氧化碳的淨吸收值減少，甚至轉為正值，也就是濕地呈現淨排放，而且排放通量隨著有效輻射值的減弱而增加。在完全遮光下，有效輻射值為零，二氧化碳的排放通量達到最高值。

二、濕地的總呼吸通量及總初級生產量
由於採氣罩可將濕地底泥微生物、微小動物、底棲藻類及水生植物含納在氣罩中，因此在不透光及有效輻射值為零的條件下所測得的二氧化碳交換通量，也包括微生物及動物的異營性呼吸通量及藻類與水生植物自營性呼吸通量的淨總和，或可稱為總呼吸通量。而將總呼吸通量減去在不同光照條件下測得的二氧化碳的交換通量，即為濕地的總初級生產量(GPP，mg C/m2/hr)，意指濕地藻類與水生植物因光合作用產生的固碳能力。由(表1)及(表2)結果顯示，兩次監測的濕地總呼吸通量分別為649.5及692.6 mg C/m2/hr，彼此相當接近。而濕地的總初級生產量則隨著有效輻射值的增加而顯著增加，在無遮光條件下，兩次監測有效輻射值分別為1167及1492 µmol/m2/s，總初級生產量達到最高值1069.6及1045.6 mg C/m2/hr。

三、濕地總初級生產量與有效輻射值的關係
理論上，在相同土壤及水質營養條件下水生植物的光合作用固碳能力受太陽有效輻射能影響，因此本研究嘗試建立濕地總初級生產量與有效輻射值的相關方程式，以做為預測不同日照條件下，濕地的總初級生產量。利用數學模式回歸可獲得相關性良好的方程式(表3)：

其中，
GPP=在有效輻射值I條件下的總初級生產量， mg C/m2/hr
GPPmax=最大的總初級生產量，mg C/m2/hr
I=採氣罩內紀錄的的PAR值，μmol/m2/s
Ik=當日最大的PAR值，μmol/m2/s

(表1)本研究在102年1月28日的監測結果
布廉遮光率
有效輻射值
(µmol/m2/s)

(ppm/min)
FCO2
(mg CO2/m2/hr)

(mg C/m2/hr)
GPP
(mg C/m2/hr)
無遮光
1167
-11.875
-1540.3
-420.1
1069.6
50 %遮光
327
0.4929
63.9
17.4
632.1
60 %遮光
433
4.9151
637.3
173.8
475.7
70 %遮光
186
5.7179
741.1
202.1
447.4
80 %遮光
68
9.0679
1172.6
319.8
329.7
100 %遮光
0
18.389
2381.3
649.5
0

(表2)本研究在102年2月6日的監測結果
布廉遮光率
有效輻射值
(µmol/m2/s)

(ppm/min)
FCO2
(mg CO2/m2/hr)

(mg C/m2/hr)
GPP
(mg C/m2/hr)
無遮光
1492
-10.007
-1297.9
-353.0
1045.6
50 %遮光
686
-1.147
-148.8
-40.6
733.2
60 %遮光
569
2.825
366.2
99.9
592.7
70 %遮光
156
13.086
1696.0
462.5
230.1
80 %遮光
91
17.039
2203.4
600.9
91.7
100 %遮光
0
19.611
2539.6
692.6
0

(表3)濕地總初級生產量與有效輻射值相關方程式的回歸結果
監測時間
GPPmax
(mg C/m2/hr)
Ik
(μmol/m2/s)
R2
102.01.28
1110.7
454.5
0.830
102.02.06
1270.7
833.3
0.996

(圖6)濕地總初級生產量(GPP)與有效輻射值(PAR)之關係，圓形實心為實際監測值，圓形空心為數學模式回歸結果(102年1月28日的監測結果)

(圖7)濕地總初級生產量(GPP)與有效輻射值(PAR)之關係，圓形實心為實際監測值，圓形空心為數學模式回歸結果(102年2月6日的監測結果)
陸、討論
本研究初步量測南台灣冬季(1~2月份)人工濕地的二氧化碳交換通量、濕地總呼吸通量及濕地總初級生產量。這些結果可能會因為不同濕地場址，由於水生植物種類不同、生長密度不同、進流廢水濃度與流量不同、底泥或土壤性質不同，而影響二氧化碳交換通量、濕地總呼吸通量及濕地總初級生產量。在相同濕地場址，也可能會因為不同監測時間或季節，由於日照條件不同(冬季平均日照強度較低、夏季平均日照強度較強)、氣溫條件不同，影響植物初級生產量、微生物的呼吸活性，以至於影響二氧化碳交換通量的結果。將建議後續測量不同地點、不同月份或季節的結果，已進一步了解空間與時間變化對濕地二氧化碳交換通量、濕地總呼吸通量及濕地總初級生產量的影響。
濕地的碳庫及碳吸存能力對國家、區域性或全球的溫室氣體排放及氣候變遷有調節的作用，如何永續利用濕地的功能及價值最重要的是建立國家濕地碳庫及碳吸存能力的資料庫。
為了處理廢水或水污染防治目的而設立的人工濕地，或為了保育特定生物而建造的人造地，都屬於被創造的年輕濕地。這些濕地原來可能是旱田、菱角田或魚塭，有的土地原先缺乏初級生產量而無法有效的進行碳吸存，有的土地間歇性地淹水排水無法有效建立高含量的碳庫。轉化為濕地後，一開始仍然屬於礦物性土壤，碳含量不高，但是若持久地保持經常淹水的條件，便可以開始發揮碳吸存能力，逐漸蓄積濕地的碳庫。雖然，轉化為濕地後會增加甲烷的排放，但是一些文獻已證實濕地碳吸存能力會平衡、中和甲烷排放造成的暖化潛勢，另外相當於增加了碳的儲藏庫。

柒、結論
為了保護濕地碳庫及碳吸存能力，應該整合到國家的濕地保育計畫或政策中。
一、濕地保育
透過宣導，讓大眾能瞭解全球暖化與氣候變遷議題的嚴肅性，並瞭解濕地與氣候變遷的關聯、濕地有減輕全球暖化的價值及若破壞濕地則加重暖化的後果，以激發保護濕地的意識。

二、濕地復育
針對曾被人為或天然因素破壞的濕地，應找出破壞濕地的原因，並採取修復方法。

三、創造新的濕地
轉化為濕地後，一開始雖仍屬於礦物性土壤，碳含量不高，但是若持久保持經常淹水的條件，就可開始發揮碳吸存能力，逐漸蓄積濕地的碳庫。

而目前造林產生的碳吸存能力已經被認可是減輕溫室氣體來源的管理方法，它甚至可獲得森林碳權，進行交易。濕地的碳吸存能力與同緯度的森林相當接近，未來復育濕地及創造新濕地是否能像造林一樣列入碳權交易，值得期待。

捌、參考資料
1. 林瑩峯、陳國超(2013)。濕地與全球暖化。台灣濕地。第87期。第4-12頁。
2. 嘉南藥理科技大學(2011)。濕地碳會功能調查標準作業程序。內政部城鄉發展分署。
3. 閥玉民、邱美子(2012)。基礎化學B。龍騰文化。