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人工濕地無法取代自然濕地的生態系功能與服務

作者:林幸助
(國立中興大學生命科學系教授及全球變遷生物學研究中心主任)

濕地的生態系功能之一是藉由植物或藻類吸收二氧化碳與無機營養物質,轉化為有機物質儲存於生物體內,因此具有碳吸存、營養吸收與水質淨化等生態系服務。此有機物質又可轉化為其他動物的食物來源,因此經由食物鏈效應吸引許多鳥類、哺乳類、兩棲爬蟲類、魚類及無脊椎動物等聚集,顯現高度的生物多樣性。正因為濕地具有溫室氣體之碳匯與吸收蓄積營養的能力,能夠用於水質淨化,因此近20年來全球各地興起以人工濕地之生態工法進行濕地補償、生態復育與污水處理。

新海二期 生態池

臺灣人工濕地的處境

在臺灣許多鄰近人口聚集或農業區之河川都受污水影響而嚴重污染,但經由污水處理廠處理的污水僅佔不到15%。因此近年來也興建許多人工濕地,現地處理生活或農業污水,以削減污染對河川溪流的衝擊。人工濕地已如雨後春筍般遍佈全臺,估計超過100多處人工濕地已完成或即將運轉。

人工濕地的分類

人工濕地工法大致分為表面流式人工濕地、礫間接觸曝氣氧化與地下滲濾單體式等三大類。然而國內已有許多人工濕地因為當初規劃設計不當,或後續的經營管理不善,或不知如何管理等問題,以至於「溼地變荒地」。

當務之急應該先了解人工濕地生態系的運作機制,才能發展以科學為本,適用於本土的人工濕地經營管理策略。雖然多數人工濕地被環工學者證實確有能力削減污染,但是他們也常忽略探討人工濕地之所以會有生物多樣性、自然淨化與溫室氣體吸收功能之原因。

人工濕地生態系統功能與經濟效益評估

在國科會自然處永續會的補助之下,我們以國立中興大學研究人員為主,並包括中央研究院、中山大學、臺灣大學、政治大學、逢甲大學、育達科技大學與台北市野鳥學會,組成跨領域整合型計畫「人工濕地生態系統功能與經濟效益評估」,探討人工濕地生態系的運作機制。

打鳥埤 第二密植區

在2008~2011年共同研究新北市大漢溪沿岸,當時已完工運轉2~3年的表面流式人工濕地: 新海二期與打鳥埤人工濕地。我們的研究成果,不但量化了生物多樣性效益,揭開了人工濕地生態運作機制的神秘面紗,也藉以發展適用於本土的人工濕地經營管理策略。

濕地的貢獻

我們發現人工濕地對於污水中的生化需氧量(BOD)、化學需氧量(COD)及氮磷等營養,皆有很好的處理效果。二處人工溼地對BOD及COD的去除率皆可達到70%,對於氮及磷的去除率則在36~50%之間,而打鳥埤對懸浮固體的削減率更可高達90%。

濕地上的物種

負子蟲 吳思儒攝新海二期及打鳥埤各自栽種了31種及30種水生植物,如台灣水龍、空心菜、香蒲及蘆葦等。兩處人工溼地在研究期間共吸引了58種鳥類、7種魚類、3種哺乳類、8種兩棲爬蟲類、152科的陸域昆蟲、34種水棲大型無脊椎動物、3大類的浮游動物以及85種藻類。鳥類以家燕、褐頭鷦鶯、紅冠水雞、白頭翁及棕沙燕為優勢。魚類主要為三星鬥魚、吳郭魚及鯽魚。哺乳類有小黃腹鼠、田鼷鼠與臭鼩。兩棲爬蟲類包括中國樹蟾、拉都希氏赤蛙、澤蛙、貢德氏赤蛙、小雨蛙、長腳赤蛙、草花蛇及巴西龜等。

陸域昆蟲則以雙翅目的蚊、蠅,以及膜翅目的蜂及蟻類為主。常見的水棲無脊椎動物有家蚊、搖蚊、水蝽、負子蟲、蜉蝣、細蟌、貧毛類及福壽螺等。浮游動物則包括枝角類、橈腳類及介形類。優勢藻類包括顫藻、裸藻、穀皮菱形藻與微小異極藻等。

整合所有生物資料後,我們發現總生物量從每平方公尺64克之污水輸入之沉澱池開始,經過一連串淨水單元後,流到後段之生態池,總生物量增加為27倍達到每平方公尺1731克重。生產量越來越高,食物網越趨複雜,能量傳輸效率亦越高。研究結果也顯示魚類及鳥類的物種數會隨著溼地面積擴大而增加,而水棲大型無脊椎動物則會隨著植物覆蓋度提升而增加,因此藉由人工濕地的設計與妥適管理確能提升河溪岸生物多樣性。

減碳效益

在減碳方面,我們也發現人工濕地具有吸收溫室氣體的效益。我們量測人工濕地藻類藉由光合作用吸收二氧化碳的能力,發現隨著人工濕地各淨水單元循序改善水質後,藻類光合作用吸收二氧化碳速率愈來愈快,在夏天尤其明顯。藉由氣體通量塔監測,亦顯示人工溼地後段淨水單元有明顯的二氧化碳吸收能力。

小環頸鴴 何一先攝雖然人工濕地也會藉由微生物作用排放溫室氣體甲烷與氧化亞氮,但是我們發現隨者水質改善,甲烷的排放越來越少,氧化亞氮的排放量亦不多。若將所排放之甲烷與氧化亞氮速率轉換成二氧化碳當量,與光合作用吸收二氧化碳速率作比較,我們發現人工濕地隨著生活污水改善後,會從二氧化碳淨排放,明顯轉變為淨吸收,每天碳吸收量可高達30公斤。若再加計百倍於藻類碳吸收與儲存量的大型水生植物就更為可觀了。因此,若能擴大人工濕地水質改善之後的淨水單元面積,藉由生態的自然運作系統,對於溫室氣體的減量及溪岸生物多樣性將有極大助益。

人工濕地的運作機制

最後我們整合生物多樣性資料,建構人工濕地生態系食物網模式,以了解人工濕地的生態系運作機制。

由模式分析結果得知,各淨水單元之食物網主要由初級消費者所構成,生物功能群多集中於營養位階2~3階之間,大於3階之高階消費者(如細蟌和魚食性鳥類)不多。食物鏈能量傳輸模式顯示,各淨水單元生態系能量流集中於初級生產者與碎屑之間,因為高階消費者少,因此能量無法完全上傳,能量傳輸效率不佳。大量的淨初級生產量未被利用,即流入碎屑庫或輸出至系統外。各淨水單元光合作用有機物生產量皆大於消耗量,顯示為生物量與有機質持續累積之自營性生態系。各淨水單元的物質再循環指數過低,顯示各單元碎屑再循環利用率不高,此乃因為人工濕地接收大量富含營養汙染物質有關。這些結果顯示人工濕地需以人為方式定期清理有機碎屑,以維護人工濕地的正常持續運作。

中國樹蟾 吳聲海 蔡俊興提供我們比較前段淨水單元至後段單元之食物網模式,發現隨著水質淨化之程序,各單元消費者與藻類總生物量、總系統流量、總淨初級生產量等生物量與能量流相關指數皆有所提升,使得後段單元轉變為以植食性食物鏈為優勢,而且關鍵功能群也由搖蚊轉變為魚食性鳥類,顯示人工濕地在後段確實已發揮生態系功能。

但若進一步以兩座人工濕地最終淨水單元池與自然濕地比較,發現人工濕地在消費者總生物量、系統雜食係數與平均營養傳輸效率仍不及自然濕地,同時由許多食物網模式所顯示之生態系指數,可知兩座人工濕地最終淨水單元之生態系仍處於生態系發展階段。綜合以上可知,新海二期與打鳥埤人工濕地為高階消費者不多、傳輸效率不佳及淨初級生產量過剩的自營性生態系。

結論

隨水質淨化程序,前段至後段淨水單元在許多生態系指數皆有所提升,但與自然濕地相比,人工濕地最終淨水單元仍尚未達到自然濕地之成熟階段,因此人工濕地是無法取代自然濕地的生態系功能與服務的。

(2013.10)