水質污染與生物棲地營造

1. 水質污染與生物棲地營造 張文亮 花蓮富里，張文亮攝

2. 傳統的水質污染研究，是以人為最核心的考慮對象，著重飲用水的觀點。在1850年以前，水質污染最主要的影響，是飲用水的安全；後來，受到飲用水加氯消毒，水質污染的研究重心逐漸轉向土壤與作物。傳統的水質污染研究，是以人為最核心的考慮對象，著重飲用水的觀點。在1850年以前，水質污染最主要的影響，是飲用水的安全；後來，受到飲用水加氯消毒，水質污染的研究重心逐漸轉向土壤與作物。 苗栗南庄，倪宏坤攝

3. 在1880年代，開始注意水質對於土壤鹽化 (soil salinity) 與鹼化 (soil alkalinity)，對於作物的生長逆境關係，包括作物滲透壓的調適、營養份的均衡等。而後，水質的處理與安全的排放，成為水質污染發展的重點。在1880~1950年間，飲用水的安全與灌溉水的研究，持續的發展。 花蓮富里，張文亮攝

4. 1950年代以後，水質污染的重點開始逐漸轉移，主要的關鍵是，發現污水經過處理以後，並不能夠完全解決河川與近海的污染問題，因為水質污染的處理，是以物理性的懸浮性顆粒，以及生物性的生化需氧量為主，但處理過後所排放出過多的氮與磷，仍然造成承受水體水質的優養化(eutrophication)。 臺北坪林，倪宏坤攝

5. 因著水質優養化，藻類過度滋生，發生藻華現象 (algae bloom)，在白日與黑夜，因著光合作用與呼吸作用過度旺盛，使得水中溶氧濃度有劇烈的改變。白日溶氧過高，甚至超過飽和溶氧 (9 mg/L)；夜間溶氧降低，甚至低於 5 mg/L，很少魚貝類能夠忍受在短時間內溶氧如此大的變化。 南投埔里，倪宏坤攝

6. 水中的溶氧濃度超過 9 mg/L，呈現過飽和現象 (oversaturation) 時，魚貝類的鰓很容易受水中氣泡阻塞，導致窒息死亡，或是全體遷移到其他的地方；水中的溶氧濃度若低於 3 mg/L，在水體底部容易產生對生物體有劇毒的硫化氫與硫化菌，所以在優養化的水體中，底棲生物或是在底部覓食的魚類容易在夜間死亡。 張文亮攝

7. 1950年代以後水質污染研究的轉移，主要包括：1950年代以後水質污染研究的轉移，主要包括： • 1.) 以魚貝類以及水生昆蟲，作為水質污染的指標； • 2.) 將水質污染的淨化，融入水域生態系統 (ecosystem)； • 3.) 1990年代以後，興起水質污染區生物棲地的營造，目的在棲地的營造，使得生物獲得棲息空間，更具生態系統的功能，促進水質自然淨化。 • 對於近代期待結合生態與工程的科學家或工程師而言，產生了更高的挑戰。 臺北坪林，張文亮攝

8. 生物棲地的營造 張文亮 花蓮富里，張文亮攝

9. 在聖經的創世記裡，上帝對人說，要管理空中的飛鳥與海裡的魚。當時的人聽到這樣的吩咐，可能沒有聽得很仔細，以致於我們現在，大學裡還無法開授「海洋魚類管理學」，也沒有「空中飛鳥管理學」。在聖經的創世記裡，上帝對人說，要管理空中的飛鳥與海裡的魚。當時的人聽到這樣的吩咐，可能沒有聽得很仔細，以致於我們現在，大學裡還無法開授「海洋魚類管理學」，也沒有「空中飛鳥管理學」。

10. 嘉義東石，張文亮攝 • 人是陸地上的生物，如何管理水裡的魚類，或是空中的飛鳥呢？以致於長期以來，人類對於魚類或飛鳥，不是在爭辯要吃多少，就是魚或鳥裡面有多少營養等這些問題，很少談該如何管理。

11. 整個棲地營造的開始，便是有一個人，首先回覆了這個問題。因著這個人的回覆，雖然答案還不是很成熟，卻成為了近代非常重要的學科，是棲地營造的創世記。這個人是格林費爾 (Joseph Grinnell, 1877~1939)，生態工程與生態棲地營造的思考，便是從這個人開始。 http://mvz.berkeley.edu/Grinnell.html

12. 格林費爾是個念藝術的學生，在1901年於史丹福大學取得藝術碩士學位；但是他認為，在自然界進行精確與長期的觀測，並將觀測的結果賦予活潑的理念，也是藝術。因此他沒有去畫畫或攝影，而是到麻省理工學院擔任生物學老師；在課餘，到阿拉斯加調查極地陸生鳥種的種類，然後順著阿拉斯加南下，到加拿大沿海，甚至美國西岸的海邊，研究鳥類的分布。格林費爾是個念藝術的學生，在1901年於史丹福大學取得藝術碩士學位；但是他認為，在自然界進行精確與長期的觀測，並將觀測的結果賦予活潑的理念，也是藝術。因此他沒有去畫畫或攝影，而是到麻省理工學院擔任生物學老師；在課餘，到阿拉斯加調查極地陸生鳥種的種類，然後順著阿拉斯加南下，到加拿大沿海，甚至美國西岸的海邊，研究鳥類的分布。 美國加州，張文亮攝

13. 他在1904年提出一個非常有趣的現象：有一種特殊的鳥種小黃鶯 (Chestnut-backed Chickadee, Parus rufescens)，其分布從阿拉斯加一直到加州，數千公里的範圍 (range) 都能夠存在；但是其所存在範圍的寬度，卻只有幾十公里。 http://flickr.com/photos/18092121@N00/373045384/

14. 圖1：小黃鶯在太平洋東岸的分布 • 資料來源：Grinnell, J. 1904. The Origin and Distribution of the Chest-Nut-Backed Chickadee. The Auk, Vol. 21, No .3, pp364~382.

15. 圖2：小黃鶯在美國西岸的分布 資料來源：Grinnell, J. 1904. The Origin and Distribution of the Chest-Nut-Backed Chickadee. The Auk, Vol. 21, No .3, pp364~382.

16. 格林費爾所提出的這份報告，是近代研究生物棲地的經典之作，因為整個生態棲地的營造，就是從這裡開始。格林費爾在此篇研究報告裡，首先採用「棲地」(habitat) 這個名詞，早期habitat只用於形容人的生活習性，沒有用在野生動物身上。 美國加州，張文亮攝

17. 美國加州，張文亮攝 • Habitat的字源是abit，是ability的起源，代表人的能力，可以選擇所要居住的地方。格林費爾認為，不只是人類有這種能力，動物也有能力選擇其要居住的地方。他將這個用於人習性的單字，賦予新的意義，來表示動物選擇居住範圍的能力。

18. 這是個革命性的思考。他於研究中提出，小黃鶯是否真的具有選擇棲地的能力？這棲地的特性是什麼？人類會不會改變這個棲地的特性，以致於小黃鶯失去了可以棲息的空間？這是個革命性的思考。他於研究中提出，小黃鶯是否真的具有選擇棲地的能力？這棲地的特性是什麼？人類會不會改變這個棲地的特性，以致於小黃鶯失去了可以棲息的空間？ http://flickr.com/photos/mattandjess/2245687178/

19. 第一步，格林費爾以族群學 (population theory) 的概念，提出小黃鶯在空間中呈現常態分布，當愈接近常態分布平均值，便是物種愈好棲息的所在。而這棲息所在的特性，經過仔細的研究，發現最主要的因子是空氣中的溼度，其次是針葉林所提供的遮蔭果效，末了則是針葉林所提供的食物。 圖3：空間中的常態分布

20. 在地域上，從阿拉斯加一直到加州沿海，受到洋流影響，雖然非常乾燥、年降雨量不到500 mm，但是洋流的高溫使得海水蒸發成為空氣中的水氣進到內陸，使得空氣的相對溼度經常在80 %以上，小黃鶯大部分便在這樣的特性中存在。 http://species.wikimedia.org/wiki/Poecile_rufescens

21. 當時格林費爾所做的實驗都是靠眼睛觀察，以及對鳥數目的紀錄。在初期的研究中，只憑仔細觀察而產生結果，雖然客觀性不足，但這樣的學習精神，應該為近代的生態棲地營造者所注意。 http://pro.corbis.com/search/Enlargement.aspx?CID=isg&mediauid=%7BF3A5F6DE-8F86-4FFC-8024-5FB2B6E802BF%7D

22. 第二步，格林費爾以動物結構與行為學，來說明棲地的特性。他量測小黃鶯飛翔的距離、翅膀的寬度、尾羽的長度、喙的尖銳與強度，認為小黃鶯的尾羽與翅膀較短，適合短距離的飛翔，能在較高的針葉林中穿梭；其喙的尖度與強度，也適合取食針葉樹的松果。第二步，格林費爾以動物結構與行為學，來說明棲地的特性。他量測小黃鶯飛翔的距離、翅膀的寬度、尾羽的長度、喙的尖銳與強度，認為小黃鶯的尾羽與翅膀較短，適合短距離的飛翔，能在較高的針葉林中穿梭；其喙的尖度與強度，也適合取食針葉樹的松果。 http://www.dereila.ca/dereilaimages/Birds4.html

23. 第三，格林費爾發現，只要空氣的相對溼度低於70%，其他的鳥類就會占優勢，小黃鶯幾乎不會出現，因此他提出，不同生物物種間的競爭或天敵，會限制小黃鶯在空間中的分布。第三，格林費爾發現，只要空氣的相對溼度低於70%，其他的鳥類就會占優勢，小黃鶯幾乎不會出現，因此他提出，不同生物物種間的競爭或天敵，會限制小黃鶯在空間中的分布。 圖4：不同小黃鶯分布的距離 資料來源：Grinnell, J. 1904. The Origin and Distribution of the Chest-Nut-Backed Chickadee. The Auk, Vol. 21, No .3, pp364~382.

24. 表1：3種小黃鶯翅膀與尾羽的長度量測數據 資料來源：Grinnell, J. 1904. The Origin and Distribution of the Chest-Nut-Backed Chickadee. The Auk, Vol. 21, No .3, pp364~382.

25. 其他鳥種 小黃鶯 圖5：小黃鶯與其他鳥種的常態分布

26. 格林費爾進而解釋，當空氣的相對溼度逐漸消失，針葉林植物相便逐漸轉換為低矮的灌木林或草原，當鳥類在此移動時，會需要較長的尾羽，以利飛翔。 http://flickr.com/photos/55286571@N00/361336706

27. 第四，格林費爾在1923年繼續提出，棲地會影響生物活動，生物活動也會受到棲地影響的研究。他以5種地鼠，探討其挖洞對於棲地土壤的影響。第四，格林費爾在1923年繼續提出，棲地會影響生物活動，生物活動也會受到棲地影響的研究。他以5種地鼠，探討其挖洞對於棲地土壤的影響。 圖6：格林費爾研究的地鼠 資料來源：Grinnell, J. 1923. The Burrowing Rodents of California as Agents in Soil Formation. Journal of Mammalogy, Vol. 3, No .3, pp137~149.

28. 他首先提出，棲地是個動態 (dynamic) 的變化，不只動物會影響，人類可能也會影響。他亦是首先提出，因著人為的過度開發，可能會破壞到生物棲地的觀念，並進而提出，人類對於動物棲地的影響，不僅是對小黃鶯或是地鼠，而是會影響到所有生物。 圖7：地鼠打洞的痕跡 資料來源：Grinnell, J. 1923. The Burrowing Rodents of California as Agents in Soil Formation. Journal of Mammalogy, Vol. 3, No .3, pp137~149.

29. 因此他下了個結論：大地上所有的生物，在空間上的分布，如果以生物族群作為考慮，會呈現常態性分布；而且更重要的，生物分布的空間，是受限於地理的條件，他把這條件稱之為barrier。在barrier之內，生物的棲息範圍稱為「領域」(territory)，這些名詞我們現在都非常常用，是生物棲地營造的開始。因此他下了個結論：大地上所有的生物，在空間上的分布，如果以生物族群作為考慮，會呈現常態性分布；而且更重要的，生物分布的空間，是受限於地理的條件，他把這條件稱之為barrier。在barrier之內，生物的棲息範圍稱為「領域」(territory)，這些名詞我們現在都非常常用，是生物棲地營造的開始。 圖8：地鼠打洞的痕跡 資料來源：Grinnell, J. 1923. The Burrowing Rodents of California as Agents in Soil Formation. Journal of Mammalogy, Vol. 3, No .3, pp137~149.