( 一 ) 甲烷

1. (一)甲烷 • (1.)甲烷之特性 在全球環境變遷中，甲烷為一重要的溫室效應氣體。甲烷（Methane, CH4）為無色、無味、無臭、無腐蝕性及不具毒性之氣體，比重輕 （當空氣為1 時，甲烷比重為0.5542）、密度0.679 g/L（攝氏15 度，1 大氣壓）、自燃溫度約攝氏537 度，濃度5~15.4 %時遇火會 產生爆炸。 甲烷亦是導致溫室效應主要氣體之一，其生命週期約12 至17 年，若 進入大氣中幾乎無法回收，要靠自然的過程才能使其消失。甲烷能 吸收4至100μm之輻射波，並且其吸收紅外光的能力為二氧化碳之 20 至30 倍；就影響力而言，甲烷對溫室效應的影響力15 至25%， 僅次於二氧化碳的60%，所以甲烷所造成溫室應的影響是不可忽略 的。

2. (2.)大氣中甲烷之循環 甲烷在大氣條件下是一種化學活性氣體，是地球上大氣 中含量最高的 有機氣體，甲烷在大氣可被自由基（OH）氧化，導致產生一氧化碳（CO）、二氧化碳含量增加，因此在大氣成分的轉化中扮演著重要之角色，靠著地球上陸生及水生生態系統中大氣與生物之間的光化學反應使甲烷產生與消失。其途徑可由湖泊、土壤等途徑排放至大氣中，如圖所示，其主要天然排放源主要為海洋、森林、草原、濕地、苔原和反芻動物等。另外，環境中的甲烷主要消失源一部分可藉由大氣中的氫氧自由基（OH․）進行光化反應，另一部份則利用土壤中甲烷氧化菌（Methanotrophs）氧化甲烷。

4. (3.)甲烷排放統計 甲烷在大氣中扮演著重要的角色，由冰蕊（Ice core）中的氣泡所重建的資料分析實驗研究，甲烷在過去四十二萬年來，大氣中甲烷的含量不曾超過780 ppbv，到了早期10000~16000 年期間，大氣濃度約為 0.35~0.65ppmv。但自西元1800 年以後，甲烷的濃度開始隨著人口增加而上揚。八十年代初期，甲烷以每年16 ppbv的速度成長，全球平均甲烷濃度約為 1.51ppmv；迄到80 年代未期，其上升的速度才逐漸減緩。最近7 年（西元1998~2005 年），甲烷在大氣中的濃度則趨向穩定，其目前全球平均含量維持在1.77 ppmv左右。

5. 聯合國政府間氣候變遷小組，統計全世界天然排放中，每年經由濕地系統釋放出的甲烷 115 Tg，占全體甲烷釋出量之21%，可見濕地對於溫室氣體貢獻度極大。而人為排放源中，甲烷之排放主要來自垃圾掩埋場及農牧業活動，甲烷之產生係由生物厭氧發酵作用而來，水稻田釋出 97 Tg甲烷（佔 17.0%），反芻動物及其廢棄物釋出 105 Tg甲烷（佔18.4%），填土掩埋場釋出 30 Tg（佔5.20%）。台灣地區於1990年甲烷排放總量約663Gg。垃圾掩埋場之排放最大（67%），其次為稻米耕作（9%），動物排泄物處理之排放（6%）。台灣地區甲烷排放總量逐年增加，1994 年達 954 Gg以上，1994 年之後甲烷排放逐年減少。2000 年甲烷排放總量降為595 Gg，來自垃圾掩埋場之排放最大（59%），其次為燃料燃燒（13%），稻米耕作（6.7%），廢水處理（6.1%）。

6. (三)溫室氣體 • (1.)溫室效應 • 溫室效應（Greenhouse Effect）最早於1827 年由法國學者Jean-Baptiste Fourier 提出，因發現其對地表的影響類似農業用溫室的暖化作用，故以此命名。太陽自四面八方放射出短波輻射，經大氣吸收、地表及大氣反射後僅剩約49%為地表所吸收，此經地表土壤、水體、植物等吸收後之能量復以長波輻射方式釋出，一部分為對流層水氣（ 2 H O）及二氧化碳（ 2 CO ）吸收，一部分則在平流層為甲烷（ 4 CH ）、氧化亞氮（ 2 N O）、氟氯碳化物（ S CFC ）等所吸收，其餘則逸入太空。當進入地球的太陽輻射能和地表所反射與輻射至太空的能量達到平衡時，地表溫度即呈現穩定狀態（如圖 2所示）。溫室效應是地球一個自我保暖的機制，但自工業革命後，因為人類活動的日趨頻繁，大量使用石化燃料、濫伐森林、使用含氯、氟之碳化物及熱絡之農工活動等，造成二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氟氯碳化物、六氟化硫（ 6 SF ）、全氟碳化物（ S PFC ）、氫氟碳化物（ S HFC ）

7. 等易吸收長波輻射氣體（即「溫室氣體（Greenhouse Gas, GHG）」）大幅增加，造成進入地球的太陽輻射能和地表所反射與輻射至太空的能量失去平衡，能量累積在大氣層中造成溫度上升，形成地球不正常的溫室效應，地球暖化將造成全球氣候變遷。對地球環境產生可預見

8. 對地球環境產生可預見之衝擊如下列三點： 1. 極地冰原融化，海平面上升，淹沒較低窪之沿海陸地，衝擊低地國及多數國家沿海精華區。 2. 全球氣候變遷，導致不正常暴雨及乾旱現象，衝擊水土資源環境衛生及人類生命等。 3. 沙漠化現象擴大，生態體系改變，衝擊農林漁牧、社經活動及全球生存環境等。

10. 圖 2 溫室效應示意圖。太陽總輻射量（240 瓦每平方）和紅外線的釋放量應要均等，其中約三分之一（103 瓦每平方）的太陽輻射會被反射而餘下的會被地球表面所吸收。此外，大氣層的溫室氣體和雲團吸收及再次釋放出紅外線輻射，使到地面更暖，高出約33℃。

11. 根據「聯合國環境規劃署（UNEP）」與「世界氣象組織（WMO）」共同成立「跨國氣候變遷研究小組（Intergovernmental Panel on ClimateChange, IPCC）」的研究結果顯示，1980年代各主要溫室氣體對地球暖化影響， 2 CO 居首佔55%， S CFC 其次佔24%， 4 CH 佔15%， 2 N O佔6%

12. （如圖 3所示）， 2 CO 、4 CH 、2 N O及S CFC 等主要溫室氣體之性質則列於表 3中。 • 圖 3 各種人造溫室氣體的輻射作用量截至目前為止，雖然僅增加少許溫度（過去100 年只增加0.3℃至0.6℃），海平面則持續上升（10 至15 公分）。科學家預測若不採取任何防治措施，則於西元2100 年時，地表溫度將較目前增加1℃至3.5℃，海平面將上升15 至95 公分，此種溫室效應對於整個生態環境（包括地球、海洋與人類的經濟、社會等）及全球氣候，將有深遠而不可預知之影響。

13. (二)濕地 • (1.)濕地土壤之基本性質分析 • 各濕地土壤之基本性質分析結果示如表4-1，由表4-1 可得知在各樣區中EC值大約在0.15~2.03 mS/cm之間，以SNW 區之EC值較高，R 區之EC值最低。自然濕地HNW區為偏酸性土壤，SNW區則呈現偏鹼性土壤，pH值約為9.9 和8.4，因二處土壤酸鹼質，可能因其分佈地區之關係，西部沿海地區的濕地，因超抽地下水使地層下陷情形嚴重，土壤普遍鹽化，HNW區位於潟湖外側的離岸防風林沙洲區域上，海岸地區之覆土表層主要以粗砂及砂土為主，SNW區由於接近出海口或因保護區內包含鹽田之故，因此具有相當高之鹽分，所以pH值皆為偏弱鹼；SCW區與ECW區屬於處理汙水型人工濕地，pH約為5.3~5.7，因此其pH值均呈偏弱酸性；R區為有機栽種，其pH約7.2 為中性水質；W區採樣點為紡織廢水處理廠，處理酯化廢水，其進流pH為3.5 左右，因此pH值呈酸性。

14. 一般而言，分佈於自然界中的甲烷氧化菌可以忍受pH 範圍約4~9，Benstead等學者研究對美國緬因州松木和落葉木混合林之森林土壤實驗結果，甲烷氧化最適pH 值在4.8~6.0之間，偏酸性；又依據Bender等學者實驗中，甲烷氧化最適pH值在6.7~8.1 之間，中間偏鹼性。但此皆是討論甲烷氧化菌在土壤中pH 忍受範圍，在過去學者研究均指出pH 對甲烷氧化菌生長並無明顯之影響，但是在環境生態裡，pH可能會使得微生物生態受影響，而本研究廢水處理廠W 試區，其pH為3.5左右，可看出其在酸性廢水中亦有其甲烷氧化菌群。

15. Christensen等學者研究指出，在牧草地及受酸雨林洗之土壤，亦有大量甲烷氧化菌生長，而其甲烷氧化能力較高於一般土壤有機質含量約在0.41 ~ 2.52% 之間，其中以水稻栽培區土壤之有機質含量較高，初步判別可能與水稻有機栽培，稻作栽培大量使用有機質肥料施用於稻田，造成增加稻田有機質含量比其他各樣區有機質含量來的較高。土壤含水量約在0.4~6.3% 之間，對甲烷氧化菌之影響，Harriss等學者發現美國佛州沼澤水份排乾之後土壤具有氧化甲烷之能力。Bowden等學者指出富含有機質的林地土壤含水量達到70% 時甲烷氧化菌活性最高。HNW 為接近沙漠的地形就是臨海的沙丘生態系，保水率差，SCW 其土質為壤質砂土含水率約0.5%，而ECW含水率較高約6.3%。

16. (2.) 自然濕地甲烷消耗濃度變化 • 自然濕地樣品中，四草濕地(SNW)與好美寮(HNW)濕地分別注入0.1%、5% 和20%甲烷濃度，當培養至第7 天，注入0.1% 甲烷濃度之甲烷氧化率分別達到91%、65%，大約第14 天甲烷氧化率即可達到97 % 與96%，如圖4-1 所示。注入5% 甲烷濃度時，第7 天甲烷氧化率則分別為71%、85%，當甲烷氧化率達到99% 時，SNW 需約14 天，HNW 則需到第21 天才能達到99%之甲烷氧化率。而注入20%甲烷濃度之第7 天甲烷氧化率僅分別達到14%、22%，其甲烷濃度有再消耗之情形，但在消減速度不明顯，大約50 天左右，甲烷濃度消耗才達到92%以上。於楊等學者之研究指出台南四草濕地之甲烷釋放量為-0.088-0.156 mg/m2/h，而台南區農業改良場鹿草分場水稻田平均甲烷釋放量為11.9-27.2 mg/m2/h，福德坑掩埋場之現齡掩埋區之甲烷釋出率約在-80.72-163.73 mg/m2/h，顯示自然濕地的甲烷釋放量較稻田與掩埋場低，甲烷氧化菌可利用之碳源較低，故自然濕地中所分離出之甲烷氧化菌在低濃度甲烷條件下有較佳之甲烷氧化能力。

17. Bender學者指出在不同甲烷濃度實驗中，在低甲烷濃度之下，其菌群有較低之甲烷氧化能力。因此，其結果顯示出甲烷氧化菌在低甲烷釋放的自然濕地環境下其甲烷氧化能力也相對較低，而以0.1% 甲烷濃度當碳源時，土壤之甲烷氧化能力較20%來得高。但是West 學者也指出甲烷氧化作用會伴隨著甲烷濃度增加而提高甲烷氧化速率。因此，注入20%甲烷碳源時，亦不影響其甲烷氧化能力。

18. (3.) 人工濕地甲烷消耗濃度變化 • 比較各人工濕地系統之甲烷氧化速率，嘉藥人工濕地(SCW, 使用中)與二行人工濕地(ECW, 停止使用)之土壤甲烷消耗變化如圖4-2 所示，當培養至第7 天時，注入0.1% 甲烷濃度，二濕地土壤之甲烷氧化率分別達到54%、33%，SCW 孵育至第24 天即有99%之甲烷氧化率，ECW 則約需35天才有97%以上之甲烷氧化率，當注入5%甲烷濃度，培養至第7 天之甲烷氧化率分別達到83%、44%，SCW 孵育至第17 天時即有99%甲烷氧化率，ECW 則約需41 天，其甲烷氧化率才能達到99%以上。而注入20%甲烷濃度之甲烷氧化率有降解情形，但在消耗速率上並不明顯，在第24 天時，其甲烷氧化率為64%。

19. 稻田甲烷濃度消耗變化中，當注入0.1%甲烷濃度培養至第7 天時，甲烷氧化率為79%，第17 天即達到97%，到第22 天之後，消耗速率並不明顯，第35 天達到99%。注入5%甲烷濃度培養至第7 天之甲烷氧化率為39%，第28 天達到99%。而注入20%甲烷濃度之甲烷氧化率培養至第7 天時達到38%，培養至第47 天，其甲烷氧化率可達98%。由以上結果顯示，於0.1 與5%甲烷濃度下，SCW的甲烷氧化速率高於ECW，當甲烷濃度為20 %時，二系統之甲烷氧化速率差異不明顯。推測人工濕地因仍在持續操作使用中，廢水的進流可持續提供有效性碳源供土壤微生物利用，然二行人工溼地已停止使用，呈完全乾燥的氧化狀態，對系統中甲烷形成極為不利，故土壤中之甲烷氧化菌所能利用之碳基質(甲烷)極少，甲烷氧化速率較低。然氧氣濃度對甲烷氧化菌活性影響頗為重要，Kjeldsen學者指出當氧氣不足時，甲烷氧化菌活性將受到氧氣控制。

20. (4.) 廢水處理廠甲烷消耗濃度變化 • 廢水甲烷濃度消耗變化中，當注入0.1 %甲烷濃度培養至第14 天前，甲烷消耗速率並不明顯，第14 天之後的甲烷氧化率從7 %降至36 %，甲烷消耗持續減少，當第38 天時甲烷氧化率達到99%，如圖4-10 所示。當注入5%甲烷濃度培養至第7 天之甲烷氧化率為60%，第24 天即達到99%，而注入20%甲烷濃度之甲烷氧化率培養至第7 天時達到24%，培養至第24天，其甲烷氧化率維持在73%，如圖4-3 所示。 • 實驗廢水樣品來源，取自於紡織廢水處理廠之厭氧消化槽分別為酸化 • 階段與甲烷化階段，其進流水之 pH 值為 3.5 左右，顯示在酸性廢水中仍有甲烷氧化菌群之存在。Christensen 等學者研究指出，在牧草地及受酸雨林洗之土壤，亦有大量甲烷氧化菌生長，而其甲烷氧化能力較高於一般土壤(57)。廢水W 於5%、20% 甲烷濃度下與不同濕地土壤相比較之下，其甲烷氧化能力亦比不同濕地土壤甲烷氧化速率來得高。

21. 參考文獻 1. http://www.epochtimes.com/b5/10/3/5/n2835838.htm 2. http://210.69.50.225/04/research/chinese/no.16/res(c)16_35-45.pdf