所謂伊人,在水一方──高山湖泊生態(上) | 台灣環境資訊協會-環境資訊中心

所謂伊人,在水一方──高山湖泊生態(上)

2010年08月15日
作者:邱志郁(中央研究院生物多樣性研究中心)

涓涓源水

即使旱魃荼毒大地,環抱森林的溪流,依舊吐放涓涓深情
款款相思,是森林向溪流傾訴衷曲
潺細語,是源自於土壤的矜持和包容

森林經由枯枝落葉,不斷供應有機物到土壤中,維持了土壤的結構機能,讓土壤不至於劣化。原始森林在地面上具備良好的植被保護,土壤不易遭受雨水侵蝕。土壤的孔隙也完整健全,不至於被迅速填補阻塞。這些極其自然而不起眼的特性,卻扮演重要的功能。

台灣高海拔山區的森林和森林地表的深厚腐植層,堪稱是台灣的珍貴資產。彷彿是綿延不絕的超大型厚實毛毯,覆蓋在台灣背脊上。深厚的腐植層具備強大的吸水能力,配合著森林土壤所具備的大量孔隙,足以迅速吸納降雨,緩衝暴雨山洪的危害。地表的雨水透過土壤孔隙,能夠順暢地往土壤內部滲透,挹注到地下水層,或是沿著坡面徐徐釋放到溪流中,以致於乾旱時節,溪谷中還能保有涓涓細流。

無形的綠色水庫,數萬年前即已存在於台灣的高山上,滋養台灣的過去和未來。

高海拔山區溫度較低,低溫限制了微生物的分解作用,造成高山土壤有機物累積的現象。我們藉由核磁共振儀分析土壤腐植質,證實高山腐植質的化學官能基組成具備較高的易分解成份。土壤有機質的組成特性和分解的程度息息相關,易分解成份隨著有機質的顆粒變小而減少。大體上而言,高山土壤腐植化的程度是低於平地的土壤。

微地形環境的差異所造成土壤含水量的差異,也影響了土壤有機物的累積狀態。在山坳底部所形成的高山湖泊沼澤,浸水的土壤缺乏氧氣,阻礙了有機物分解,易於堆積形成深厚的腐植層。未被充分分解的有機物碎屑和水溶性有機物,被帶入湖泊水體,也關係到湖泊生態。

脈脈春水

鴛鴦湖自然保留區位於台灣北部的棲蘭山,擁有台灣少數僅存的原始檜木林。屬於石門水庫上游源頭的鴛鴦湖,地形環境是完整而獨立的集水區(海拔高度介於1,670至2,432公尺之間)。無論是針對生態系模式或是湖泊水文的研究範疇,具備極其珍貴的學術價值。此外,在台灣幾處未受干擾的高山湖泊當中,鴛鴦湖堪稱是交通方便的地點。周昌弘院士於1996年向農委會建議,並獲得資助在當地設置鴛鴦湖研究工作站。本中心承繼經營,得以延續長期生態研究工作不墜。正因為該工作站可有效支援周邊的各項研究,包括例行調查採樣,維護湖水監測系統、氣象站等諸項設施的日常運作,使得底下介紹的諸項湖泊代謝的研究工作得以順利推展。

欲瞭解湖泊生態系中生物的活動和環境的關係,通常可用湖泊代謝的概念加以說明。所謂湖泊代謝,是將湖泊生態系整體視同為一個生物體,探討湖泊生態系生質能量形成(光合作用)和消耗(呼吸作用)的過程中,物質、能量、養分間的動態平衡關係。具體而言,水中生物的呼吸作用,會造成夜間湖水溶氧量下降,可用於估算生態系整體的呼吸作用量。至於白天,除了原本的呼吸作用持續進行之外,更由於初級生產者(藻類、水草)的光合作用積極貢獻水中溶氧,造成湖水溶氧量升高。假設白天和夜間呼吸量相等,湖泊總初級生産力和呼吸量之間的差值,就相當於湖泊淨生産力。換言之,根據湖泊水中溶氧量晝夜的變化,得以求出湖泊生態系每天的總初級生産力、呼吸作用量、淨生産力。藉此得以掌握湖泊的特性(體質和個性),了解各種氣象和環境變化對於湖泊生態系所造成的影響。

簡而言之,當湖泊生態系整體的總初級生產力大於呼吸作用量時,淨生產力為正值,表示湖泊藉由光合作用所累積的生質能量不但足以供應湖泊各種生物消耗,且還有剩餘足以輸出。在能量的利用屬性上,此類湖泊是自營性湖泊,水體溶氧較高。

反之,當淨生產力呈現負值時,表示光合作用所累積的生質能量,低於湖泊各種生物所實際消耗的生質能量。不足的生質能量,就是由環繞湖泊周邊陸域的水流所攜入的有機物供應。在能量的利用屬性上,此類湖泊是異營性湖泊,水體溶氧較低。

2004年我們在鴛鴦湖中央安裝研究用的浮筒,搭載監測湖泊代謝的儀器和無線數位傳輸系統(圖一)。透過無線電發報器和電腦網路,可由遠端的研究室進行遙控和接收數據,並予以計算和建構於資料庫。經由這些系統,我們可以即時並持續地監測湖泊水文的晝夜、季節性變化。有助於克服研究人員無法在現場觀測的限制,能夠有效地監測颱風等重大氣象條件變動下瞬間的水文變化。

(圖一)藉由搭載監測儀器和無線數位傳輸系統的浮筒,可有效監測氣象變動下瞬間的水文變化。

欲建立湖泊代謝模式,必須對於湖泊的本質和運作的機能有基本的瞭解。透過高解析度的這套監測系統,我們得以了解湖泊的季節變化和極端氣候對於湖泊水體擾動的過程,以及湖泊生態承受這些作用所造成的反應。

湖泊在溫暖無風雨的天候狀態下,受到太陽輻射的作用,湖泊水體會呈現溫度分層的現象,尤其在夏季最為明顯。表層水接觸太陽輻射,受熱膨脹密度變小,溫熱變輕的湖水滯留在表層,底層水則維持低溫。於是水體的溫度隨著深度往下遞減,密度則往下增加。水體的溫度和密度呈現穩定的梯度分布現象,阻礙了水體的上下移動,連帶限制了氧氣往底層的供應和養分往表層的輸送,以致於影響到水中生物的生長和分布。進入秋冬之後,這種水體溫度分層的現象才開始被打破。一方面是日輻射變小,一方面是氣溫變低。表層水受到氣溫冷卻,密度變大而下沈,產生了對流作用,使得湖泊水體有了上下混合的現象。秋冬時節水體的混合現象,是構成溫帶湖泊生態系最為劇烈的擾動作用。

台灣的高山湖泊,具備類似溫帶的氣候條件,卻又具有溫帶湖泊所沒有的一項劇烈擾動作用──夏季的颱風和暴雨。這項特質,配合了我們建立的高解析度的監測系統,引發過去湖泊生態研究上所未有的創新議題和試煉。(未完待續 1/2)

參考文獻:
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7) 秋水詩刊136, 67 (2008).

※本文轉載自中央研究院週報第1272期,2010.5.27