全球暖化效應的前哨報導:颱風是擾動臺灣高山湖泊碳匯的重要因子
本中心邱志郁研究團隊,針對颱風所造成湖泊水體的劇烈擾動作用,評估其對湖泊整體碳通量的影響。研究結果顯示颱風會導致湖泊生態系的淨生產力下降,甚至由原本的碳匯(固定CO2)轉變成碳源(釋出CO2)的型態。該項發現,即將刊載於「總體環境科學(Science of the Total Environment)」期刊。該項研究成果,有助於瞭解暖化效應對於亞熱帶高山湖泊碳匯的影響。
該研究團隊在鴛鴦湖和翠峰湖兩處高山湖泊,架設監測系統,長期追蹤湖泊代謝和碳通量變化。在全球湖泊生態觀測網(包括23個參與國家和超過140個湖泊)的合作體系當中,臺灣的這兩處高山湖泊扮演極為獨特而珍貴的價值。因為只有這兩處湖泊是亞熱帶的天然湖泊,得以監測颱風、極端天氣型態變化對生態系的影響。此外,還有一項特點:國外的湖泊水體的更換速率長達數百甚至是數千年,臺灣的高山湖泊卻幾乎每年都可完全更換,具備湖泊生態研究的獨特意義。遂此,吸引許多國外研究機構共同合作研究,解析臺灣高山湖泊的長期監測資料。
這兩處高山湖泊的海拔高度相近,但因為環繞湖泊的森林型態不同,造成湖泊水體的營養條件有別。鴛鴦湖周邊是原始檜木林,土壤和其中的無機營養物質被根系和檜木植體所固定,極少被雨水帶入湖泊水體,湖泊呈現貧營養的狀態;翠峰湖則是砍伐後的檜木人工林,受到干擾過的土壤會隨著雨水釋放部分的無機營養物質到湖泊水體,湖泊呈現中度營養的狀態。
湖泊伴隨溫度的變化,水體的密度也隨之改變。夏季的高溫,會造成溫熱的表面水體聚集於湖泊表面,水體的溫度和密度穩定分層的現象,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。湖泊生態系整體碳的收支和排放通量,是伴隨著水體滯留、移動,依據水體中的營養型態帶動藻類和微生物的生長而造成變化。
類似颱風強降雨的極端天氣型態,會沖刷陸地的營養物質、有機質帶入湖泊,並在短時間內混合了整個水體。根據氣象資料、水體垂直剖面溫度、溶解無機碳、水溶性有機碳、葉綠素 a 等資料,應用三維環境模型,得以評估颱風對於水體的擾動作用,如何影響湖泊生態系碳的收支和排放通量狀況。
中等營養湖(翠峰湖)比貧營養湖(鴛鴦湖)具備較高的淨生產力(固定CO2的碳匯功能)。亦即,中等營養湖水體中的藻類,能夠更有效率地藉由光合作用,將大氣的CO2轉化成為有機物的型態儲存於湖泊。颱風的強降雨和強風造成水體的劇烈擾動效應,對於湖泊生態系的淨生產力和碳通量構成重大的影響。颱風對於水體的劇烈擾動,供應了大量的氧氣到湖泊水體,可進一步促進微生物將湖泊水體和湖泊底部所累積的有機態碳分解,釋放CO2到大氣。因此,經歷颱風之後,湖泊淨生產力會呈現下降的現象。甚至由原本的碳匯(固定CO2)轉變成碳源(釋出CO2)的型態。
此項發現,呼應了該研究團隊先前的研究結果(Chiu et al. 2020; Lin et al. 2022)。這兩處高山湖泊雖然都是位於高雨量的雲霧帶,但近年內也觀測到暖化效應所導致的乾旱現象。乾旱會導致高山湖泊周邊森林土壤有機物的分解作用,進而在乾旱的次年,有大量的土壤有機物被帶進湖泊水體。致使湖泊生態系從原本的碳匯轉變為碳源(淨釋出)的現象。
本篇論文的第一作者林浩之,先前為本中心邱研究員的研究助理,目前就讀於日本神戶大學,即將取得博士學位。通訊作者為邱研究員和神戶大學的Nakayama教授。
Lin, H.C, Tsai, J.W., Tada, K. Matsumoto, H., Chiu, C.Y.*, and Nakayama, K.* 2022. The impacts of the hydraulic retention effect and typhoon disturbance on the carbon flux in shallow subtropical mountain lakes. Science of the Total Environment 803, 150044. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.150044.
相關研究
- Lin, H.C., Chiu, C.Y., Tsai, J.W., Liu, W.C., Tada, K., and Nakayama, K. 2022. Influence of thermal stratification on seasonal net ecosystem production and dissolved inorganic carbon in a shallow subtropical lake. Journal of Geophysical Research – Biogeosciences (in press)
- Chiu, C.Y., Jones, J.R., Rusak, J.A., Lin, H.C, Nakayama, K., Kratz, T.K., Liu, W.C., Tang, S.L., and Tsai, J.W. 2020. Terrestrial loads of dissolved organic matter drive inter-annual carbon flux in subtropical lakes during times of drought. Science of the Total Environment 717, 137052.