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：

1. 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)
2. 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.

 

原文轉載自【中央研究院生物多樣性研究中心研究成果】
https://www.biodiv.tw/zh_research-20211208114247