自然為本的氣候變遷解決方案：「紅樹林濕地生態系統」

蔡正偉

國立屏東科技大學農學院生物資源博士班

以自然為本的方法協助碳吸存

18世紀工業革命後人為活動所排放溫室氣體導致全球大氣平均溫度上升近攝氏1度，這和近年來世界各地越趨頻繁的極端氣候事件，例如暴雨、乾旱及熱浪的強度與發生頻率有高度的關聯(IPCC 2019)，為解決此一當前人類共同面對的環境危機，2021年11月聯合國氣候變遷大會(COP26)建立淨零排放目標，並提出了包括自然為本的解決方案(Nature-based Solutions, NbS)在內的四種解決模式[其他三種解決方案包括：科技為本的解決方案(Technology based Solutions, TbS)、行為為本的解決方案(Behavior based Solutions, BbS)及市場為本的解決方案(Market-based Solutions, MbS)]，會後各國承諾依據國情及產業結構，發展在地化的解決方案，來移除大氣中過量的二氧化碳以減緩氣候變遷危機(中技社 2022)。

根據世界自然保護聯盟(International Union for Conservation of Nature, IUCN)的定義，所謂自然為本的解決方案(NbS)是指「保護、永續管理和恢復自然或經修改的生態系統之行動，這些可有效應對社會挑戰(氣候變化糧食和水安全或自然災害)，同時有益於人類福祉和生物多樣性」。其核心觀念為將森林、海洋、土壤、岩石與生物體等自然界固定及儲存碳的生物地球化學循環區塊視為主角，希望藉由科技與管理的手段來強化他們作為碳匯(Carbon sink)的能力，由於NbS具有高度技術成熟性與低操作成本的優點，在解決氣候變遷危機方面可以發揮至關重要的作用(Seddon et al. 2019)，根據世界自然基金會(World Wild Fund, WWF)最新分析報告指出，包含我國在2022年3月正式公布「臺灣 2050淨零排放路徑及策略總說明」在內 (國家發展委員會等2022)，目前NbS已經被92%國家納入國家自定貢獻(Nationally Determined Contributions, NDCs)的氣候行動中，希望運用自然生態系的力量來協助碳吸存以調適氣候影響。

海洋(藍碳)及濕地(青碳)的優勢及運作原理

自然碳匯主要包括海洋(藍碳)、濕地(青碳)、森林(綠碳)以及土壤(黃碳)碳匯。臺灣四面環海，擁有面積廣大的沿岸藍碳及青碳生態系統，包括了鹽沼、紅樹林、海草床及內陸濕地等沿岸及水域植被生態系(Mcleod et al. 2011; IPCC 2022)。有別於森林及土壤等陸域長期被關注的自然碳匯，「藍碳」及「青碳」生態系是2011年後才開始興起的新研究主題，因研究發現紅樹林、大型海藻及海草以及浮游藻類這些水域初級生產者具有極高的初級生產力，例如紅樹林的平均年二氧化碳吸存率為每公頃6~8公噸，大約是熱帶森林的2~4倍；在碳封存能力上，濱海藍碳生態系，其全球總碳儲存量約為73Gt CO_2e，年封存率約為0.4 Gt yr^-1明顯高於綠碳(McLeod et al. 2011)。這樣的優勢主要是「藍碳」及「青碳」這些水域生態環境的底質及沉積物因為長期被水體淹沒覆蓋，大量堆積的有機質在旺盛的微生物耗氧分解作用下，呈現出長期低氧甚至是缺氧環境特性，因此持續從周圍陸域環境藉由水流輸入或是本身製造的各類有機物質以及沉積物不易被分解(中技社 2022; 林幸助 2022)，這樣的特殊的環境特性使得「藍碳」及「青碳」生態系成為了區域生態系碳素生地化循環過程重要的「儲存」與「轉換」熱點(hotspot)(圖1)，因此，其碳吸存及碳儲存能力較陸域森林高了數十倍以上(圖2)；相較之下，陸域生態系因土壤氧氣含量較高，所以堆積於土壤中的有機物質比較容易藉由微生物再礦化分解作用，轉變成氣態的二氧化碳或甲烷釋放返回還大氣中，因此可被存留在土壤中的碳素部分較低(中技社 2022)。

紅樹林溼地生態系的固碳條件

紅樹林溼地生態系是大眾最熟悉且在國內是面積最大的沿岸藍碳(林幸助 2022)，然而需要注意的是，紅樹林濕地底質的厭氧條件使其可能成為甲烷(CH₄)產生及排放場所，因此CH₄排放潛勢便成為決定紅樹林是否能作為碳匯的重要因素。濱海藍碳生態系因為長時間被大量海水浸泡，所以有大量硫酸鹽存留於底質與沉積物中，所以在紅樹林厭氧環境中同時發生產甲烷作用與硫酸鹽還原作用過程中的甲烷菌與硫酸鹽還原菌之間對有機物基質(碳水化合物、有機酸醇類及芳香烴類) 競爭作用。相較之下因為還原菌利用、分解有機質的反應具有較高的熱力學優勢，因此造成甲烷菌競爭能力下降而降低甲烷的製造與排放(Barnes et al. 2006; Oremland & Polcin 1982)，所以在鹽度較高的環境下通常紅樹林濕地的甲烷排放潛勢較低，也就是會具有較高的碳儲存能力(Maltby et al. 2016)。

此外，紅樹林濕地水體中的溶解性有機質(dissolved organic matter, DOM)主要是由惰性較高的由植物代謝所產生的酚類化合物(Phenolic compounds)組成，高濃度酚類化合物會抑制濕地中的微生物族群製造苯酚氧化酶(如Tyrosinase, TYR)來降解底泥中的有機質，進而促成有機質在紅樹林溼地環境中碳累積和儲存(Zack et. al 2019)；當乾旱及污染等環境壓力產生時會引起「門閂機制」(Latch Mechanism)造成微生物TYR的表達上升，這將導致土壤大量堆積的有機質分解速度加快，導致大量二氧化碳釋放到大氣中，而持續造成溫室效應加劇(Freeman 2001)。

跟其他的農林業環境系統及自然生態系一樣，當紅樹林等藍碳及青碳系統遭受人為破壞或面臨自然退化過程時，可能會改變微生物組成及分解碳能力的變化，造成原本儲存於其中的碳大量被釋放，反而對溫室氣體排放造成正向回饋作用。根據藍碳倡議的數據，退化的沿海生態系統每年釋放多達10億噸二氧化碳(中技社)。因此，了解藍碳系統環境條件變化對水體及底泥物化條件以及初級生產者及微生物族群間的競爭消長，可提供維護藍碳生態系碳吸存及固定、達成利用自然碳匯達成淨零排放目標提供重要科學知識。

紅樹林濕地藍碳生態系應用的未來展望

雖然紅樹林溼地生態系等藍碳及青碳系統為我們提供了容易操作應用且較低成本的碳吸存生態系服務；然而，生態系本身其實是一個大型的有生命有機物複合體，因此，如同個體生物會有生理表現上的變動性一樣(例如我們體溫、血壓、血糖及呼吸)，這些水域自然碳匯能力表現會隨著外在環境改變(如降雨、氣溫及土地使用等)以及本身的生態特性條件[如營養狀態(trophic status)、光合作用效率及食物網組成]表現出差異很大的時間與空間變異性(Macreadie et al. 2019)，而且生態系面積廣大組成複雜，監測資料的取得及代表性常具有爭議性，因此NbS的碳吸存的效率及持久性充滿了不確定性，尤其當面臨自然與人為干擾頻繁作用下(如優養化、水文流場改變、沉積物流失、海平面上升和沿海開發利用等)的碳吸存能力動態反應模式、相關的控制因子交互作用、作用機制以及儲存年數和潛在負面影響目前仍不清楚；所以關於紅樹林濕地及其他NbS的相關基礎研究仍有待持續發展、建立完整碳匯數據資料庫，持續而有系統的監測、分析、查證(MRV)以及積極管理現有紅樹林濕地等NbS的碳吸存的效率(中技社)。

參考文獻

國家發展委員會、行政院環境保護署、經濟部、科技部、交通部、內政部、行政院農業委員會、金融監督管理委員會(2022)。臺灣2050 淨零排放路徑及策略總說明，80 頁。

財團法人中技社(2022)。碳匯之發展趨勢及國內策略研析。

林幸助 (2022)。臺灣沿海重要碳匯生態系統調查與評估計畫，海洋保育署。

IPCC. (2022). IPCC AR6 WGIII Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change, Summary for Policymakers Change.

Mcleod, E. et al. (2011). A blueprint for blue carbon: Toward an improved understanding of the role of vegetated coastal habitats insequestering CO2. 9(10), 552–560. https://doi.org/10.1890/110004.

Macreadie PI. et al. (2019). The Future of Blue Carbon Science. Nature Communications10: doi: 10.1038/s41467-019-11693-w

Maltby, J. et al. (2016). Microbial methanogenesis in the sulfate-reducing zone of surface sediments traversing the Peruvian margin, Biogeosciences 13: 283–299, https://doi.org/10.5194/bg-13-283-2016.

Seddon, N. et al. (2019). Grounding nature-based climate solutions in sound biodiversity science. Nature Clim Change 9: 84–87. https://doi.org/10.1038/s41558-019-0405-0.

Zack, D. et al. (2019). Unraveling the importance of polyphenols for microbial carbon mineralization in rewetted riparian peatlands. Frontiers in Environmental Science 7. https://doi.org/10.3389/fenvs.2019.00147.

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