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處處可見的藻華(algae bloom)是因為過量施肥?或者其他?

學過美國地理的朋友應該都知道五大湖吧!筆者當年就對五大湖印象深刻,後來才知道,原來五大湖的湖水深淺各不相同。

其中伊利湖(Lake Erie,下圖深藍色部分)是五大湖中水最淺的一個湖,平均水深只有18公尺,而西岸的水尤其淺。最近因為發生了嚴重的藻華狀態,使得位於俄亥俄州的Toledo市(位於伊利湖最西邊的尖角上)因為藍綠菌微囊藻(cyanobacteria )Microcystis 所產生的毒素,市長被迫在數週前要求市民不得飲用自來水。

伊利湖,圖片來源:維基百科
但是,這樣的狀況其實在美國發生的頻率愈來愈高。去年在Toledo市附近的一個小城也因為同樣的理由必需要求市民改喝礦泉水。

有些人可能會想:為何不能把微囊藻的毒素去掉就好了呢?原來,被微囊藻污染的水,不能經由煮沸將毒素除掉--毒素不怕熱,而微囊藻會因為加熱煮沸而死亡,釋放更多的毒素到水中;要除掉毒素必需要加入化學藥劑以及使用活性炭才能去掉毒素,整個過程非常的昂貴。因此,一旦水中的微囊藻濃度超標,除了叫大家喝礦泉水之外別無他法。

微囊藻(Microcystis aeruginosa)。圖片來源:維基百科

而這些微囊藻又怎麼會大量繁殖呢?原來是因為湖裡面的有機磷含量過高,使得微囊藻大量繁殖。過去,在伊利湖周邊的城市,為了解決有機磷排放的問題,已經規定洗潔精、洗衣粉等家用清潔劑不得使用含磷的產品;而這項措施使得排入伊利湖的有機磷減少了三分之二。原本以為這樣應該就可以不必再煩心藻華的問題,但是伊利湖附近的農場卻為附近的居民帶來了另一個問題:過量施肥。

原來,農場習慣在前一年的秋天、冬天或當年春天在作物尚未種植之前,先在田地裡施肥(應該是稱為基肥),這樣農作物種下去以後,就會有足夠的養分。可是這樣的施肥法,使得大部分的肥料(氮與磷)都隨著雨水流到附近的河流,以及湖泊--對於Toledo附近的居民來說,就是伊利湖。

估計農夫施放的肥料(主要是氮與磷),大約有60%都流走了;為什麼氮與磷會這麼容易流走呢?

原來,土壤顆粒的主要成分是矽酸鋁(Al2Si2O5·(OH)4),而矽酸鋁帶負電,造成陽離子容易吸附;但是植物能吸收的氮與磷的形式是硝酸根(NO3-)與磷酸根(PO4-3),這些都是帶負電的離子,當然與土壤顆粒同性相斥。於是造成氮與磷在土壤中很容易流失,而這兩種礦物質的缺乏,也是最容易影響到農作物產量的原因。

因此,農夫主要施放的肥料也以氮與磷為主。可是,放得愈多,隨著雨水流到附近的河川、湖泊的就愈多;氮與磷濃度上昇後,藻華就出現了。

事實上,伊利湖並不是唯一有藻華問題的湖泊。在美國本土50州,都有藻華的問題。包括家庭廢水中的清潔劑中的有機磷、農田施肥後隨灌溉水、雨水流出的氮與磷、牧場處理過的動物污水中的氮與磷,都使得河流與湖泊中的氮與磷濃度居高不下。

農場不是唯一造成藻華的原因,牧場的污水也「貢獻良多」。
圖片來源:維基百科
藻華如果繼續發展下去,附近的生物也會因為缺乏光線、養分、氧氣等原因而死亡,使得附近的水體成為「死亡水域」(Dead zone)。死亡水域並不只有發生在淡水水域,近海也經常發生。在美國,今年(2014)密西西比河口的死亡海域約有一萬四千平方公里,大約是康乃狄克州(Connecticut)那麼大;而去年(2013)則有麻省(Massachusetts)那麼大(大約是二萬七千平方公里)。

類似的狀況在巴西與中國也年年出現。但是,回頭看現在在美國的俄亥俄州,由於圍繞在伊利湖周圍的居民都已經改用不含磷的家用清潔劑多年,使得農場成為眾矢之的。

但是,要讓農夫改變他的習慣很不容易。在美國國家廣播電台(NPR)的一篇報導中,幾位受訪的農場場主都不認為自己有過量施肥。而且他們在過去十年也已經將肥料的使用量降低了。

是否應該對於肥料的使用,以及牧場污水的處理的技術,進行更進一步的研究呢?相信應該已經有相關的專家在進行這方面的研究,只是,在問題真正解決之前,恐怕這件事在美國,年年還有得吵。

參考文獻:

8/8/2014. David Biello. Deadly Algae Are Everywhere, Thanks to Agriculture

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為什麼「種豆南山下,草盛豆苗稀」?

陶淵明在「歸園田居」詩中,曾經提到「種豆南山下,草盛豆苗稀」。這首詩大家都很熟了,也是很受歡迎的國文教材,但是,有多少人認真去想為什麼「草盛豆苗稀」呢?難道只是因為陶淵明不會種田嗎?

雖然根據歷史的記載,「歸園田居」可能真的就是在他剛隱居的時候寫的(1);而在那時候,可能他的耕種技術也的確是還有待提升;不過筆者卻認為,從生物學的角度來看,「草盛豆苗稀」也不全是耕種技術的問題。

首先,我們來看一下氣候。陶淵明隱居的地點在潯陽柴桑,也就是現在的江西省九江市星子縣。當地是北緯29.44度,在北回歸線以北,屬於濕潤型亞熱帶氣候(2),1971-2000的年平均溫度為攝氏17.03度,每年四月就不再有攝氏零度以下的低溫(3)。雖然還是比臺灣偏北(台北市是北緯25.02度),大致上還是屬於溫和的氣候,植物的種類應該也不會相差太多。即使考慮近年來全球暖化的問題,應該也不會超過攝氏一度(4)。

在亞熱帶的台灣,夏天通常並不是植物茂盛生長的時期。為什麼呢?因為世界上90%的陸生植物是C3植物,這些植物在氣溫超過攝氏30度時,會因為光呼吸作用(photorespiration)造成水分的消耗大量上昇。C3植物(如大豆)在攝氏30度時,每抓一個二氧化碳分子就要消耗833個水(5),於是植物的生長速度就開始變慢。

不過,並不是所有的植物在夏天時生長速度都會變慢唷!有些植物,如玉米、甘蔗等,反而在夏天時長得特別好。為什麼呢?

原來玉米與甘蔗是所謂的C4植物,它們既耐熱又耐旱,跟C3植物比較起來,在攝氏30度時C4植物每抓一個二氧化碳的分子只消耗277個水(5),所以夏天的時候,它們的生長速度ㄧ點都不受影響呢!
說到這裡,讀者可能會想:什麼是C4植物?為什麼它們能夠既耐熱又耐旱呢?
所謂的C3、C4植物,指得是它們在光合作用上的不同。C3植物進行光合作用時,是由卡爾文循環(Calvin cycle)的酵素(RuBisCo,如圖二)直接抓取溶解在細胞中的二氧化碳,與核酮糖1,5-二磷酸(ribulose 1,5-bisphosphate,RuBP)進行反應;


而C4植物則在卡爾文循環上面,又增加了幾個步驟,而且這幾個步驟還跟卡爾文循環在不同的組織中進行呢(如圖三)!為什麼會這樣呢?


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這個問題來自於卡爾文循環的第…

【原來作物有故事】麵包樹 熱帶果實引發電影傳奇

第一次聽到麵包樹的名字,是在小學的校園裡。當時老師說麵包樹雖然果實真的長得像麵包,但因為台北太冷了,原生於熱帶的它沒辦法在台北開花結果。

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目前的研究認為麵包樹源自大洋洲新幾內亞、馬來半島、與西密克羅尼西亞。台灣的麵包樹原生於蘭嶼。在蘭嶼,麵包樹稱為“chipogo”,達悟族人用於製作船首、船尾板、坐墊,及住屋用的宗柱、主屋之踏腳板與木笠、木盤等用具,而分泌的乳白色汁液具黏性,可以當作粘接劑。

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到了十八世紀,麵包樹突然搖身一變成了「神奇糧食」。到底發生了什麼事呢?原來在1769年與庫克船長乘「奮進號」的英國植物學家班克斯爵士在大溪地看到了麵包樹,因為麵包樹的果實約有四分之一為澱粉、在熱帶地區又長得很好,使班克斯認為麵包樹可能是解決英國在牙買加殖民地奴隸營養問題的解答。於是在1787年,英國皇家科學院派遣邦迪號前往大溪地收集麵包樹帶到加勒比海群島種植。為了這個目的,船上還有一位隨船的植物學家大衛‧尼爾森。

原訂於8月16日出發的邦迪號,因為一連串的延遲,最後終於到了大溪地、收集了足夠數量的麵包樹以後,卻在因為船長布萊一路…

通風報信的植物

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康納(Connor Sweeney)和他在德拉瓦大學的指導教授,最近發現:不只是受傷的植物本身會進行這些防禦機制、附近的植物也會呢!

康納是德拉瓦州(Delaware)的高中生。他因為對科學有興趣,寫了e-mail給德拉瓦大學(University of Delaware)的白斯教授(Harsh Bais),表達希望能進他的實驗室學習。當白斯老師回信說「OK」的時候,康納高興得不得了。

於是他就開始了他的實驗室生活:下課後、週末以及暑假,康納都在白斯老師的實驗室裡種阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)。雖然他也是高中的游泳校隊,但他盡可能地投入時間作實驗。

成果是豐碩的。兩年後,康納在白斯教授的指導下,解出了植物接到鄰居的「狼煙」以後,接下來做了什麼;他們的成果發表在2017年的「植物科學前鋒」(Frontier in Plant Science)期刊上。

以一個高中生來說,這可是個非同小可的成就;康納不只是付出了許多努力,他也細心觀察每一個實驗。因為他夠細心,所以才沒有錯失了重要的發現。

這個重要的發現是什麼呢?有一天他如常地進行實驗:把一株阿拉伯芥用鑷子弄了幾個傷口,準備明天觀察它的反應。不同的是,這次旁邊有一株阿拉伯芥沒有被他弄傷。

第二天他看到了令他不敢相信的結果:旁邊的阿拉伯芥的主根變長、而且還長出了不少側根。

於是他們做了更多測試。他們發現:旁邊有受傷的伙伴的小芥們,主根生長的速度大約…