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生態工程的生態系統理論第3章生態與工程間的鴻溝第4章大自然中有一個看不見的尺度第5章泥碳湖邊的徘徊第6章生態系統與生物多樣性第7章生態系統與棲地理論第8章生態系統的調控機制第9章生態系統的演替與發展第10章生態系統的更新與人為參與第11章生態系統在工程上的實踐第貳篇-9-第3章生態與工程間的鴻溝1919年美國生態學會(EcologicalSocietyofAmerica)在聖路易召開成立大會時，學會主席墨里(Dr.BarringtonMoore)(1)就提出生態學是一門整合的學科，他說道：「生物學的領域愈來愈廣泛，各學門的分支愈來愈多。生態學是將生物學各學門的相關性，依著邏輯再作整合的學門。」這些學科，當時不只包括生物學的傳統領域：動物學與植物學，也包括森林學、地理學、礦物學、土壤化學、土壤物理學、細菌學與地質學等，但是不包括工程學。生態學的瓶頸生態學是探討生物與環境相互影響的科學，但是美國喬治亞大學生態學院的葛利教授(FrankB.Golley)(2)卻提出，在生態學的發展上，只考慮到自然環境對於生物的影響，一直未考慮到人為對生物的影響。主要的原因是許多生態學家認為自然環境是給予者，所以人不應該去改變；自然環境是經過長時間緩慢演替的結果；演替的結果產生優勢的群落，能夠全然適應環境，是最佳的狀態，因此不需要人為的介入。但是工業革命以來，自然環境不斷地受到人為的影響，全世界已無任何地方能夠脫離人為的影響。而且人為的影響並不全是有害的，大自然的變化充滿了不確定性，早期人類要生存，必須耕種作物；人類要來往，必須搭橋築路；人類要居住，必須建築。耕種田地、搭橋築路、建築房子都改變了原來的地形地貌。不過耕種，可以預期有收成；搭橋，可以預期過河；建築，可以預期遮風擋雨。人為了生存，必須在土地、河川、建築上改變大自然，才能獲得可以長期預期的結果。束手無策的對策也有些人為的影響對環境是不利的，如環境污染、臭氧層破壞、生物棲地破壞、生物瀕臨滅絕、資源枯竭等。生態學家由於研究生物與大自然的關係，最了解生物受到的威脅，他們最早發現問題，卻不易提出解決問題的方法。因為生態學的基本邏輯是抽離人為的影響。因此，生態學家經常認為解決問題最好的方法，就是不採取行動，將人的影響抽離，讓自然演替去進行。哪裡的生物棲地受破壞，不讓人進去就可以了；哪裡的工廠是污染源，命令遷廠就可以了；哪片濕地淤積劣化，那就讓濕地陸域化。結果，需要保護的地方愈來愈退到邊陲。難道改善環境的工程都是那麼邪惡嗎？難道工程師不了解保護自然環境的重要性嗎？水域生態工程－人工濕地-10-工程師對生態的重視工程是應用科學的原理去規劃、設計、建造與維護。而科學思考都來自對於自然物質的探討，最後都會接觸到自然的問題，因此工程的執行並非與生命無關。例如十六世紀的科學家帕利西(BernardPalissy，1509-1590)提出造林時，就是為了保護土壤避免被沖蝕。造林是人為活動，在保護土壤上並沒有與自然化育土壤的功能相牴觸。十七世紀的科學家聖托力歐(SantorisSantorio，1561-1636)提出醫院建築要貼近流水邊，使病人如同躺臥在可安歇的水邊，可見建築工程是有考慮到自然環境的因子。十八世紀的科學家杜波埃特(P.L.G.DuBuat，1734-1809)，就提出水流經過不同土地時，承受不同的摩擦阻力，去設計自來水在自來水管中的流動。十九世紀的科學家金恩(F.H.King，1848-1911)提出土壤永續使用的施肥與灌溉工程，證明工程是可以考慮環境資源，以利土地的長期經營使用。這些思潮對於近代工程發展的影響是顯著的。所以在1850年代，就有一群土木工程師稱自己是衛生工程師，他們在克里米亞戰場上，配合南丁格爾的建議，興建通風的建築、排除積水以及改善飲用水質，大大地減少當地士兵的死亡率。戰後這群工程師結合化學的技術，發展都市污水膠凝沈澱，改善市區排水的惡臭；又實施公共飲水的加氯消毒，有效抑制藉水傳播的流行病。到了二十世紀，在美國麻省理工學院第一位女教授理查絲(E.S.Richards，1842-1911)的推動下，在傳統的土木工程學科增設「環境化學」、「生態環境學」與「環境微生物學」的課程，開啟了近代的「環境工程學」。近代工程的迷思但是傳統的工程有一個基本上的迷思—─完全以解決「人的經濟利益與生活的安全」為目標，未考慮對於其他生物的影響。因為光是人的需要，工程師竭盡所能都難以去滿足，為此，工程講求效率，施工期短，所用的機械都是能迅速進出，能快速移除搬運，所用的材料都是迅速凝固，增加強度。對於大自然的影響與其他的反應，在工程完工後，則是生物自己要去適應的。1990年代，當我在在台灣大學講授「濕地生態與工程學」時，仍有念工程科系的學生對我反應：「既然在工程的起初就不考慮生物的問題，工程結束後何必關心生物的反應，該絕種的生物就讓牠絕種。」這個學生並沒有惡意，例如道路拓寬的工程進行時，若需要拆屋，附近的居民就要被迫拆遷，擋路的樹木要移走，路邊的湖泊要填塞，在講求工作效率之前提下，怎能顧及野生鳥類的反應或水中魚類的感受？在享有充分科技成果的時代裡，仍然有人像黑暗洞穴中的繪畫者想到外界的動植物，思索「如果只有人類享受一切自然資源，卻讓動植物瀕臨絕種、滅亡，這叫真幸福，真喜樂嗎？」於是有人開始重新思索，如何將工程與生態結合，讓人與動植物一起歡喜快樂。這是真實、可行的做法嗎？還是夢想家的囈語？也許這是人類生命力活潑的表現第3章生態與工程間的鴻溝-11-，不管時代的阻力有多大，不管政治、社會的壓力有多少，總有少數人秉持追尋夢想的火把往前去，想在那幽暗的洞穴中，刻畫出一道道的線條。-12-第4章大自然中有一個看不見的尺度－田斯利生態系統的產生要研究大自然的變遷，首先要有一把量測大自然的尺。這把尺，是肉眼看不見的，卻存在於大自然中，這把尺稱為「生態系統」。生態系統的概念，是劍橋大學生態學教授田斯利（A.G..Tansley）在1935年首先提出的。田斯利是近代自然科學的傳奇人物，他提出「生態系統」一詞，目前已經被許多領域所廣用，甚至成為報章雜誌的流行用語，但是，這名詞背後的思索，對生態系統理論的發展，至為重要。善於編輯的人田斯利生於1871年，他從小就是植物的愛好者，而且善於植物分類，他在學生時代就經常調查田間的植物與花朵，與人分享。大學時，他已發表海邊綠藻的調查與分類的研究報告。不過，他對於蒐集資訊與編輯書籍也很感興趣，因此閱讀廣泛，1896年自己主編雜誌「田斯利評論」（TansleyReview），分發朋友。大學畢業後，他留校擔任講師。1901年，他主編一個新的學術期刊「新植物學人」（NewPhytologist），擔任總編三十年之久，使這期刊成為普世植物學研究最具學術權威的期刊。不過他認為成立這份學刊的目的，是「提供植物學者一個溝通與討論的學術園地，並且使學術研究的成果，能成為教師教學與研究的素材。」多樣化的興趣1913年，他組織「英國生態學會」（BritishEcologicalSociety），並出版「生態學期刊」（Ecology），這一份期刊迄今仍是生態學界最著名的期刊之一。但是他興趣廣泛，轉而研究心理學，後來與佛洛依德的看法不同，又轉回生態學。1927年，他升任植物學教授。他的妻子是個傑出的植物插畫家，他最好的朋友是著名的生態學家克萊蒙特（F.E.Clements），克萊蒙特的「演替」理論非常著名，是生態學發展初期最重要的理論之一。打破專業的藩籬他提出「生態系統」的這名詞，有其時代的背景。自然科學的發展，愈分愈細，動物學的學者專注在動物，植物學的學者專注在植物，微生物學的學者專注在微生物，土壤學的學者專注在土壤的化育，水科學的學者專注在水本身，氣候學的學者專注在空氣。各種專業，分別佔住大自然的一塊地方，豎起圍牆，建起營寨，編一套專有名詞，訂一些自屬的理論，而後彼此少有來往。第4章大自然中有一個看不見的尺度-13-整合性的知識當時田斯利主編「生態學期刊」，又執生態學界之牛耳，他不認為這是人類瞭解大自然的方式，瞭解大自然必需「整合」知識，對大自然才有較宏觀，且不失細節的認識。當時許多國家處於備戰狀態，為此大力發展採礦、煉鋼、煉油，土地大肆開發、森林大量砍伐，以儲存戰備資源。「這些行為對於大自然的影響，是個可逆性的干擾？還是不可逆的破壞？」這是田斯利教授憂心的關鍵。可是在人類的知識領域裡，能夠提出有力的答覆之先，必須「整合」自然科學的知識，因此田斯利提出植物、動物、微生物、水、土、空氣，只不過是大自然的一部份或「成份」，成份要組合在一起才稱之為「系統」。物理觀念的引入把各成份整合在一起，有許多的名詞可用，如「統合」、「體系」、「整體」、「綜覽」、「鳥瞰」等，簡單易懂，田斯利教授為何卻選用了「系統」這個冷僻的字眼呢？而且系統又有大小之分，到底他的生態系統是大系統呢？還是小系統呢？生態系統與大自然的關係又是如何？如果不在起初就釐清這些問題，生態系統就會模糊不清，淪為人云亦云的流行術語。其實「系統」是個物理名詞，是物理學家認識宇宙的切入點。宇宙似乎有永無止盡的變化，有錯縱複雜的現象，但是宇宙裡有一個非常有趣的現象，如果按著距離尺度去區分，尺度相似的東西，其特性也較類似。宇宙裡相似尺度的均一性例如按著星團而分，宇宙有銀河星座與其他星座；銀河星座裡按著星系而分，有太陽星系與其他星系；太陽星系按著星球而分，有地球與其他星球；地球按著固、液、氣相而分，有陸地、海洋、大氣，與所存活的各樣生物；生物體再依功能往下細分，有組織、器官、細胞、原生質、DNA、RNA，甚至到分子；分子再細分又分為各種原子；原子可再細分成質子、中子、電子，與更基本的微粒。由錯綜複雜的宇宙到細小的基本微粒，在相同尺度之下，才能互相比較，這是物理學裡很重要的信念。以不同的系統來作比較，這是思考邏輯上的偏差。例如我們可以探討猴子DNA與螞蟻DNA的比較，卻無法比較銀河星座與猴子DNA的關係。田斯利教授將生態當成一個新的尺度，就可以比較大自然不同系統之間的差異，這為日後的生態學與生態工程，奠定了重要的基石。水域生態工程－人工濕地-14-將生態數量化的優點田斯利將物理的觀念引進生態學之後，物理學的定律如質量不滅定律、熱力學定律，與反應動力平衡理論等，都進入生態系統的理論架構，將生態系統更精準的量化。這也是傳統的生態學所缺乏的，傳統的生態學偏重田間調查。產生了許多資料之後，需要進一步的量化，方能產生有用的資訊。生態系統不只是一種研究大自然的尺度，而且有能量與物質能夠不斷進出這一個系統，這是生態系統產生變化的推動力。所以量測在這系統內能量與物質的變化，就能量化生態系統的特性。人在生態系統的角色田斯利教授在他的研究報告裡，提出另一個有趣的問題：「生態系統是不是也包括人？」傳統的生態學，考慮的是大自然的因子，而不是人的因子，甚至人經常被定位為負面的角色。但是田斯利教授問道：「人在草地裡放一隻羊吃草，與在大自然裡有一隻羊吃草，會有什麼不同嗎？」為什麼人的畜養羊隻，被認為是破壞生態，但是大自然的羊群，吃掉許多草，卻被認為有利？其實人的影響，如同大自然對生態系統的影響，是外來能量與物質的因子之一。只要人不放牧過多的羊，羊吃草也有助於草原的演替，不該把人一直醜化為大自然的破壞者。生態系統與永續經營因此，生態系統包括人與人為的影響力。人若使生態系統劣化，為何不能去復育？在人口不斷增加的壓力下，若要自然資源的永續化，需要有人去經營生態系統。人既然是生態的一個角色，就該有責任維護生態。田斯利在1937年退休，聲稱「不再追求純學術的研究」，而落實在自然保育的行動。他以生態系統推動水資源的保護、土地的規劃使用，與水土資源保護法案的訂立。1949年，他更擔任「自然保育聯盟」（NatureConservancy）的首任主席，這團體後來成為世界上最大的環境保護組織。1950年，他大力反對當時流行的「將生態當成神」的自然崇拜，大自然持續變動，常不穩定。變動、不穩定的，不是神。同年，英國皇室封他為爵士。他病逝於1955年。參考文獻1.Jorgensen,S.E.andF.Müler,