評估可再生能源發展對土壤質素和健康的影響

以下個案故事由 Dr. Helen Glanville 提供,Dr. Helen Glanville 在英國基爾大學工作。在 Gasmet GT5000 Terra 氣體分析儀的協助下,研究人員在能源區進行取樣活動來取得土壤狀況的數據。

背景

在 2019 年 9 月,基爾大學被授予計劃許可,把校園農地轉換成再生能源區。由能源公司 ENGIE 資助的發展將會包括兩台風力發電機、用來儲存所生產電力的工業規模電池和 15,000 塊太陽能電板 (圖 1)。在 2030 年前變成碳中和是大學承諾的一部份,亦是大學新低碳能源項目的一部份。


圖1:太陽能電板和風力發電機 (來源:基爾大學)

在 2020 年初,初期工程已開始了 (工程因2019冠状病毒病停滯了,只由 2020年尾/2021年頭開始)。鑑於原有時間表縮短,由 Dr. Helen Glanville 領導的研究團隊在 2019年12月迅速地織成取樣活動,在發展開始前建立土壤狀況的基線資料集。這些取樣活動嘗試由地面以下到土壤大氣層介面,建立場地多層地圖。研究團隊包括多項訓練隊伍,並包括大學本科生和研究生、博士生、技術人員和研究人員,他們來自不同學科領域,包括環境科學、地質學、自然地理學、可持續發展和生命科學。這新發展提供獨特機會在一般英國農地創建規模化可再新項目的環境生命週期評估。由項目初期到完成,當中結合多項訓練分析,包括碳、環境和經濟等特性。

我們做了什麼:我們的取樣活動

我們初期的取樣活動在2019年12月中展開,土壤狀況遠離最佳時機。那時早上地面開始結冰 (圖 2),然後一旦融化,場地變成似是一片泥濘。不過,我們決定堅持不懈地向前進,因知道只有很有限的機會來收集基線數據 (如果我們只知道冠状病毒病將會延誤開始,我們可以在每年更和緩的日子取樣!)。


圖 2:場地結冰狀況 (圖片提供:Luke Hobson)

考慮到場地的規模,在我們的短時限內收集數據,我們選擇只在細面積 50 x 50 m2取樣。我們選擇可能看到大量活動的地方 (圖 3),包括其中一台風力發電機、一些太陽能電板和電池儲存區的位置。我們選擇分層隨機取樣方式來最佳代表所選位置。每點利用即時動態全球導航衛星系統定位,所以我們可以在不同發展階段返轉頭在相同位置取樣。

圖 3. 左部份描繪計劃發展的場地,以綠色方格來凸顯取樣位置。右部份刻畫場地的航拍影像,以紅線表示界線、綠色方格表示取樣範圍,並以紅色圓圈表示我們的取樣點 (影像提供:Ben Davenward)。

我們測量了什麼及為何:土壤質素和健康

土壤質素是衡量土壤有多好可以進行特定功能,一般聚焦在土壤的地理、化學和生物特徵,例如土壤結構、營養狀況、微生物活性等等 (圖 4),這些往往反映土地管理實務。此外,土壤健康描述土壤對於適應改變的彈力,例如土地用途改變、氣候壓力等等。在我們的研究中,我們想探討這兩方面,因為兩方面是明確鏈接的,兩方面將會有可能透過場地發展而受到影響。


圖 4. Dr. Helen Glanville 和 Dr. Adam Jeffery 收集土壤樣本帶回實驗室來評估物理、化學和生物特徵 (圖片提供:Luke Hobson)。

取樣土壤的物理特徵

土壤的物理特徵對於土壤內是否可維持生命是很重要的,因為它影響土壤儲存必要的水、空氣和營養的能力。在研究內,我們取樣來取得容積密度、組織分析和土壤含水量。這些測量將會有助了解土壤結構的角色,如何影響這場地的溫室氣體排放。還有,我們利用磁能表現電導率 (EM-31) 裝置來進行了場地的地球物理测勘,以非破壞性的方式來調查地面以下 (圖 5),包括土壤、地下水特徵、淺海地質學、或任何可能影響範圍內電導率的被隱藏處。這亦將會讓我們評估工程對土壤壓實的影響 ,反而可能對持水量有影響,可幫助提供場地週圍的土地管理決策資料,改善土壤質素。


圖 5. Ben Davenward 和研究生進行 EM-31 地球物理測勘,測量地面以下的磁能表現電導率 (圖片提供:Luke Hobson)。

取樣土壤化學特徵

土壤化學特徵影響土壤裡的生物活性,並影響植物在地上生長。土壤的物理特徵亦對土壤營養狀況有強烈的影響,因此需要從氣候、地上植物和人為造成或修復等因素著手。在此,我們取樣土壤樣本並進行一連串的化學提取來測量土壤 pH、磁能表現電導率、有效營養物 (NO3、NH4、 PO4)、固體和溶解狀態的有機碳和氮,並且測量土壤陽離子交換能力。我們亦安裝了 rhizon 取樣器 (圖 6) 直接通往土壤孔隙水原位,不過接近零溫度讓取樣具挑戰,因為大部份土壤以冰狀鎖住,因此用不上。最後,我們利用 Niton XL3 便攜式 XRF 分析儀進行原位土壤元素分析,能夠分析土壤裡的化學物全貌。在受控制的實驗室條件下,比較便攜式 XRF 和進行全面 ICP-MS 分析的測量元素成份,亦將會提供我們機會來測試原位分析的可靠性。


圖 6. Rhizon 取樣提取土壤孔隙水來分析土壤水營養化學 (圖片提供:Ben Davenward)。

取樣土壤生物特徵

土壤是活生生的、呼吸個體,結合物理和化學特徵可影響住在泥土裡的微生物的結構和組成。在此,我們進行原位蚯蚓計數和物種辨識,並收集土壤作微生物生物質測定和 DNA 定序。工程初期將會有可能對土壤生物群落有即時影響,但土壤群落如何回應改變是特別另人感興趣,我們會否辨認出群落結構的轉移是因土地用途改變的結果。另一個感興趣的地方是由風力發電機引起的潛在震動可能怎樣影響蚯蚓的行為。再者,我們正在尋求與大學的物業處隊伍和建築公司合作,探討有何方法可以不單只增加場地的地下生物多樣性,但亦增加地上生物多樣性,例如探討太陽能板週圍的植物體系,從而培植不同傳粉媒介種。

土壤有機生物亦負責溫室氣體排放 (尤其 CO2、N2O、CH4 和 NH3)。土壤物理干擾是主要的溫室氣體發射體,而這場地要成為再生能源區,我們想嘗試在工程時和工程前後計算溫室氣體的淨流失。我們希望透過這些工作,可以創建規模化可再新的環境生命週期評估,特別集中在土壤排放。為了達到這目標,我們接觸 Gasmet 的 Ola Szymon 看看借用 GT5000 Terra 便攜式 FTIR 氣體分析儀的可能性,因為我們只可測量 CO2,而不能測量任何其他重要氣體。令我們高興的是,Ola 也很高興並願意在我們的取樣活動時前來協助。這對我們來說是絕佳的機會,看到裝置在運作 (圖 7),並看到分析儀如何迅速地同一時間原位測量多項氣體。寒冷的條件不會影響它的性能,我們成功地能夠在一個下午完成一系列完整的取樣點。

圖 7. 左:Gasmet GT5000 Terra FTIR 氣體分析儀收集溫室氣體測量。右:Gasmet 的 Ola Szymon 和基爾研究團隊進行測量 (圖片提供:Dr. Helen Glanville)。

雖然我們的取樣活動在仲冬進行,在低溫下,這是測量土壤生物活動的次優條件,我們分辨到在不同取樣範圍所測的 CO2 和 CH4 的變化 (在圖 8 只展示 CO2 的數據),並且不同的土壤電導率讀數,顯示在場地的不同位置土壤含水量之改變,可能驅使這變化。


圖 8. 在我們的取樣場地,由 Gasmet GT5000 Terra FTIR 分析儀測出CO2 流通量數據。

下一步?

我們下一步會處理原始數據集,創建場地的多層模型來研究地面下、地面和大氣層的互動。由於2019 冠状病毒病在 2020 年初發生,我們不被許可進入校園,所有我們的教學移到網上傳授,這令到我們的分析停滯,而需要一段長時間。我們的下一步包括:

  1. 進行植物和生物質調查 – 理想地,我們希望在植物生長季節 (3月-9月) 進行這調查。
  2. 進行場地的細哺乳動物調查來評估對本地物種的影響。
  3. 為基線數據的營養分析作完整的實驗室分析。
  4. 進行額外多光譜及熱紅外無人機運動回復結構攝影測量法調查來繪制土壤濕度、植物、溫度、和地形面貌。
  5. 在整個場地發展進行額外土壤調查來評估土壤健康。
  6. 在整個場地建立熱地圖來顯示空間變異性和特徵相互作用
  7. 完成整個規模化可再新項目的生命週期評估
  8. 探討在發展場地上新的土地管理實務,改善泥土以上和以下的生物多樣性,並培植不同傳粉媒介種。
  9. 設計和執行新的研究實驗作為我們的生活實驗室的一部份,探討太陽能電板和風力發電機對土壤的物理、化學和生物特徵的影響。

最後的備註:

我們想感謝 Ola 和 Gasmet, 一接到通知便協助我們進行這研究,並把 GT5000 Terra FTIR 分析儀借給我們。我們亦非常興奮宣佈基爾大學最近已獲得 UKRI 世界級實驗室資助購買我們自己的氣體分析儀。我們已選擇 DX4015,因為這已有額外功能來應付潮濕環境,讓我們不單可在陸地,亦可在水生環境取樣。我們希望在這年尾將能返回校園,並可以繼續這令人興奮的研究之道。


圖 9. 證明陽光確實出來了 (至少一次) (圖片提供:Luke Hobson)

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寒冷的條件不會影響它的性能,我們成功地能夠在一個下午完成一系列完整的取樣點。

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