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2019-12-20離岸風場對生態系的影響，如何評估？
456 期
Author 作者
楊舒婷、廖品琇、林幸助／國立中興大學生命科學系。
序曲：全球風能的興起
隨著工商業發展與人口成長，人類社會對能源的需求日益增多，能源多數來自於化石燃料或核能。根據政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）在2013年的評估報告顯示，1951~2010年全球暖化主要由人類活動所造成，燃燒化石燃料所產生的溫室氣體佔人為溫室氣體總排放量的80％。
《聯合國氣候變遷綱要公約》（United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC）的目標在於穩定大氣中的溫室氣體濃度達一定程度，避免因人為因素影響而干擾到全球氣候系統。為減少化石燃料的使用及溫室氣體排放量，各國紛紛興起再生能源，包含水力發電、太陽能、風能、地熱能、潮汐能和生質能等。在氣候變化的威脅下，風能是目前被積極考慮的可再生和永續能源之一。
離岸風場的建置有何特性？
風能可分為「陸上風能」和「海上風能」。與陸上風能相比，海上風能具有遠離居民、空間易於利用、風速穩定可進行大規模發電、基樁魚礁效應﹝註一﹞與海洋保護區功能等優點。臺灣海峽擁有相當豐沛的風能資源，夏季西南季風與冬季東北季風盛行，加上臺灣海峽多為水深較淺的大陸棚區，使西部沿岸海域成為良好的風場。
臺灣第一個商業規模的離岸風場海洋風電──Formosa 1──位於苗栗縣海岸約 2~6公里處，共計22架風機（圖一）。離岸風機大多設置於淺海域，且固定於海床上的底座式風機，唯深海域50~400公尺深時則是漂浮於海面上的浮式風機。而所謂離岸風場，指的是將一組離岸風機設置於海域上，降低空間需求與居民鄰避效應的壓力，利用風力推動風機運轉產生電力。
離岸風場的開發流程一般分為三個階段，分別是：開發前置作業（1~5年）、 安裝與試運轉（1~2 年）以及運轉與維護 （持續20~25年）。 離岸風機在建置過程及營運時可能產生某些負面影響，如噪音與電磁場等，並改變或干擾海洋地形、地貌及水文、水質與底質，間接影響海洋生物的生理或行為，也可能對漁業資源造成衝擊，最終可能影響整個海洋生態系結構與功能。因此，評估離岸風場對整體海洋生態的影響，成為離岸風場開發與管理重要課題。
圖一：臺灣第一個商業規模的離岸風場海洋風電 Formosa 1。（作者提供）
利用食物網模式
一解風場所含潛在生態危機生態系的特質常無法由單一生物類群顯現，必須將所有生物類群整合分析後才能得知。透過食物網模式的建構，能將複雜的食物網參數化、具體化外，以摘要性方式描述生態系統的性質，也能藉由食物網機制預測生態系遭遇擾動後的各類群生物變動，清楚呈現生態系中的生物交互作用及生物群集間的能量傳輸效率等。
筆者等人透過整合前（2017）至去（2018）年連續兩年實地調查獲得的所有生物群集數據， 以生態系統建模軟體系統「Ecopath with Ecosim」建構彰化縣芳苑鄉外海雲彰隆起海域示範風場的兩個測站（圖二），分別為近岸測站（有豎立測風塔基樁）與遠岸測站（無測風塔基樁）的食物網模式：近岸測站有豎立福海測風塔，距離海岸約5 公里，水深約20公尺；遠岸測站則無測風塔，距離海岸約36公里，水深約40公尺。 除了比較近岸與遠岸海域生態的差異外， 也模擬豎立風機結構的建造過程與運轉時對海洋食物網結構的影響。
圖二：近岸測站（福海觀測塔）及遠岸測站食物網模式空間範圍。（作者提供）近岸與遠岸，營養流動大不同！
由食物網能量流動模式圖（圖三a、b） 顯示，可看出兩個測站的食物網結構相似，皆呈現網狀結構，共有四層營養階層。兩測站最高階消費者屬第四營養階層，為海鳥及中華白海豚（只分布於近岸測站）；第三營養階層（次級消費者）為魚類、頭足類及肉食性浮游動物；第二營養階層（初級消費者）為底棲無脊椎動物、植食性浮游動物及附生動物；第一營養階層（生產者）為附生藻類、浮游藻類及有機碎屑。兩測站消費者主要由營養階層2的生物群集所組成，表示雲彰隆起海域的潛力風場中，多數生物群集皆為初級消費者。
圖三：（a）近岸與（b）遠岸測站模式之食物網能流圖。圓圈大小代表生物量多寡，線條表示功能群之食性（掠食者與被掠食者）關係，呈現能量在營養階層間傳輸的情形；縱軸為四個營養階層，探討各生物群集在食物網結構中的營養棲位。（作者提供）
近岸測站食物網以有機碎屑為主要食物來源，遠岸測站食物來源則以浮游藻類為主。因為近岸測站食物網能量主要來自有機碎屑，代表生態系外源食物輸入的比例較高，屬於異營性的生態系統；但是遠岸測站以自生性浮游藻類生產量為主要食物來源，顯示此生態系為自營系統。由於近岸測站為中華白海豚活動範圍，且測風塔上有附生動物及藻類，因此比遠岸測站多了三種生物類群。
生物分布的不同， 讓生態呈現各有風景兩測站最高營養階層皆為海鳥，而近岸測站海鳥的營養階層較高，這是因為近岸測站離岸較近，生物資源較豐富，可吸引海鳥前來覓食，因此海鳥生物量高於遠岸測站。近岸海鳥捕食的魚類群集（水層食魚性魚類與食浮游生物魚類）生物量較多，且營養階層比遠岸測站略高。近岸測站食物網的營養傳輸效率（5.13％）高於遠岸測站（3.78％）。目前在測風塔的基樁只設置了1~2年，調查到的附生動物及附生藻類生物量實際上還在發展中，未來假以時日持續生長，或基樁因風機數量而增多，由點形成面可以吸引更多生物群集聚在風場，預期將產生類似魚礁的效應。
在近岸測站食物網中，中華白海豚生物量的增加對於魚類為負面影響，但對於底棲動物為正面影響，因為大多數底棲無脊椎動物的捕食者為魚類，中華白海豚將魚類捕食，可降低底棲無脊椎動物被捕食的數量。漁業活動對於中華白海豚為負面影響，原因為漁業直接造成中華白海豚食餌魚類的減少，間接影響到中華白海豚的食物來源，因此建議漁民轉移漁獲標的物為蝦蟹等無脊椎動物，漁民與中華白海豚將可共存，互取所需。
遠岸測站食物網中，海鳥雖然為最高階層消費者，但因其生物量極低，對各功能群幾乎沒什麼影響。在生態系中，某類生物的生物量並非最多，但其攝食活動對生態系結構有重大的影響，這些功能群即所謂的關鍵生物。近岸測站食物網的關鍵生物為中華白海豚、腹足類與頭足類；而遠岸測站的關鍵生物則為大型食底棲魚類、 植食性浮游動物與肉食性浮游動物。
相對於國外沿岸食物網模式，兩測站的外在干擾程度比國外生態系來得高。兩測站目前的外在干擾主要為漁業活動，其中近岸測站受到漁業活動的干擾比遠岸測站來得高。未來興建離岸風機，甚至擴大成離岸風場時，若能將此區列為海洋保護區，預期在沒有漁業活動持續干擾下，兩測站的整體生態狀況將會有明顯提升。
模擬離岸風場建造與運轉
從食物網模式的模擬分析結果得知， 離岸風場在施工階段時（圖四a、b），施 工過程若導致海水混濁，影響到當地浮游藻類光合作用生產力，將導致作為食物網食物來源的浮游藻類（粗線處）生物量減少。浮游藻類生物量減少越多且時間越久，對各種生物類群的生物量影響越大。
圖四：模擬離岸風機施工階段（第0~3 年）浮游藻類生物量減少（a）20％與（b）60％對其他功能群的影響。粗體標示為浮游藻類的變化，其他線條則為四個營養階層中的其他物種。（作者提供）
浮游藻類生物量在施工階段結束後一個月後可以迅速回穩，若連續兩年施工對生物類群的生物量回復力，也就是回到初始生物量的時間估計為12~18個月，若連續一個月施工對生物類群的生物量回復力時間可縮短為12個月，因此施工階段時間越長，影響越久，生物類群生物量的回復力就越慢。從整個模擬的結果可以得知，未來在興建離岸風機時，必須考慮到施工階段時間所造成的影響。
離岸風場在運轉階段時（圖五a、b）， 以目前的食物網模式模擬分析的結果可發現附生動物及附生藻類的生物量皆能有所提昇（粗線處），將會為當地海洋生態帶來正面效應，預期可提升魚類及底棲動物的生物量。因此，離岸風機除了可能會對海洋生物帶來一些負面影響（如噪音等）外，同時也可能帶來提升漁業資源正面影響的魚礁效應。
圖五：模擬離岸風機運轉階段（第 3~10 年）碎屑、附生動物及附生藻類生物量增加（a）20％與（b）60％對其他功能群的影響。（作者提供）
與生命兩相磨合， 風場的未來還有什麼可能？
此次研究呈現如何運用食物網模式整合各種生物類群資料，分析與評估離岸風機甚至風場對於海域生態系的影響。目前的食物網模式初步分析顯示，離岸風機對於生態系食物網的結構在現階段並沒有明顯的影響，但在遠岸測站食物網的總系統能量流量比近岸測站來的高，可說明遠岸測站的生態系食物網結構比近岸測站相對穩定，也顯示近岸測站受沿岸人類活動（尤其是漁業活動）干擾較多。
從模擬分析結果得知，離岸風機在施工階段導致海水混濁，浮游藻類生產力及生物量將會下降，預期會對其他生物生物類群造成明顯的影響；運轉階段模擬分析顯示碎屑及附生生物生物量會增加，進而對魚類及底棲動物有正面影響，形成魚礁效應，提升漁業資源量。綜合施工及運轉階段之食物網模式模擬分析，發現施工階段的負面影響會持續到運轉階段。然而，目前的資料是在測風塔豎立一年後所採樣及建構的食物網模式，只能看出短期的生態系統影響。
未來，在豎立離岸風機後，唯有真正運轉階段的實際採樣數據，方可驗證離岸風機基樁附生生物增加，是否可藉由魚礁效應而提升其底棲生物、魚類生物量，甚至漁業資源。
﹝註一﹞魚礁效應（reef effect）： 海洋中天然或人工的結構（如風機基樁、沉船等）提供了廣大的礁體表面積，適於許多附著性生物（如藻類和腔腸、海綿、軟體、環節等無脊椎動物）的附著生長。堆放後的孔隙與結構形成許多新的棲地與庇護所，發揮培育資源的效果。