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海洋資源與環境變遷博士學位學程
學術研究

重點一:環境變遷

研究目標以研究古海洋與全球氣候變化以及環境變遷對海洋生物地球化學循環的影響為主軸,探討海洋環境變遷、海洋生態的應答特性及可能衝擊等議題。

議題一、古海洋與全球氣候變化研究

長期氣候變化的監測與模擬為瞭解與區分引起氣候變化的自然與人為因素的基礎。此外,氣候變遷對生態系或生物多樣性可能造成的衝擊,已成為全球最關心與重視的課題之一。故希望透過科學的方法,現場觀測、數值模擬與理論解析等手段,對海洋環境變遷、海洋生態的應答特性及可能衝擊、變遷的意義及不同時間尺度有更多的瞭解與掌握。古海洋研究主要研究材料為海洋沉積物中的有孔蟲、鈣板藻、矽藻、放射蟲的殼體化石,了解從百年至百萬年時間尺度的氣候變化;古氣候變遷研究可以和漁業研究結合,藉由各大陸地區的陸源元素來源的分布概況,結合水生生物之耳石中的元素分析結果,了解生物遷徙路徑。

議題二、全球性與區域性的海洋生物地球化學循環及人類活動之影響

有鑑於海洋生態系統對環境變遷作用的敏感度,研究目標側重於瞭解及預測在全球氣候變遷(如水溫升高、海水酸化、海流改變、海平面上升、及颱風增強之效應)及區域性人為的作用下,海洋環境(如環流、光照、水溫)及化學成份(如營養鹽、有機物質、微量重金屬、環境賀爾蒙)的改變對海洋生物生產力以及生態系中之攝食食物鏈(如浮游植物→浮游動物→仔稚魚)或是微生物循環圈(如細菌→鞭毛蟲→纖毛蟲→浮游動物)中各食階現存量及能量傳遞的衝擊,以及對人類社會或是民眾食用健康的影響。此外,深層海水利用的基礎研究與帶動產業發展亦是我們所關切的主題(詳如重點二之議題二)。

重點二:海洋資源與管理

研究方向以找尋海洋資源創新產業為主軸,包括天然氣水合物、深層海水產業、全球變遷對食品產業以及海洋漁業的影響與因應等議題。

議題一、天然氣水合物

天然氣水合物極可能成為21世紀的新能源,有極高的經濟潛力及學術研究價值。美國於1982年就開始調查研究,並規劃於2015年進行開發利用。在能源日漸短缺的大環境下,臺灣西南海域的震測資料顯示有埋藏天然氣水合物的潛能,有必要積極進行相關的調查研究,並尋求國際合作機會,吸取國外經驗,以提升國內能力。一旦開採技術成熟後,將可立即進行海域天然氣水合物的開發利用。

但是由於天然氣水合物形成的溫度與壓力條件影響下,通常儲藏於海床底下約100-400公尺深處,導致增加天然氣水合物探測與開採的困難度,需要經過詳細的地物調查與規劃,才能有效開發此種新興能源。臺灣科學家也積極投入此項調查,經過十餘載的地物、地熱與地化等調查後,發現臺灣西南海域富藏有天然氣水合物。依據調查結果評估,臺灣周圍海域水深超過600公尺,都俱有天然氣水合物賦存潛能:其中,臺灣西南海域出現天然氣水合物徵兆最為明顯。反射震測中明顯的海底仿擬反射層 (BSR)訊號,地層中震波速度突然的改變,同時也觀察到冷泉、氣泡的流體活動及自營生物的群聚,種種證據都顯示海床下藴藏着大量的天然氣水合物。並積極往下一階段邁進,2013年與德國Sonne號合作,為了得到更高解析度的地球物理資料,與學習高解度資料取得與資料處理方法,為未來於臺灣西南海域大規模高解析度的地物調查與開採天然氣水合物奠定良好的基礎。

天然氣水合物是一種非常潔淨的能源,而有機碳量為石化燃料的兩倍,為最具潛力的新興能源,甲烷氣也是溫室氣體之一,若發生解離逸散到大氣中,將造成全球暖化問題。因此,不僅只是要克服天然氣水合物開採技術層面上的問題,還有要考慮對環境可能造成的影響,勢必需要更多的評估與討論。在這能源逐漸消耗的世界,能否善用天然氣水合物解決能源短缺,這將是人類所要面臨的挑戰。

議題二、深層海水產業

地球上的水估計約有13.81百萬立方公里,但人類可直接使用的淡水卻非常少,約為0.6% (Strahler, 1996),所以全球可以利用的淡水資源顯得相當珍貴且稀少。台灣的年均雨量雖達2510公釐是世界平均雨量的2.6倍,但因降雨分配不均,約有80%降雨集中在5至10月,且因地形因素,使得約有60%之降雨量直接排入大海而無法利用,加上其他環境因素,使得實際可利用的水約只有11%,國人平均可分配的淡水量僅3913 m3,遠低於世界平均值33975 m3,而台灣因人口密度又非常高,故早已被列為世界第18個具有缺水危機的國家(張和陳,2000)。

深層海水主要是指水下200至300米深的海水,其特性為低溫、富含礦物質、高營養鹽等。近十年以來,在日本深層海水廣泛地研究應用於海洋基礎科學、海洋工程、能源與資源、水產養殖、食品及醫療等方面。所以深層海水在新創產業領域應是很有發展,並且是值得期待的一項綠色產業。

自1980年起在美國,深層海水的開發以夏威夷海洋科學與科技園區(Hawaii Ocean Science and Technology Park; NELHA)為主,初期是發展海洋溫差發電,至現在已經發展成多樣的永續經營,並結合基礎海洋科學、漁業資源、水產養殖和綠色能源等產業。時至今日,此園區的目標任務,為發展成一個“綠色能源帶”(Green Energy Zone)。在日本,自1989至2001年共建置完成7套深層海水汲水系統;產業產值自2002年的298億日圓,以幾乎倍數成長的速率,至2007年已經達到3658億日圓,在6年中,成長幅度超過12倍。在韓國,海洋深層水產業計畫,在東海岸走廊開發計畫中,設計每天可以汲取2400公噸海水的汲取和處理設備。

在深層海水產業發展分類中,主要包括有:水質品質認證、能源利用、水產養殖、食品加工與製造、農作物栽培與生產和健康美容醫療等。所包含的學術領域非常廣泛,大致包括有:海洋科學、漁業與資源、海洋環境生態、海洋工程、海洋生物、水產養殖和食品科學等。所涉及層面廣泛,實非一般產業所能比擬;且此方面人才,應該著重於高階人力或經理人的養成,本學程除探討深層海水汲取工程實務外,將側重於養殖與食品製造面向

1.深層海水科學與工程

深層海水之汲取與水質之品質控制,係為此產業之根基,若沒有良好的汲水口和適當取水深度,則後續的產品品質與價值將會受到嚴重的影響。此外,台灣四周全年飽受自然災害影響,諸如:地震、颱風、海底斷層與火山等,嚴重時將會影響到整體產業之發展與產出。所以,從一開始的規劃、設置到運轉,除了海洋科學的深厚基礎外,還需要有海洋工程背景的配合,方可確保深層海水的運作順暢無虞。此外,在深層海水園區成立基礎科學研究,為世界各先進國家的重點任務之一;如美國的NELHA就有15個研究單位所構成的基礎海洋科學研究團隊,透過深層海水的研究了解深層海水碳循環與全球氣候變遷的關係。

2.深層海水與海洋生物資源產業之結合與應用

深層海水為國內近十年來新興產業之一,雖然已經有小規模的產業鏈出現,但是成長幅度與產值還是遠遜於美國和日本等國家。除了經濟規模的因素外,國人對於深層海水所具備之經濟潛力和應用層面,似乎尚未擺脫過去傳統產業之經營模式。究其原因,在於缺乏具備海洋基礎科學素養、海洋資源開發與經營和海洋工程背景合一的專業人才。這些專才雖然可以靠經驗累積,但是究其產業特性,實有必要具備上述條件之高階人才。因為,深層海水所涉及的基本學識和產業層面非常廣泛,有別於一般傳統產業;如果統籌之經理人,僅具片面甚或基礎的海洋知識,則仍舊無法將此創新產業之價值發揮。

議題三、全球變遷對食品產業的影響

近年來,全球因極端氣候、能源的消耗、人口快速成長、金融問題、知識、資訊和資金的快速流動等原因,導致全球快速的變化,這種變化對各種產業都發生了很大的影響。其中食物的產量受到極端氣候、生質能源開發的影響而價格大幅波動,並且因人口快速成長與開發中國家經濟穩定成長導致需求大增,加上政治因素介入,使得全球一直處於糧食不足的狀態;再者,全球水源和可耕地增加有限,魚源枯竭亦是眾人皆知的問題,所以,如何克服全球變遷對食品產業的影響,是一個值得注意與關心的課題。

對食品產業而言,最重要莫過於食品原料的穩定來源與價格,足以供給生產製造加工,食品原料為食品產業的基礎,然而,因氣候變化、生質能源開發等因素的影響,導致許多的食品原料產量和來源產生極大的變化,如全球暖化現象,使得小麥、稻米等穀物欠收,也使得海洋生態發生改變,進而影響藻類、魚貝類的生長,使得魚獲量和種類皆發生改變。食品原料發生變化,加工生產的食品只得跟著改變,所以,加工的方法技術、設備器具、行銷方法等都會因應此變化而改變,甚至因原料得來不易,更應充份利用,所以加工副產品的利用與新產品開發,更顯得重要。

議題四、全球變遷對海洋漁業的影響

臺灣四面環海,海洋資源豐富,長期以來臺灣在海洋漁業與養殖方面是極為重要且為國家表現之強項之一。結合在地漁業(如基隆鎖管漁業) 發展產業鏈,達到生態及環境友善的智慧生活化漁業產業之發展,同時培育具有創新創業潛力與量能的學生,從認識海洋環境、瞭解漁業資源之分布生態特性,漁船設施與漁具漁法,以及資源變動趨勢與漁業管理措施,進而深入水產食品安全、加工利用與物流措施,並透過現階段產業升級與因應氣候變遷調適所需之電資科技(例如:節能LED集魚燈之構造、電子商務之開發等)等智慧生活,以及海洋文化特色(包括基隆在地的漁業文化)等人文關懷導入,深化海洋漁業創新研究與開發。