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國立東華大學 ── 「台灣森林生態系韌性評估架構的建立」研究計畫

國立東華大學 ── 「台灣森林生態系韌性評估架構的建立」研究計畫

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國立東華大學 ── 「台灣森林生態系韌性評估架構的建立」研究計畫

壹、研究背景
生態系韌性評估:背景、問題、與挑戰
人類社會的存在與發展,完全依賴於各種自然與人工生態系統所提供的生態系服務(Ecosystem services),包括供給服務(Provisioning services, 例如食物與木材)、調節服務(Regulating services,例如空氣與水質的淨化)、以及文化服務(Cultural services, 例如由多樣的生態系所產生的文化多樣性以及美學價值)。這些多樣且珍貴的生態系服務,與生態系統的健康與多樣性息息相關。然而在工業革命人口大量增加下,人類對生態系掠奪式的資源取用,已經造成地球生態系統的大面積減損與破壞。除此之外,因大量化石燃料的燃燒所導致的全球暖化和氣候變遷,也使得生態系統面臨日益強烈的極端天氣干擾。

遭遇干擾(Disturbance)之後,生態系統的功能與結構可能產生程度不同的變化。當干擾的強度不大,系統能很快地回復到干擾前的狀態。但是當干擾太強,就可能使系統平衡於新的狀態無法回復。系統生態學家以韌性(Resilience)的概念來描繪生態系統遭遇干擾後的回復能力。一個韌性高的生態系統,能承受較強的干擾而不至於造成系統狀態變化,因而是一個可持續性的較穩定的系統。

社會生態系統韌性(Social ecological system resilience),是21世紀生態學家面對的最重要研究問題之一。了解不同生態系統面對不同類型干擾的韌性,有助於我們預測生態系統的可能變化,是擬訂永續發展策略的重要科學基礎。
然而,生態系統韌性並不容易量化。要以什麼生態系統狀態變數作為量化與評估的對象,在當前的科學文獻仍有許多的討論。對此,除了理論分析之外,藉由長期生態系研究累積大量監測數據,分析系統變數與環境因子在不同時間尺度下的共變格局,則是另一個重要的研究取徑。


貳、台灣的研究現況
台灣的生態系韌性研究,仍處於萌芽的階段。無論是陸域或水域的何種生態系統,我們僅有非常少量的研究與文獻發表。其中,自2013年開始,東華大學環境學院(包括我在內)的研究團隊,在花蓮縣大農大富平地森林進行了科技部支持的社會生態系統韌性研究,是台灣從事韌性研究的先驅研究團隊。除此之外,台灣自1994年開始進行的長期生態研究,於福山、鴛鴦湖、棲蘭山(我的研究樣區)、塔塔加、以及南仁山,都各自累積了一些長短不一的生態系監測資料,可提供生態系韌性研究使用。然而這些長期森林樣區都位於受保護的山區,對於「人為干擾下的生態系統韌性為何?」這樣的問題,並不是理想的研究樣區。


叁、研究構想
希望能在一個潛在受到各種人為及天然干擾的森林生態系,建立生態系韌性評估架構,以作為台灣其他生態系韌性評估架構的典範。
最佳的研究樣區,就是位於花蓮縣光復鄉的台糖大農大富平地森林園區。與前述的台灣現有長期生態研究樣區不同,大農大富平地森林是一個與人類社會為鄰,因而容易受到各種人為干擾的森林。大農大富平地森林位於花東縱谷台九線公路旁,周邊有許多務農為主的聚落,在林務局的推動下,也逐漸成為花東旅遊的森林休憩景點,因而增加了汽車排氣汙染以及遊客的干擾。在人為干擾之外,由於大農大富平地森林位於台灣東部,因此遭受颱風的強風豪雨干擾的機會相當高。因為距離兩側的中央山脈與海岸山脈都相當近,因此也曾因山區土石流下滑而受到衝擊。

本計畫在這個森林樣區建立長期生態系監測系統,包括森林本身的各種結構與功能參數,以及這個森林的物理化學環境因子。研究團隊於2016年底,在大農大富平地森林樣區建立了一個通量觀測塔,進行樣區二氧化碳、水蒸氣、以及能量通量的長期監測。塔上也安裝了基本的氣象儀器,以進行環境微氣象因子的長期紀錄。也就是說,本樣區已經具備了基本的長期監測架構,希望能藉由貴基金會的補助,逐步增加必要監測參數,以提供韌性評估之用。


肆、預計工作項目
本計畫為一項3年計畫(2018-2020),利用三年的時間逐漸擴充大農大富平地森林樣區的生態系結構與功能監測項目。蒸散作用是植物的重要生理過程,除了可以直接用於了解植物的水分利用情形與限制之外,也可間接用於推測光合作用的限制條件。當森林遭受的干擾影響到水份的利用,將對林木的生長造成負面影響。因此蒸散作用是極具潛力可用於評估生態系韌性的參數。蒸散作用是水分由根部吸收後,藉由木質部向上輸送,最終於葉片內部蒸發成水蒸氣,通過氣孔擴散到大氣的過程。樹液流是蒸散過程木質部的水分流動,可藉由熱消散探針(Heat dissipation probe),進行連續紀錄。

監測樹液流的熱消散探針已被廣泛應用於森林生態系的研究,是一種原理並不複雜的感測器。國內少數實驗室具有自製探針的技術,能大幅降低研究經費,也因此能以較大數量的探針來降低量測的變異。最近幾年創客(Maker)社群的興起,帶動了新量測技術的蓬勃發展。其中的許多低價實用元件,例如Arduino單晶片微控制器,就可用來取代高昂的資料記錄器。因此,本計畫以自製的熱消散探針搭配Arduino控制器,來自製一套完整可於野外條件使用的樹液流量測模組。開發與測試完成後,希望能在大農大富平地森林樣區的10個主要造林樹種,每樹種選取5棵樣樹,以自製的量測模組,開始進行長期的蒸散作用監測。