國立東華大學棲蘭山台灣扁柏森林葉片碳收支自動量測系統研發案

國立東華大學棲蘭山台灣扁柏森林葉片碳收支自動量測系統研發案

ESG to SDGs

ESG永續

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

2018-01-01


緣起

在工業革命人口大量增加下,人類對於生態系掠奪式的資源取用,已造成地球生態系統的大面積減損與破壞。除此之外,因大量石化燃料的燃燒所導致的全球暖化與氣候變遷,也使得生態系面臨日益強烈的極端氣候干擾。

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。

本學術研究之目的,在於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。

長期累積數據才能進行有意義分析工作的研究計畫,本會再度與東華大學攜手,結合教育及學術研究,一同保護環境,推動永續發展。

計畫內容

1.探針系統基本設計
本實驗所規劃之輕量型樹液流探針系統主要分為兩部分。其一為探針系統:
包含兩組內含 Thermocouple 溫度計之探針(一組探針上纏繞加熱絲),以及控制探針加熱絲供電電壓的穩壓裝置。其二為資料紀錄系統:以單晶片微控裝置Arduino為主體,並附加將小訊號放大的放大器。

2.耗電綠改良設計
在初步的實驗測試中,探針系統已可量測到蒸散作用的晝夜變化,並與環境因子有相應的變動趨勢。然而在實際製作成獨立量測記錄系統時,必須解決電源供應的問題。在野外森林裡進行的實驗,理想上電池電力要能維持至少一星期,也應避免電池過於笨重。因此針對系統耗電率進行改良設計,進行數種不同材質加熱絲的實驗測試。

3.穩壓電路
在測試實驗中的探針穩壓電路系統,變壓過程中會耗損大量能量,為加熱絲以外的另一主要電量消耗原因。在實驗過程試著採用交換式電源IC的設計來進行穩壓。

4.資料紀錄系統
以單晶片微控器 Arduino 來製作簡易的數據紀錄處理器,可大幅降低成本,使在森林野外大量量測記錄樹木蒸散量不受商用資料紀錄器的高昂價格所限制。

此外由於樹液流探針系統量測溫度使用熱電偶,電壓值是數百μV的微小訊號。為提升解析度,採用數種策略,包括先行放大電壓訊號,改變熱電偶種類,以及使用ADS1115高精度ADC模組。因而採用 Arduino搭配 ADS1115模組之溫度解析約為0.11℃。若熱電偶訊號本身透過運算放大電路(Operational Amplifier, op-amp)先進行放大,可達到更高之解析度。

5.放大訊號電路
在處理熱電偶的微小電壓訊號時,通常會先經由一個放大電路進行訊號放大的處理。我們採用LM358 Operational Amplifier 來製作放大電路。LM358 IC內含兩組運算放大器,但我們僅量測兩支探針間的溫度差,因此只需一組放大電路即可。

6.系統安裝與資料收集
我們於2020年6月將系統架設於大農大富平地森林。探針系統安裝於樟樹、光蠟樹以及台灣櫸各5棵樣樹,總計15棵樹。系統開始運作,於每半小時進行一次樹液流量測。 已獲得數個連續數據,並進行了分析。系統運作穩定,可獲取完整三個樹種的樹液流,晝夜變化及季節變化格局。同時也進行了樹液流速與各種氣象參數的相關分析工作,發現氣溫、日輻射以及飽和水蒸氣壓差是影響樹液流的最重要環境參數。

上圖為野外實際安裝的儀器

預期效益

「台灣森林生態系韌性評估架構的建立」的三年計畫,完成「熱消散探針系統的研發與測試」,並於花蓮大農大富平地森林完成野外測試,亦完成「樟樹、光臘樹與台灣櫸」三種樹種的儀器安裝。藉此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。

圖片來源:聯合國教科文組織

SDGs 4 優良教育:
細項4.7為確保所有的學子都得以學習必要的知識與技能,進而促進永續教育發展,期望能藉由此項學術研究,為社會帶來一定的貢獻。

圖片來源:聯合國教科文組織

SDGs 13氣候行動:
細項13.3期望透過本項研究了解及預測台灣的森林生態系碳吸存能力,得以減緩、調適、減輕衝擊和及早預警氣候的變遷,並加強教育和意識提升。

圖片來源:聯合國教科文組織

SDGs 15保育陸域生態:
(1.) 細項15.1藉此研究確保本學術研究之範圍的陸地與生態系統及其功能運作,獲得保護、復原和永續利用。
(2.) 細項15.2促進落實各式森林的永續管理,本研究以人工林的生長模式為主,增加造林和再造林。
(3.) 細項15.4確保山區生態系統的保育,維持原生態的生物多樣性,以加強其對永續發展提供至關重要的益處。