指導教授:宋國彰 博士

學生:林祐丞

1

1. 緒論

2. 研究材料與方法

3. 結果與分析

4. 結論與建議

2

緒論

+ 森林生態系是水循環中不可或缺的關鍵之一

3

降水 樹冠截蓄&葉面蒸發 樹幹流 林內雨 地表逕流 入滲 蒸散

樹幹流

降水

降雨截蓄

林內雨

入滲

逕流

蒸發

蒸散

緒論

樹冠截蓄=林外雨-林內雨-樹幹流。

許多研究顯示(Nye,1961 ; Eaton et al. ,1973 ;Edwards,1982;Parker,1983；

Radzi Abas et al.,1992)。樹幹流在低緯度森林之森林水文循環所佔比例僅1%至5%，因此本研究忽略樹幹流的影響。

公式變為:樹冠截蓄=林外雨-林內雨。

樹冠截蓄率則為: (林外雨-林內雨)/林外雨

4

緒論

氣候因素截蓄於葉面水分能在愈短時間內蒸發，截蓄量就愈高。

1. 降雨(延時、強度、頻率)

2. 風(風速)

3. 日照(時間)

4. 濕度

植物生長型態

1. 截蓄容量(rainfall storage capacity)

2. 葉面附著力

葉面積指數

5

緒論

葉面積指數 leaf area index(LAI)是能夠明確表示葉片多寡對於環境影響的指標。

葉面積指數公式:葉片總面積/2土地面積

。

葉面積與林內雨的關係:葉面積指數愈高的地方，其林內雨則愈少(Abrahmson et al.1998)。但也有研究指出，葉面積指數愈高，林內雨亦愈高(Lovett et al.1986)。推測於不同的森林環境下葉面積指數與林內雨關係也會有所不同。

與上述實驗地點皆於針葉林區，而南仁山樣區為多樹種熱帶雨林。故除了森林氣候環境對於葉面積指數的影響，樹種間的生長差異也是不可忽視的因素之一。

6

緒論

林務局第四次森林資源調查(林務局，2015)中提到:臺灣森林覆蓋度為 60.71%，天然林約佔79%。

台灣森林林型分類以闊葉樹林型最多，占森林總面積約67%，其次為針葉樹林型，佔森林總面積約14%。

世界上大多數降雨截蓄實驗的研究地點都選址位於單一樹種樣區(人工林、溫帶針葉林等區域)。

7

緒論

臺灣歷年來降雨截蓄實驗多位於針葉樹林區域(潘家聲，1964；

邱永和，1972；吳文統，1994；賴彥任等，2007；魏聰輝等，2009；張振生等，2014)

或單一闊葉樹種(潘家聲，1965)之截蓄研究。

對於多數種闊葉樹林林型研究參考(陸象豫，1995；林登秋，1996)

依據則相對較少。

綜合上述幾點吾人認為於南仁山進行多樹種闊葉樹林降雨截蓄實驗是有其必要性。

8

緒論

探討葉面積指數與降雨截蓄率的相關性。

探討南仁山樣區影響截蓄率的可能因子。

9

研究方法

本研究區域位於屏東墾丁國家公園，南仁山生態保護區溪谷樣區，樣區年均溫為:22.3℃ ，年均降雨量為2588mm。夏季主要降雨來源為梅雨及颱風，冬季則由東北季風帶來降雨，乾濕季並不明顯(陳朝圳等，2003)。低海拔森林起霧天數不多，截留霧氣造成的林內降雨稀少。

樣區總面積為2.1公頃(150m*140m)，海拔約在220m至270m之間，為台灣唯一一個熱帶雨林永久樣區。

10

研究方法

11

進行魚眼攝影樣區外傾斗式雨量計1組中央氣象局檳榔測站

測量葉面積指數 測量林內雨 測量林外雨

設置30組自製雨量筒樣區內傾斗式雨量計1組

2016年7月1日~2016年8月30日/2017年4月1日~2017年5月4日林外雨數據

4種天頂夾角葉面積指數分析

結果

2016年1月19日~2017年3月31日共7組魚眼相片

2016年1月19日~2017年3月31日30個樣點8組林內雨數據

比對中央氣象局測站資料與自製雨量筒累積資料修正電子儀器誤差

(林外雨-林內雨)/林外雨=樹冠截蓄率30個樣點樹冠截蓄率取平均值代表該研究區間樹冠截蓄率

樹冠截蓄率與葉面積指數關係

Hemisfer分析魚眼相片

研究方法

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電子雨量筒

在2.1公頃的樣區內設置30組自製雨量筒，雨量筒為系統分布且各自距離20米，用以測量林內雨。

樣區內另外設置一組電子雨量筒，將用來比對空曠地區電子雨量筒以及中央氣象局檳榔測站的降雨資料。

研究方法

13

在空闊地區另外設置一組電子雨量筒以及自製雨量筒

樣區內的雨量筒設置於離地表1.3米處，每三個月一次收集雨量筒數據，若遇颱風等特殊天氣情況，則增加收集頻率。

工作站雨量筒樣區內雨量筒

研究方法

14

魚眼相片 相機:Nikon D5000 魚眼鏡頭: SIGMA 4.5mm F2.8 EX DC HSM

研究方法

15

研究方法

16

線性回歸 二次式回歸

短期單次(一個月)

45°60°75°90°

45°60°75°90°

長期單次(2至3個月)

45°60°75°90°

45°60°75°90°

分析葉面積指數與樹冠截蓄率的回歸關係，若林內雨收集時無拍攝魚眼相片，則依林內雨收集日期以及魚眼拍攝日期，用內插法推算該時間之葉面積指數。

分析方式分為:線性回歸、二次式回歸，短期單次(一個月)、長期單次(2至3個月)，依照R2值選擇最適合的分析條件，討論時間、不同回歸方式對於R2值的影響以及造成此現象的原因

0402 0528 0701A B

LAI0528=LAI0402·𝐵𝐵+LAI0701·𝐴𝐴3

LAI0402-0528=LAI0402+LAI05282

0119 0402

LAI0119-0402=LAI0119+LAI04022

研究方法

17

90°75°60°45°

結果分析

18工作站雨量筒配置

Work Station Self-made rain gauge

100 150 200 250 300 350 400 450

CW

B S

tatio

n

60

80

100

120

140

160

180

200

220

y = 0.5633x R² = 0.968

對照中央氣象局檳榔測站與放置於空曠區域之自製雨量筒，找出電子雨量筒與自製雨量筒因機械、氣候等因素造成之誤差，本實驗中總計8次收集共227組數據，修正前有29%數據有林內雨大於林外雨情形，修正後減少至剩下約1%有此情形。在討論中若涉及到林內雨與林外雨比較則會使用此公式作為修正依據。

結果分析

19

Work Station Gross Rainfall (mm)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Stud

y Pl

ot T

hrou

ghfa

ll(m

m)

0

50

100

150

200

250

y = 1.1222x - 0.5674R² = 0.9642

取2016年7月5日至2016年8月30日間工作站(林外雨)與樣區內(林內雨)傾斗式雨量計逐場降雨對照總計21場降雨數據做回歸線。

P = 7.9 × 10−8

結果分析

20

CWB Station Gross Rainfall(mm)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Aver

age

Stud

y Pl

ot T

hrou

ghfa

ll(m

m)

0

100

200

300

400

500

600

y = 0.4587x + 15.427R² = 0.977

取2016年1月19日至2017年3月31日間中央氣象局檳榔測站(林外雨)與全樣區平均林內雨數據修正後共8組降雨資料回歸分析圖。

P = 4.96 × 10−5

結果分析

21

傾斗式雨量計 自製雨量筒

單場降雨 優 累積降雨量

強降雨 傾斗反應不及 優

長時間資料收集 電池電量 無機械誤差容量限制

誤差 機械記錄誤差 需考慮蒸發率

成本 高 低

結果分析

45° 60° 75° 90°1個月

線性 二次式 線性 二次式 線性 二次式 線性 二次式201606 -0.172 0.091 -0.192 0.024 -0.11 0.067 -0.044 0.072

201607 -1.457 0.029 -0.83 0.152 -0.448 -0.001 -0.308 -0.012

201608 -0.506 0.071 -0.367 0.152 -0.132 0.100 -0.046 0.102

2至3個月線性 二次式 線性 二次式

線性二次式 線性 二次式

201604-201605

-0.477 -0.154 -0.437 -0.021 -0.429 -0.007 -0.225 -0.088

201611-201701

-1.75 -0.391 -1.217 -0.263 -0.741 -0.12 -0.79 -0.174

201701-201703

-0.718 -0.118 -0.792 -0.018 -0.677 -0.006 -0.629 -0.094

全時段 線性 二次式 線性 二次式 線性 二次式 線性 二次式201601-201703

-0.939 -0.143 -0.732 -0.044 -0.594 -0.003 -0.441 -0.004

22

研究方法

23

90°75°60°

結果分析

24

8月8日至8月30日葉面積指數與樹冠截蓄率圖

葉面積指數0 1 2 3 4 5 6

樹冠

截蓄

率(*100%)

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

熱帶雨林特殊現象如:附生植物、大型藤本植物、不定根等因素對於降水再分配的影響。

樹冠層底下之植物生態遠比其他類型的森林複雜。即使葉面積相近的樣點，也會因為這些因素使得截蓄率變得十分不同。

y = -0.0473x2 + 0.3112xR² = 0.1519

結果分析

月份 平均截蓄率 平均葉面積指數

2016/1~2016/4 0.506 3.50

2016/4~2016/6 0.512 4.13

2017/6~2016/7 0.505 4.62

2016/7~2016/8 0.559 4.66

2016/8~2016/9 0.470 4.03

2016/10~2016/11 0.469 2.71

2016/11~2017/1 0.553 2.68

2017/1~2017/4 0.498 2.91

總計 0.509 3.66

25

平均葉面積指數與平均樹冠截蓄率圖

2016/1~2016/4

2016/4~2016/6

2017/6~2016/7

2016/7~2016/8

2016/8~2016/9

2016/10~2016/11

2016/11~2017/1

2017/1~2017/3

葉面

積指

數

0

1

2

3

4

5

樹冠

截蓄

率

0.46

0.48

0.50

0.52

0.54

0.56

0.58

平均葉面積指數平均樹冠截蓄率

平均截蓄率與平均葉面積指數散佈圖

平均葉面積指數

2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6

平均截蓄率

0.46

0.48

0.50

0.52

0.54

0.56

0.58

y = 0.0101x + 0.4733R² = 0.0395

結果分析

變異條件 樹種 樹齡林內雨雨量與樹幹距離成負相關 加拿大鐵杉 35

錫特卡雲杉 14熱帶雨林 -(DBH>35cm)

林內雨雨量與樹幹距離呈正相關 歐洲雲杉 24歐洲雲杉 40錫特卡雲杉 50

林內雨雨量與樹幹距離無相關 歐洲雲杉 140美國胡桃木 -白櫟木 -南仁山熱帶雨林

-

26

超過3m的株數與超過6m的株數比較。平均截蓄率與超過3m株數(p=0.86)以及超過6m株數(p=0.89)兩者p值皆大於0.05，結果為不顯著。

樹高>6m株數與平均截蓄率散佈圖

棵樹(棵/100m2)

0 2 4 6 8 10 12 14 16

平均

截蓄

率(*100%)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

p=0.89y = -0.0056x + 0.5496R² = 0.0314

樹高>3m株數與平均截蓄率散佈圖

棵樹(棵/100m2)

0 10 20 30 40 50 60

平均

截蓄

率(*100%)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

y = -0.0019x + 0.5529R² = 0.0319

p=0.86

結果分析

微量降雨採用(陸象豫，1995)於蓮華池所做的降雨截留研究，起始截蓄量為2.27mm。中央氣象局降雨分級:大雨為24小時內累積雨量80mm或時雨量40mm以上之降雨。

日期 0~2.27mm 2.27~80mm 80mm~ 總計 0~2.27mm比例

2016/1~2016/441 2 0 43 0.95

2016/4~2016/626 5 0 31 0.84

2017/6~2016/717 4 1 22 0.77

2016/7~2016/810 6 3 19 0.53

2016/8~2016/92 6 3 11 0.18

2016/10~2016/1112 4 0 16 0.75

2016/11~2017/135 2 1 38 0.92

2017/1~2017/454 2 0 56 0.96

27

0mm~2.27mm降雨場數比例與平均截蓄率圖

2016/1~2016/4

2016/4~2016/6

2017/6~2016/7

2016/7~2016/8

2016/8~2016/9

2016/10~2016/11

2016/11~2017/1

2017/1~2017/3

0mm~2.27mm降雨場數比例

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

平均截蓄率

0.46

0.48

0.50

0.52

0.54

0.56

0.58

0mm~2.27mm降雨場數比例平均截蓄率

結果分析

地點 海岸距離(km)

降雨量(mm)

截蓄率(%) 森林型態

南仁山 4 2588 50.9 熱帶雨林波多黎各 7 >5000 38.7 熱帶雨林波多黎各 10 3500 50.0 次生林印度 10 >3000 31.0 漆樹林蓮華池 23 2210 11.3 天然闊葉林福山 56 4125 10.8 天然闊葉林印尼 223 3500 11.0 低地雨林哥倫比亞 770 3100 13.4 熱帶雨林巴西 1200 2800 8.9 熱帶雨林

28

海岸距離與降雨截蓄圖

離海岸距離(km)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

降雨截蓄率(%)

0

10

20

30

40

50

60

70

南仁山

波多黎各

波多黎各

印度

蓮華池

福山

印尼哥倫比亞

巴西

結論建議

+ 樣區屬於熱帶雨林森林型態，植物生長型態多樣化。長時間的收集間隔，無法及時反應葉面積指數的變化。

+ 依系統分布的30個樣點取平均值後，能將各樣點間因不同環境條件下生長的植物型態所產生的誤差影響降低，也能平衡樣點間收集林內雨數據的極端值。

29

結論建議

+ 依實驗結果，葉面積指數與樹冠截蓄相關性偏低。與前人研究的線性回歸不同，本研究以二次回歸相關性較高。在葉面積指數較低時，與截蓄率呈現正相關，在葉面積指數較高時則變為負相關。

30系統分布

8月8日至8月30日葉面積指數與樹冠截蓄率圖

葉面積指數0 1 2 3 4 5 6

樹冠

截蓄

率(*100%)

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5

依照葉面積指數取樣

改用葉面積指數作為選擇標準由小至大取樣，再依照分析角度排除地形影響，搭配單場降雨與當下測量之葉面積指數，即能將有效實驗之外的環境因素影響降低，增加實驗準確度。

報告完畢

敬請指教

31

32

研究動機

問題研究與分析

決定研究方法

文獻回顧

葉面積指數林內雨林外雨

測量

數據整合

數據分析

結果與討論

結論

YES:模型適用

NO:模型不適用

研究方法

• 美國農業部農業手冊(Agriculture Handbook Number 537,USDA)對於單場有效降雨的定義為:

• (1)總降雨量超過12.7mm

• (2)總降雨量未達12.7mm，但於15分鐘內降下6.35mm雨量

• (3)若在降雨稍停後之6小時內，降雨量未達1.3mm，則可視為本次降雨停止。

• 降雨對於土壤造成沖蝕的雨量標準

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樹葉掉落之腐質層則可改善土壤性質，促進土壤團粒穩定，減少地表逕流，抑制表層土壤沖刷(陸象豫，1996)。

植物根系的部分亦有錨定作用，根系延伸所及的土壤，會因為根的固土功能而不易分散，可有效降低淺層崩塌發生的機會(沈哲緯等，2009)。

34