一、研究總目標
森林生態系為台灣最重要的生態系,也是最重要的維生系統之一。台灣全島森林覆蓋度約近六成,其中約有四分之三為國有林地。國有林地中,約29萬公頃為人工造林地。當初造林的目的是希望將來這些造林地生產的木材可以提供台灣木材需求,滿足經濟的需求,然而近數十年來,台灣社會、經濟快速變遷,木質材料的經濟重要性相對減弱;台灣民眾環境意識的高漲,普遍反對砍伐森林;再加上台灣近年經濟水準提高,工資大幅上揚,伐木成本遠高於進口木材,使得伐木不符經濟效益,全國所需之木材及相關林產品幾乎全賴進口。過去造林偏重於造林木之利用,故不論選種、種植或撫育,均以造林木之生長及木材品質為主要考量,今多皆已成林。研究指出,大面積人工純林之生物多樣性均較天然林低,而人工林提供的生態服務也遠低於天然林。此外,許多水患及土石流因山區道路的修建而頻繁發生,林道亦為潛在的地表沖蝕的肇因之一。另一方面,完整的森林生態系對於台灣本地的生物多樣性保育、生態系之服務、功能與碳吸存上,日益重要。因此,人工林生態系扮演的角色值得我們重新加以定位,我們應該積極的處理人工林,使人工林在未來能發揮上述之功能,以符合現代保育潮流及社會期待。
目前全球性的環境問題之一是控制並減少大氣中二氧化碳的濃度。《京都議定書》中明訂各個國家二氧化碳的排放標準,若開始嚴格執行後,勢必衝擊世界各國木材生產及出口。台灣百分之九十九的木材均自國外進口,且為全球第二大熱帶雨林木材進口國。如何滿足台灣木材需求並減少國際碳稅的壓力,有效人工林經營將更形重要,且台灣人工林對於碳吸存的貢獻值得去量化說明。綜合以上觀點,台灣林業之經營正面臨前所未有的挑戰,亦即如何同時符合社會期待、滿足木材需求並兼顧生態保育。簡單的說,如何讓人工林發揮生態系功能(例如生物多樣性保育、水土保持、碳吸存等)並提高單位面積之林木價值,都是巨大的挑戰,亟需科學的基線(baseline)資料。
研擬因應策略,需要精確之實測資料來作分析依據,而生態系經營方面的研究,由於尺度大、影響因子眾多、參與物種複雜,再加上環境變遷的不確定性,需要各方專家的參與,才可能對複雜的系統有所瞭解。有鑑於此,林業試驗所與林務局、台灣大學、屏東科技大學及東海大學等十三位研究人員合作,提出「柳杉人工林疏伐經營對生物多樣性、生態系結構與功能影響及復育過程之研究」整合型計畫,並尋求國科會、林務局、林試所及東海大學補助經費執行。
本整合型計畫---「柳杉人工林疏伐經營對生物多樣性、生態系結構與功能影響及復育過程之研究」承續國科會永續會支持之「人工林生態系經營及生物多樣性保育研究之因應策略」,期望追蹤研究柳杉人工林疏伐後,生物多樣性及生態系結構與功能之變化,及人工林疏伐後森林復育過程,以獲得重要之科學資料,作為林業單位制訂人工林經營策略之重要依據。
在前期計畫中,本團隊於2005年年底,在台灣中部林務局南投林管處巒大事業區第74、75、76林班地之人造柳杉林保留區內,設立了十二個一公頃的永久試驗樣區,並標定、測繪、記錄試驗樣區內所有胸高直徑大於1公分之木本植物。此外,所有相關研究,如森林生態系功能(微氣候、水文及土壤養分循環)、生物多樣性(鳥類、哺乳動物、兩棲爬行、昆蟲、土壤無脊椎、真菌、苔蘚、植群及地被植物)、林木生長等,均以1公頃樣區為研究調查單位,持續進行了兩年以上的基本資料收集。十二個試驗樣區於今(2007)年6月依三種疏伐強度處理(0%、25%、50%)、每個處理進行四個重複的設計進行疏伐,疏伐工程已於8月底全數完成。自9月起,所有相關調查研究工作即重新開始,並將持續至明(2008)年7月底。前期計畫提供疏伐前人工林之基本資料及疏伐後短期之動態變化情形,本期之整合型計畫將接續前期計畫之目標,以三年期間持續收集並監測疏伐後柳杉人工林之長期動態資料,以完整瞭解不同疏伐作業對人工林生態系結構及功能之影響,並監測生物多樣性的變化,了解森林演替過程,評析不同疏伐作業之整合效應。
此計畫為台灣首度以生物多樣性及生態系功能為考量,兼顧生產木材及復育人工林的跨領域、跨機構之大型整合研究計畫。計畫成果將能提供相關需求的國內外人工林經營者,做為人工林生態系經營、生物多樣性保育以及台灣森林生態系永續經營的重要參考。我們期盼擬定出人工林適度疏伐的作業準則,基於林業永續經營、維護生物多樣性及服務社會等三大原則,達到樹木生長與生物保育兩大功能之最大化。
二、整合之必要性及整體分工合作架構(見下圖)
(1). 本計畫之實用性
人工林經營之木材生產、生物多樣性保育、復育為天然林等皆需本計畫提供試驗研究所得到的科學資訊。
a. 木材之質量與人工林之碳吸存方面(森林生態系服務):
可提供經營之疏伐作業與木材之生長量與品質的關係,以及人工林生物量與碳吸存的評價,地下部生物量之變動。
b. 生物多樣性保育方面:
(a). 生物多樣性基準線評析:
提供人工林12個1-ha樣區內的物種多樣性(量測所有木本植物的物種繁富度(richness)與均勻度(evenness)等各種評估「指數」;研究、分析物種(包括哺乳類、鳥類、兩棲類、爬蟲類、真菌、地衣、苔蘚、草本植物等)在不同時間尺度之動態變化。
(b) 復育人工林為近天然林(near natural forest):
處理設計中的50%疏伐樣區之原生植物的添加,使得柳杉人工林內的原生物種多樣性迅速增加,等到相當時期後,可將此類樣區內的大徑級的林木進行二度疏伐,甚或移除,用來評估復育成完全天然林之可能性。此類漸近復育過程的目的是為了維持生物多樣性與水土保持的功能,有其實務的意義,因此林務局已補助上期計畫約780萬元,其中主要為建築研究站 (100建坪) 與其內之實驗室。
第一期計畫之成果指出:樣區柳杉平均為1,000株/公頃。其他原生濶葉樹有145種,計2,000株/公頃。這些原生樹種皆為附近天然濶葉林散播進來,但是生長矮小與桿莖細小。不過將來疏伐後騰出生長空間,改良生育地之理化與生物環境,天然濶葉林便能加速成長,瞭解這樣的過程,有助於提高成功復育天然林的機率。
c. 擾動對水土、營養、微氣候及光合作用等生態系功能之影響:
天然林皆伐及隨後之造林、撫育作業,是對林地的第一次人為擾動,而疏伐作業則是再度的大擾動,我們必須知道這類經營方式對生態系功能造成衝擊的程度。
(2). 本計畫之必要性
林務局經管的人工林有29萬公頃,其中外來種的柳杉林面積高達4萬公頃,其材積佔所有人工林的26%,此類人工林之經營原則一直未納入生態系經管理之參考。過去所有的疏伐,只著重木材生長,而未對生物多樣性與生態系功能的衝擊進行研究,遑論如何將此類人工林逐漸復育成天然林或近自然林之適應性經營。本計畫研究設計空前,有大樣區(1-ha)、有處理(3處理),有重覆(4重覆),而且是分工性強、跨領域廣、統合機構(林務局、林試所、東海大學、台灣大學)多之整合型計畫,亦為全球(尤其是東亞地區)的首創,倍受國際肯定。
(3). 本計畫之跨領域性
這個計畫參與研究人員的領域涵蓋極廣,包括氣象學、水文學、土壤學、植物學、動物學 (哺乳類、鳥類、兩棲爬蟲類、無脊椎動物)、真菌學、地衣學、苔蘚學、生態學、測計學、森林經營、木材物理學等。另有行政管理之配合 (疏伐作業、空航照像、網路架設、林道維修、研究建築物及內部裝潢等),經費支援超過780萬元,也是我國學術與管理單位首次如此密切的合作計畫。
(4). 本計畫之國際合作規畫
a. 為促進國際合作,我國研究人員曾於2005年4月27日組團到法國國家農業研究院(INRA)參訪並舉行研討會 (國科會計畫編號93-2911-I-054-007補助)。法國波爾多(Bordeaux)地區有100萬公頃的海岸松(Pinus pinaster)人工純林,與我國人工林經營同樣面臨生物多樣性、生態結構與功能、復育工程等待解決之問題。在我國國科會駐法代表(彭清次組長)的協助下,與法國INRA達成合作約定。
b. 今(2007)年10月15-19日在國科會(國科會計畫編號96-2911-I-466-001)及法國在台協會的補助下,舉行「台法人工林生態系經營與生物多樣性保育研討會」,並出版論文集Proceedings of Symposium on Ecosystem Management and Biodiversity Conservation on Plantation Forests in Taiwan and France。會議結束後雙方約定作進一步之相關學術研究合作。
c. 日本有極大面積之柳杉人工林,但並未有我國這種領先觀念與做法的研究計畫,因此計畫總主持人擬與日本筑波「森林總合研究所」進行國際合作,共同研究、討論人工林經營之經濟、社會、環境面向。
(5). 本整體計畫之協調整合
本計畫為跨領域的整合型計畫,協調與整合方式為:
a. 資源整合
(a). 成立資訊溝通平台
由林試所蓮華池研究中心負責聯絡各項活動:包括每月之「進度報告會議」(已有17次,每次皆有會議記錄在案);林道安全;網際網路Internet穩定性;住宿之登記與安排;車輛之調與安排;臨時緊急與危機處理 (林道突然中斷,研究人員被困山上;學生車輛出意外);安排直昇機空中紀錄 (平面與錄影) 林道冲蝕,疏伐作業後樣區之林相等三度空照紀錄。
(b). 行政支援整合
分別由林務局(林務局擁有林地管轄權;林務局南投林管處主管林道維護安全)及林試所(所有森林經營技術及相關行政支援,如疏伐作業設計、疏伐督工、疏伐材搬運、網路穩定性、臨時緊急處理如研究人員受困在山上等)配合支援。
(c). 儀器資源整合
本計畫包括生態系功能、生物多樣性與森林經營學研究三大項:環境監測 (氣象、水文、微氣候、土壤) 之儀器與資訊提供本身團隊與生物多樣性與森林經營研究之用。生物多樣性所設置之樣區管理 (如架設設置小樣區與架設儀器等),提供其他子計畫參考活用。
(d). 定期召開研究進度與協調會議
每月定期召開「進度報告與協調會議」。出席人員包括所有計畫主持人(13個子計畫,今年增為14個),參與之研究生,行政支援機構 (林試所經營組、林務局的造林組,南投林管處等)。此會議不但掌握研究進度與品質,且可培養「學術合作文化」。
(e). 舉行研討會、出版專訊與論文集
沿襲前期計畫的做法,前期計畫之活動包括:
- 出版《人工林生態系與生物多樣性保育經營專刊》之林業專訊一期 (第16卷第1期,96年2月)
-. 2007年6月召開國內之「人工林之生態系經營研討會」,出版《人工林之生態系經營研討會論文集》,將相關人工林(含本計畫之人工林及其他檜木林、杉木林等)之研究及成果發表,凝聚國內研究人員之共識。
- 2007年10月15-17日在台北舉行國際研討會:「台法人工林生態系經營和生物多樣性保育研討會」(由國科會及法國在台協會補助),並出版論文集Proceedings of Symposium on Ecosystem Management and Biodiversity Conservation on Plantation Forests in Taiwan and France一冊。
b. 人力配合度
(a) 總計畫主持人為林業試驗所研究員兼副所長,具備森林生態、野生動物、自然保育、生物多樣性等方面的專業素養,目前負責林業試驗所全所的研究管理,經常參與國際合作研究(例如:(i)中美合作計畫「颱風(颶風)干擾對森林節肢動物的影響」(美國NSF及我國國科會補助);(ii) DIVERSITAS in West Pacific and Asia (DIWPA)的International Biodiversity Observation Year (IBOY)國際合作計畫(日本京都大學推動),與日本、新加坡、馬來西亞、印尼、澳洲、斯里蘭卡等國同步,在各國一公頃的森林內,以8種標準化的方法調查森林節肢動物的多樣性),在研究計畫的整合、協調、跟催、管理方面經驗豐富(例如:(i)1998年擔任國科會「生物多樣性國家計畫之研究」計畫總主持人(子計畫3個,子計畫主持人及協同主持人合計7人);(ii)2003年擔任國科會「入侵種研究與管理」計畫總主持人(子計畫6個,子計畫主持人及協同主持人合計23人) (iii) 2006-2008年擔任農委會「因應京都議定書的林業經營策略」計畫,該計畫為部會協調之政策型優先計畫,子計畫15個),應可勝任本計畫的協調工作,落實計畫目標與願景。
(b) 參與本計畫之研究人員專業素質、工作熱誠、合作意願均高,田野生態學經驗豐富,近五年之學術表現優異,平均RPI值為50.75,高於2007年國科會生物處「生物多樣性學門」之平均RPI值(43.7)。下圖顯示,根據相同性質之研究成果發表趨勢(CTFS, 2007),本研究真正的成果要在5-6年後才會逐漸顯現,換言之,本計畫未來的學術表現還會更好。此外,各研究人員積極撰寫論文並參與各種學術性會議,與他國科學家溝通無礙,有助於國際合作。
c. 其他單位配合度:
林務局非常重視此計畫,已在研擬擴大應用此計畫之成果。此計畫除了科學研究上之必要性外,亦為建立「學術界合作文化」的成功範例。上期之全部計畫有10個子題 (其中國科會補助5個子計畫(每年計580萬元)、林務局補助4個研究計畫 (每年計400萬元),林試所補助1個計畫(計500萬元),東海大學補助100萬元),讓研究人員有為共同目標合作之機會。
一、研究總目標
森林為台灣最重要的生態系。依第三次台灣森林資源及土地利用調查資料,台灣全島森林覆蓋度超過百分之五十八,其中超過百分之七十六為國有林地。而在國有林地中,約四十二萬公頃為人工造林地。森林除孕育豐富又多采多姿的動植物生態體系外,對於國土保安及涵養水源也扮演重要角色。由此角度來看,人工林生態系實為台灣非常重要的生態系之一。
由於過去造林偏重於造林木之木材利用,因此形成大面積單純林相之林分結構。為符合現今人工林永續發展-生態系經營之理念,實有必要對現存之人工林實施疏伐作業,配合林下人工間植或天然更新方式形成混淆或複層林,以增加人工林結構之異質度和生物多樣性,達到生態系經營之目的。然而該如何疏伐,不同疏伐處理對生物多樣性及森林功能的影響為何,對原生樹種更新及復育的影響又為何,現今這方面的基本資料極度不足。現存的人工林與適地的未來人工林建造,在某些程度都屬復育森林生態系的範疇,需生態科學的知識,並需科學資料的提供,始能釐定這方面的經營法則與實施方法。本計畫主要目的之一即為取得相關資料,以做為研擬因應策略之依據。
二、整合之必要性及整體分工合作架構
生態系經營方面的研究,由於尺度大、影響因子眾多、參與物種複雜再加上環境的不確定性,需要各方專家的參與,才可能對複雜的系統有所瞭解。本計畫希望獲得最適當的人工林經營方式,使原生樹種得以自然復育、水土涵養的能力不受影響、生物多樣性增加及森林的總經濟價值最高。這些問題橫跨數個領域,若無不同領域背景之學者參與,將無法獲致完整的答案。
針對此一重要議題,由行政院農業委員會林業試驗所主導,整合林試所經營組、經濟組、集水區經營組、生物組;台灣大學森林系、農化系,屏東科技大學森林系及東海大學生命科學系等十五位學者專家組成研究團隊,針對台灣中部林試所蓮華池研究中心及附近林務局南投林管處之杉木人工林,設立永久實驗樣地,研究不同之疏伐作業,對該人工林組成結構、原生樹種之更新復育、碳吸存及固定、森林功能(微氣候、水文及土壤沖蝕)、生物多樣性(脊椎、無脊椎及植群)等之影響;並利用林木生長模式、市場價格評估法,模擬林木生長,應用非市場價值評估法估測生物多樣性及總經濟價值,最後研提相關因應策略,供作人工林生態系經營及生物多樣性保育之參考。
三、各子計畫間之相關性與整合程度
本研究將於林試所蓮華池研究中心及附近林務局南投林管處之杉木人工林內,挑選五處造林年齡相似(約三十年)之杉木林,以一公頃面積為單位設立試驗樣區,進行0%,12.5%,25%及50%四種不同的疏伐處理,共將建立二十公頃的試驗樣區。所有子計畫均將以此二十公頃樣區為研究地點,並依子計畫之需要在一公頃樣區內設立小樣區。疏伐前、後將定期在試驗樣區內進行原生樹種、脊椎動物(包括哺乳動物、鳥類及兩棲爬行動物)、無脊椎動物(包括昆蟲綱、蛛形綱、十足目及水生無脊椎)之調查,並監測微環境變化、落葉分解速率、土壤養分循環、水土保持、植物光合作用及碳吸存等,以了解不同疏伐處理對生物多樣性、原生樹種復育及森林功能之影響。
本計畫以共同樣區作為研究地點,結合多領域背景之優秀學者,進行長時間、大面積的研究,並從多個向面探討不同疏伐處理對人工林生態系的影響。在林務局的大力支持配合下,相信此研究團隊,將可發揮各自專長,同心合力共同達成計畫目標。
四、預期綜合效益
本計畫之研究結果將可提供林務局、環保署或其他土地管理機構制訂相關政策之資料及理論基礎。此外各縣市政府農林及環保管理單位、各大學及研究機構、民間環保團體等,亦可使用本計畫之研究結果作為經營管理政策之制訂、學術研究之方向及應用之參考。本計畫之研究結果也將提供合乎潮流之生態系經營法則。此外,本計畫之成功運作將可建立合作機制,為跨機構、跨領域之整合型計畫建立模式,並培植更多年輕生態學家接棒持續研究。
第二期 (2008 - 迄今)
計畫項目 |
主持人 |
服務機構/系所 |
職稱 |
計畫名稱 |
補助單位 |
總計畫 |
林國銓 |
林業試驗所 |
研究員兼副所長 |
柳杉人工林疏伐經營對生物多樣性、生態系結構與功能影響及復育過程之研究 |
國科會 |
子計畫一 |
王明光 |
台大農化系 |
教授 |
人工林疏伐前後土壤養份動態轉變與落葉分解速率之研究 |
林務局 |
子計畫二 |
郭耀綸 |
屏科大森林系 |
教授 |
疏伐對柳杉林地土壤呼吸之影響 |
國科會 |
子計畫三 |
陳明杰 |
台大森林學系 |
教授 |
人工林不同疏伐強度作業對林地微環境及地表逕流、土壤沖蝕之影響 |
國科會 |
子計畫四 |
林登秋 |
台北教育大學社會科教育學系 |
教授 |
人工林疏伐對生態系碳平衡影響之評估 |
林務局 |
子計畫五 |
汪碧涵 |
東海生命科學系 |
教授 |
人工林不同疏伐強度作業對大型真菌組成結構與多樣性影響之監測與評析 |
林務局 |
子計畫六 |
謝宗欣 |
台南大學生物科技學系 |
教授 |
人工林不同疏伐強度作業對地被層之影響 |
林務局 |
子計畫七 |
林仲平 |
東海生命科學系 |
助理教授 |
人工林不同疏伐強度作業對昆蟲族群及群聚組成之影響 |
國科會 |
子計畫八 |
卓逸民 |
東海生命科學系 |
教授 |
人工林不同疏伐強度作業對蜘蛛群落之影響 |
林務局 |
子計畫九 |
林惠真 |
東海生命科學系 |
教授 |
人工林不同疏伐強度作業對底棲無脊椎動物群聚動態之影響 |
林務局 |
子計畫十 |
林良恭 |
東海生命科學系 |
教授 |
人工林疏伐作業後鳥類與哺乳動物之棲地選擇 |
國科會 |
子計畫十一 |
孫義方 |
東海生命科學系 |
副教授 |
人工林不同疏伐強度對原生樹種更新與森林復育之研究 |
國科會 |
子計畫十二 |
汪大雄 |
林業試驗所森林經營組 |
研究員 |
疏伐作業對柳杉人工林空間結構和材積生長之影響 |
國科會 |
子計畫十三 |
邱志明 |
林業試驗所森林經營組 |
研究員兼組長 |
孔隙疏伐對柳杉人工林材質影響之研究 |
國科會 |
子計畫十四 |
黃正良 |
林業試驗所蓮華池研究中心 |
副研究員兼主任 |
柳杉人工林疏伐與天然林復育之微環境及生物多樣性動態之研究 |
林試所 |
第一期 (2005 ~ 2008)
計畫項目 |
主持人 |
服務機構/系所 |
職稱 |
計畫名稱 |
補助單位 |
總計畫 |
金恆鑣 |
林業試驗所 |
所長 |
永續會 |
|
子計畫一 |
汪大雄 |
林業試驗所 |
研究員 |
永續會 |
|
子計畫二 |
台大農化系 |
教授 |
永續會 |
||
子計畫三 |
台大森林學系 |
教授 |
永續會 |
||
子計畫四 |
屏科大森林系 |
教授 |
永續會 |
||
子計畫五 |
東海生命科學系 |
副教授 |
永續會 |
||
教授 |
|||||
子計畫六 |
東海生命科學系 |
教授 |
永續會 |
||
副教授 |
|||||
助理教授 |
|||||
子計畫七 |
東海生命科學系 |
教授 |
林務局 |
||