保水保家植物对雨水截留的贡献.doc

保水保家植物對雨水截留的貢獻摘 要 臺灣屬於山高且河川短易缺水的海島，地面水因地勢關係容易流入海洋，如果降水未經截留作用，淡水勢必很快就流入海洋，導致地下水難以得到補充，缺水情形就會更加嚴重。樹林中的降水分成株外降雨量、穿落量、植物幹流量及植物截留量等四部份。而本研究利用模擬實驗探討植物的雨水截留作用，發現當植物葉片總表面積相同時，表面積大者，降水截留量較大。葉片朝向也會影響截留量，葉尖朝下生長的葉片較水平伸展和葉尖朝上的葉片截留能力強。相同葉片大小時，葉片數量愈多的植株，其鬱密度愈高，截留量也較強。植株上具有附生植物，其截留能力較強，降雨量能有較充分的利用時間。根據實地測量也可佐證有附生植物的森林，形成共生型的截留效用，使得林內的溫度及相對濕度的變化量較無附生植物的森林來得緩和，森林更顯得翠綠。 校園的景觀佈置中若能考慮栽植葉片面積較大、樹冠葉片數量多的樹種，並且移植附生植物至樹幹上，除了可以增加環境的多樣性外，更可以增加雨水的截留量，讓降水不會直接流失而難以利用。關鍵詞：降水、截留量、附生植物壹、研究動機 有一次和老師到阿里山部落進行冬季訪問時，發現溪流兩側的森林景色截然不同，左岸森林呈現枯黃，右岸則是林木蒼翠，為何同一條溪流的兩岸卻有這麼明顯的差異存在呢？為什麼較蒼翠的樹林中其樹木植株上大多長有附生植物呢？種種的問題引起我們研究的興趣。貳、研究目的 一、實地測量所見溪流兩側森林邊緣的溫度與濕度之差異 二、植物的葉片大小對雨水截留量的影響 三、植物枝葉的角度對雨水截留量的影響 四、植物枝葉疏密情形對雨水截留量的影響 五、附生的植物對雨水截留量的影響叁、研究器材 童軍棍PVC塑膠布水桶塑膠葉片大燒杯電子式溫濕度計竹竿礦泉水塑膠桶崖薑蕨鳥巢蕨影印紙電子天平絕緣膠帶數位相機塑膠繩大塑膠盆大量筒 肆、研究步驟 一、實地測量 選擇2個寒流來襲日及2個艷陽日的中午，至前提有差異的森林(見照片1)，沿著產業 道路前進，隨意選擇10個觀測點，利用電子式溫濕度計測量樹蔭下離地1.25公尺高 處的溫度與相對溼度，並求平均值。 二、自製降水模擬器 (一)將半徑25 cm的大塑膠盆由中心向外以輻射狀每間格10 cm鑽一小孔。 (二) 將2枝竹竿的一端於樓梯間的平台上固定成V字型，另一端懸空處則固定降雨器 的塑膠盆兩耳 (見照片2)。照片1：右側樹林枯黃，左側較翠綠照片2：自製降水器 三、模擬樹的裝設 (一)取4個空的礦泉水塑膠桶作為底座，並將童軍棍插入桶內。固定牢固後，再用絕緣 膠帶將棍子與桶子間的空隙補滿充當樹幹。 (二)將大小不一的塑膠葉片其輪廓描繪在影印紙上，並沿描繪邊線將所繪的圖形葉片裁 剪下來，各取10片秤重，不同面積的紙葉片紀錄重量為W1。 (三)將10張A4影印紙裁成21.0 cm 29.7 cm大小的紙片秤重，紀錄重量為W2。 (四)利用重量比較法換算出塑膠葉片的平均面積。 計算公式： 塑膠葉片的平均面積 / W121.0 cm 29.7 cm / W2 (五)先取總面積2015 cm2的不同數量塑膠葉片固定於3組人工樹幹上製作實驗用模擬樹 且依葉片數量由少至多定為乙、丙、丁，並且頂端葉片位置與最底層的葉片位置相 距1/2樹幹長。 甲樹：完全沒有樹葉的模擬樹幹。 乙樹：單片葉片面積最大而且葉片數最少。 丙樹：葉片面積較大的楓樹。 丁樹：葉片面積較小的楓樹。 四、容器附著水分的測量 (一)量筒方面：分別取兩支1000 ml的大量筒裝水至1000 ml刻度時，再分別倒入100 ml 的量筒中，測量100 ml量筒裡的水量，紀錄兩支大量筒所減少的水量便是大量筒內 壁所附著的水量，重複5次求得平均值為m1。 (二)水桶方面：利用兩支1000 ml的大量筒分別量取1000 ml自來水倒入水桶中，然後 再將水桶的水倒回大量筒中，減少的水量就是水桶壁與大量筒內壁所附著的水量， 扣除m1後，連續5次求得平均值為m2。 (三)塑膠布方面：量取2000 ml自來水倒在地面塑膠布上，然後將塑膠布上的水倒入水 桶中，再量取桶中的水量，重複5次求平均值為P1。所以塑膠布上附著的水量： m3=(2000-P1)-(m2+m1)。 (四)降水模擬器方面：量取2000ml自來水迅速倒入降水模擬器中，使之降水，待模擬 器不再滴水時，測量塑膠布所收集的水量，重複5次求平均值為P2，所以降水模擬 器所附著的水量：m4=P1-P2。 五、模擬樹木各部位截留水量的測定 (一)模擬樹幹留量測定 將沒有枝葉的模擬樹幹甲置於降水模擬器下方。量取2000 ml的自來水，迅速倒入 降水模擬器中，待降水模擬器不再滴水而且模擬樹幹也不再滴水時，移開模擬樹 甲，量取塑膠布收集的水量，重複五次求平均值為P3。 所以模擬的樹幹截留的水量m5=P2-P3。 (二)葉片總表面積相同，葉片數目不同，枝葉截留量測定 依次將乙、丙、丁三模擬樹置於降水模擬器下方，迅速倒入2000ml的自來水於降水 模擬器中，直到葉片不再滴水時(見照片3.4)，移開模擬樹，並測量鋪在地面塑膠布 所收集的水量，連續測量五次求得平均值為P4，所以樹枝及樹葉所截留的水量 m6=P3-P4。 (三)相同葉片總表面積，不同葉片朝向的角度，枝葉截留量測定 1.依次將葉片調整為水平展向，並在降水模擬器中倒入2000 ml的自來水，測量鋪在 地面上塑膠布所收集的水量，連續測量五次求得平均值為P5。 2.將葉片調整為葉尖朝上並高於葉柄，並在降水模擬器中倒入2000 ml的自來水，測 量鋪在地面上塑膠布所收集的水量，連續測量五次求得平均值為P6。 3.將葉片調整為葉尖朝下並低於葉柄，並在降水模擬器中倒入2000ml的自來水，測 量鋪在地面上塑膠布所收集的水量，連續測量五次求得平均值為P7。 4.比較P5、P6、P7雨水截留量的關係。 (四)相同葉片大小，不同葉片數量，枝葉截留量測定 1.將乙樹葉片調整為水平展向，裝於樹幹的葉片數量依次為1片、3片、5片及7片。 2.於降水模擬器中倒入2000 ml的自來水，測量鋪在地面上塑膠布所收集的水量，連 續測量五次求得平均值P8。照片3-1：丙樹截留實驗照片3-2：丙樹截留實驗照片3-3：丙樹截留實驗照片4：丁樹截留實驗 六、叢狀附生蕨類雨水截留量的測定 (一)將蒼翠森林中取回的崖薑蕨與鳥巢蕨各5叢，置於舊報紙上，吸取基部及葉片上 殘留的水分，2天後再分別將蕨類放入塑膠袋中，秤取每袋植物乾重W1後備用。 (二)取出塑膠袋中的蕨類，置入裝水的水桶中，浸泡自來水十分鐘後，再將蕨類由水 桶中取出，置於水槽上方滴水，直到植株不再滴水時，置入塑膠袋中秤重，量取溼 重W2。 七、模擬樹幹上附生蕨類降水截留量的變化 (一)分別將甲、乙、丙三株模擬樹上離地70公分處，固定一株崖薑蕨，並量取2000 ml 的自來水，倒入降水模擬器中，測量鋪在地面上塑膠布所收集的水量，連續測量 五次，紀錄測量結果求得平均值(見照片5)。 (二)與未固定崖薑蕨的模擬樹所測得的結果進行比較。 (三)取下崖薑蕨換上鳥巢蕨進行測試。 (四)其餘步驟同(一)和(二)。照片5-1：甲樹與附生的崖薑蕨照片5-2：甲樹的崖薑蕨近照照片5-3：乙樹與附生的崖薑蕨照片5-4：乙樹與附生的崖薑蕨近照照片5-5：丙樹與附生的崖薑蕨照片5-6：丙樹與附生的崖薑蕨近照照片5-7：甲樹與附生的鳥巢蕨照片5-8：甲樹附生的鳥巢蕨近照照片5-9：乙樹與附生的鳥巢蕨照片5-10：乙樹與附生的鳥巢蕨近照照片5-11：丙樹與附生的鳥巢蕨照片5-12：丙樹與附生的鳥巢蕨近照伍、研究結果 一、溪流兩側森林邊緣冬季的溫溼度變化 (一)測量人員分成2組沿著產業道路同步進行測量，正午所測得的平均溫度是樹幹上 有附生植物的左岸森林溫度為18.9 ；較沒有附生植物右岸森林的19.5 低0.6 。寒流來襲時所測得的左岸平均溫度14.2 ，較右岸的12.7 高出1.5 ， 足見左岸的溫度差異較小(如表1)。而且沒有附生植物的森林落葉明顯地面上乾 燥；有附生植物的森林則仍是一片翠綠(見照片6)，地面較潮濕。 表1：河道兩側所測得的平均溫度 單位：項目室外左岸右岸冬季平時20.518.919.5寒流來襲1314.212.7溫度差()照片6-1：葉片較大的附生植物照片6-2：葉片較小的附生植物 (二)所測得的相對溼度則是有附生植物的左岸森林為59.8也較沒有附生植物的右岸 森林53.6平時高出平均6.2；寒流來襲時則左岸森林為46.1較右岸森林的 44.1高出2(如表2)。氣候變化對有附生植物的左岸森林所測得的平均相對濕 度差仍會較大。 表2：河道兩側所測得的平均相對濕度 單位：項目室外左岸右岸冬季平時51.959.853.6寒流來襲42.646.144.1相對濕度差()9.313.79.5 二、模擬樹木降水截留量的差異 依照經濟部水資源局的資料，一年降到台灣土地的雨量中，25的雨水被蒸發到大 氣中，剩餘的降水則有近60的比例則是藉由河川直接流入大海中。 (一)實驗測量時容器可能被忽略的附著水量 1.由於是模擬實驗所以會使用很多的容器及收集工具，浸泡過自來水後，均會殘 留附著的水分，所測得的結果如表3。 2.測得容器及收集工具所附著的水量則是： 塑膠布m3水桶m2 自製降水器m4大量筒m1。 表3：各容器所附著的平均水量 單位：ml項目大量筒m1水桶m2塑膠布m3自製降水模擬器m4平均附著水量1.282.828.042.54 (二)相同葉片總表面積，不同葉片數量的截留量 1.塑膠葉片只選擇3種大小不一的規格，以利變因的控制。 2.依照表4所測得的質量，根據質量比較法所換算的葉片平均面積為： (1)最大的葉片A面積為247.75 cm2。 (2)次大的葉片B面積為23.15 cm2。 (3)最小的葉片C面積為20.23 cm2。 表4：由質量所換算的面積 單位：cm2項目A4影印紙葉片A葉片B葉片C質量(g)5.1182.0330.190.166單片面積(cm2)623.7247.7523.1520.23 3.甲樹只有樹幹沒有葉子屬於樹幹雨水截留，乙丙丁三樹的葉片總面積設定為 1732.5 cm2；所以乙樹樹幹約有7片大葉，丙樹樹幹約有75片葉片，丁樹樹幹約 有98片葉片。 4.所測得的降水平均總截留量：乙樹(185.6 ml)丙樹(65.4 ml)丁樹(58.4 ml)；亦 即樹葉的總表面積相同時，葉片面積越大者如A其降水總截留量越多(如圖1)。 5.由連續五次測量的結果，發現連續降雨時第1次或第2次的截留效果最好，截 留量達到最高，第3、4、5次所測量的結果差異不大，而且截留量均較第1、2 次為低(如附表4)。 三、相同葉片數，不同葉片朝向的降水截留量 (一)葉片的不同朝向會影響到被截留水分的流動方向，所測量的截留量結果則是葉尖 朝下(196.0 ml)葉尖呈水平(185.6 ml)葉尖朝上(158.0 ml) (如圖2)。 (二)連續截流水份的能力則因葉片朝向也有所不同，葉片面積最大的葉片其葉尖朝上 時在第1次降水時截留量達到170 ml，隨後的截留量就趨於穩定的165 ml，葉尖呈 水平及葉尖朝下的樹木則是在第二次降水時截留量才達到最高(如附表5)。 四、相同葉片大小，不同總表面積的降水截留量 (一)由圖3結果顯示葉片總面積越大降水截留量也會越大；7片葉片的平均總截留量達 185.6 ml，單片葉片則為23.0 ml。 (二)而總表面積越大在連續降水截留量的測試中也較慢達到最大值； 7片葉片在第二 次降水時才達到截留量的最大值(如附表6)。 五、附生植物的降水截留量 (一)將叢狀的崖薑蕨和碗狀的鳥巢蕨浸泡自來水後取出(見照片7)，所測得平均截留量 以鳥巢蕨的0.87毫升 / 克優於崖薑蕨的0.73毫升 / 克(如圖4)。 (二)甲、乙、丙三株模擬樹附加崖薑蕨後，降水截留量均優於沒有附生植物的模擬樹(如 圖5)，而且在連續降水的截留量上，乙樹在第2次才到達最大值，隨後便趨於穩定 (如附表8)。 (三)甲、乙、丙三株模擬樹附加鳥巢蕨後，降水截留量也優於沒有附生植物的模擬樹(如 圖6)，但是比單叢鳥巢蕨所截留的水量少，連續降水的截留量測定也是第2次達最 高峰隨後便趨於穩定(如附表9)。 六、單獨的模擬樹木在降水的截留效果中最小可以攔截2.12；最多降水的截留量可以 達9.8。若有附生植物則降水的截留量最大可達19.95。 照片7-1：附生碗狀的鳥巢蕨照片7-1：附生叢狀的崖薑蕨陸、討論 一、自然界中的水循環若能有多樣化的循環路徑，該地區的水資源就較不虞匱乏。根據文 獻資料，我們嘉義地區可能形成的水循環路徑整理如圖7。 水蒸氣 空中冷凝 降水 河、海水蒸發 植物蒸散作用 液態降水 固態降水 (雹、雪) 地表逕流 地下水 融化 圖7：嘉義地區的水循環路徑圖 二、台灣的降水主要依賴三四月的春雨期，五六月的梅雨期及七八月的颱風雨。年平 均雨量平地約2000 mm，山地約4000 mm，假如降水過於集中，或是過於分散均會造 成水患。由於臺灣山高且河川短，地面水很容易就流入海洋，無法讓陸地上的生物充 分利用。如能做好國土保育，降低地面逕流量及逕流速率，增加土壤入滲速率的技術， 使降雨儘量進入土壤，一方面減低地面被沖刷；另一方面雨水進入土壤後再慢慢釋 出，不但可發揮土壤的淨水能力，也可讓溪流源源不斷，增加河水引用量和地下水的 補注。但是，地下水的形成非常緩慢，需仰賴地面水緩緩的滲入地層。如果降水未經 截留作用，勢必會因地表逕流流速過快，導致淡水很快就會流入海洋，地下水更難以 得到補充，缺水情形就會更加嚴重。森林是臺灣降水截留最有效的方式。但是，由於 各地森林的生態不同，所以乾旱時期各地呈現的景象也不同。 三、目前國內針對降雨截留的研究多採用實地研究，較難控制植物葉片的總面積，葉片朝 向及樹幹上附生植物等影響因子，所以我們才會想用模擬的方式來探討截留作用的基 本影響因素。 四、當森林上空降水時，所落下的雨水會分成株外降雨量、穿落量、植物幹流量及植物截 留量等四部份。除了植物截留量及植物幹流量可以緩和地面逕流的流速外，其餘二種 方式均會使雨水快速流失。而截留的雨水可經由蒸發作用再回至大氣中。樹冠可視為 降雨與逕流間之緩衝帶，可以截留部份降水，減緩雨滴直接衝擊地表，降低土壤沖蝕。 雨水降落地面後，入滲至土壤中形成土壤水，或滲漏至更深層之土壤而成地下水，最 後再流入河川。 五、由於我們採用模擬實驗需使用的工具較多，加上水份很容易在物體表面上附著，所以 我們將所有的容器均測試水分殘留量，後來計算雨水截留量時，發現只要使用相同的 容器及方式，原本以爲會造成干擾的誤差均互相抵銷。 六、當葉片總面積相同時，葉片大者其葉片數較少，每一片葉片和雨水較容易充分接觸， 雨水的截留量很快就達到飽和點，葉片較小者則因互相遮蔽的情形較明顯，需經連續 降雨才能使每一片葉片充分和雨水接觸，造成截留量達到飽和點的時間延後，根據查 到的資料，熱帶雨林及國內低海拔原生林大多為闊葉林，寬大的葉片除了可以成爲競 爭光合作用的利器外，也可以在下雨時儘快截留水分以利本身利用。 七、葉片朝向也會影響到降水的截留量；葉尖朝上時，部分截留的水分便會因重力作用， 由葉面順著葉柄往樹幹流動，增加幹流量的流失。葉尖朝下時，葉面截留的水分會沿 著葉片往葉尖和葉緣流動，必須累積到一定的水珠重量才會往下滴落，延長水分在葉 面上停留的時間。葉面呈水平伸展時，垂直降落的雨水在接觸葉片時，會産生葉片抖 動的力量，使得原本截留在葉面上的水分較葉尖朝下時容易滴落，所以葉尖朝下的葉 片其截留能力較葉面水平及葉尖朝上好。 八、當葉片大小一致所使用的葉片數量愈多時，葉面總表面積也會愈大，植株產生的鬱閉 度也愈大，平均截留量也會較大，需較多的降水才會達到飽和截留量，模擬實驗的假 設與結果和所查到的資料植物樹冠的鬱閉度與截留能力呈正相關相符合。 九、附生植物會依附在植物的枝幹上，較地面植物更容易獲得日照，但是必須依賴自己截 留的水份維生。就降水截留能力而言，附生植物依附枝幹上就可以延緩幹流量的流失。 崖薑蕨會利用地下莖纏繞枝幹，而且枯死的葉片基部並不會脫落，加上地下莖長有密 密的絨毛更加強降水截留的能力。鳥巢蕨呈碗狀生長，地下莖會長出許多黑色的不定 根，彼此互相纏繞，而中空死亡的不定根除了可以截留水分外，也可以分解提供作為 肥料。崖薑蕨未脫落的葉片基部及鳥巢蕨纏繞的不定根，更滋養了許多蘚苔植物，而 蘚苔植物更可以像海綿一般吸附水分，使得崖薑蕨和鳥巢蕨截留量在0.7毫升/克以 上，遠比沒有附身植物的模擬實驗截留量來的高(見照片9)。 十、藉由模擬實驗也可解釋為何相距不遠的森林，冬季時一邊仍是翠綠，林內的溫度及相 對溼度會較另一枯黃的森林來的高而且穩定，因為附生植物和植株間產生微妙互利作 用。目前有許多農墾林的耕作者，常常誤以為附生植物會和作物競爭肥料，阻礙作物 成長，而將附生植物全面清除。殊不知附生植物可將雨水截留然後慢慢釋放出來，讓 植物根部獲得水分的時間增長，更有利作物成長。 十一、校園內由於經過景觀設計，甚少考慮樹種及附生植物的影響，如果能讓樹木與附生 植物形成穩定的環境，一定可以讓降雨的流失速率減緩，減少學校所需澆灌植物的次 數。照片9-1：崖薑蕨枯葉會宿存和新葉成叢狀照片9-2：地下莖有絨毛增加截留效果照片9-3：鳥巢蕨葉片輻射生長，中心區域成碗狀照片9-4：鳥巢蕨根部和蘚苔類共生截留效果更強柒、結論 台灣的降水主要依賴三四月的春雨期，五六月的梅雨期及七八月的颱風雨。森林上空 所落下的雨水會分成株外降雨量、穿落量、植物幹流量及植物截流量等四部份。臺灣屬 於山高且河川短的海島，地面水很容易就流入海洋，如果降水未經截留作用，勢必會因 地表逕流流速過快，導致淡水很快就會流入海洋，地下水更難以得到補充，缺水情形就 會更加嚴重。由模擬的實驗結果可以發現以下結果：一、總表面積相同時，葉片表面積大者，降水截留量較大，也較快達到最高峰。二、葉尖朝下生長的葉片較水平伸展和葉尖朝上的葉片截留能力強。三、葉片大小一定時，葉片數量愈多的植株，其鬱密度愈高，降水截留量也較強。四、有附生植物的植株，其截留能力較強，幹流量及地面逕流的流失速率也相對減緩，降 雨量能有較充分的利用時間。實地測量也可佐證：有附生植物的森林，其溫度的變化 量較無附生植物的森林來得小及林中的相對濕度也較高。五、校園的景觀佈置中若能考慮栽植葉片面積較大、樹冠葉片數量多的樹種，並且移植附 生植物至樹幹上，增加雨水的截留量，讓降水不會直接流失。捌、參考資料林憲德。(2004)。我愛綠建築：健康又環保的生活空間新主張。新自然主義。台北。 林憲德。(2004)。永續校園的生態與節能計畫。詹氏書局。台北。 郭城孟。(2001)。蕨類入門。遠流。臺北。 瑪麗亞安東涅塔德爾莫羅著; 李傳芝譯. (2002)。千姿百態的植物。明天出版社。 中國。 郭重吉主編。(2008)。國中自然與生活科技。第2冊。南一出版社。台南。 經濟部水資源局。2008.10.02。.tw/wrweb附件附表1：各測點所測得的溫度 單位：項目左岸右岸戶外平均溫度1420211214202112測點11418.520.513.513192013.5測點215.519211413.5192010測點314.51819131418.520.512.5測點415191814.513201912.5測點51618.518.51512.5192110.5測點614.5171814141819.511測點715191913.51418.51812測點815.517.5201313202111.5測點913.517211214.5192013測點10141820.513.5141920.512平均溫度14.7518.1519.5513.613.55192011.85附表2：各測點所測得的相對溼度 單位：項目左岸右岸戶外相對溼度44.651.252.540.544.651.252.540.5測點1465962.543.642.9575642測點245.261.261.344.144.756.65742.5測點348606243.246.352.552.540.5測點450.757.664.144.5465353.641.9測點5496459.340.644.852.25240測點646.855.258.741.84551.45343測點74953.76044.145.552.954.543.5測點852.45561.542.749535443測點953.659.859.3