100年度遙測技術在森林健康、生長量與碳吸存之研究(2/3)

計畫目標：

研究成果：

1. 成果摘要：
   1. 植生碳吸存估算：蒐集處理2003年10月至2006年9月、以及2010年10月至2011年9月Terra/Aqua -MODIS MOD17產品資料，完成台灣本島、各氣候區、植群帶、林區、以及特定人工林的森林碳匯評估，並藉由時序性的資料分析，瞭解總初級生產力、淨初級生產力的季節性變化，探討影響森林碳匯功能的可能因素；在地面驗證資料上，分析霞雲、巴陵、東石、嘉義氣象站二氧化碳的時序性變遷，並進行通量資料律定及淨生態系統生產力、總初級生產力的推演，完成遙測成果的初步驗證；並透過永久樣區資料的蒐集彙整，分析歷次調查成果在地理氣候區及植群帶的碳蓄積變化量及碳吸存量。
   2. 森林生長估算：藉由2010年10月至2011年9月各月份Terra/Aqua-MODIS MOD15葉面積指數產品的處理分析，瞭解各植群型態及特定人工林的森林樹冠生長及葉面積變化情形，並在嘉義蘭潭及台中大雪山山區建立葉面積指數地面測區，進行闊葉、針闊混合林、針葉林、及初植造林地的每月實測，建立遙測與地面資料的分析比對程序。
   3. 森林健康評估：透過Terra/Aqua-MODIS MOD13產品十年期的植生指標分析，建立植生指數參考基準，並藉此與歷年植生資料比較，探討森林健康與異常情形，並以案例分析方式，探討森林火災、植生乾旱、地表崩塌等事件所造成的植生異常事件，評估MODIS植生指標在森林健康的應用效能。
2. 計畫執行成果：
   1. 森林碳吸存估算:
      • 完成2003年10月至2006年9月、以及2010年10月至2011年9月Terra/Aqua -MODIS MOD17產品資料的蒐集處理，以及全台各地理氣候區、植群帶的碳匯分佈分析，並選取均質樣區，進行柳杉、紅檜扁柏、二葉松人工林以及多種林型的碳匯比較。
      • 透過2001~2006年MODIS淨初級生產力的估算，台灣全島平均每年每公頃區域能吸存約6.34~13.08公噸的碳量(以平均值±1標準差估算)，如以國有林區範圍進行分析，著重於森林生態系的碳吸存，則每公頃能吸存7.74~13.36公噸碳量；而在在台灣本島所屬的七個地理氣候區中，國有林區內的森林碳吸存大抵呈現由南向北逐漸遞減的趨勢，最南側的SE區由於充足的日照，以及相較於西部區域較不明顯的乾季，且以中低海拔的榕楠林及楠儲林帶為主要林相，呈現出最高的淨初級生產力，平均每年每公頃區域能吸存11.27~17.83公噸的碳量，而位處最北側的NE區，恆濕型的氣候型態及雲層雲霧覆蓋，造成較低的光合作用有效輻射及植生生產力，平均吸存約6.92~11.14公噸的碳量。
      • 在碳吸存的植群分佈上，隨著高度海拔的提升，林相由榕楠林、楠櫧林、櫟林，轉變為以鐵杉、雲杉、冷杉為主的高山植群，固碳能力亦逐漸下降；以季節性趨勢而言，總初級生產力(GPP)在6月底至7月初，臨近夏至的時期達到生產量高峰，但實際的生長旺期，約在3月底即達到極大期，並反應在最高的淨光合作用量(PSNnet)，會有此3個月的生長季落差，與植物葉面與細根的呼吸作用有關。
      • 在各林區中，花蓮林區由於面積較廣，碳吸存為所有林區最高，2003及2004年碳匯量分別達到3.18及3.42百萬噸，但若考量單位區域的固碳能力，則以位於南部地理氣候區(SE、ES、SW)的台東、屏東、嘉義林區較高，平均每年每公頃達到10.33-12.07噸的固碳效能。
      • 透過霞雲、巴陵、東石、嘉義氣象站渦流協變系統通量資料的分析，能呈現出各測站二氧化碳濃度的日夜變化及季節性變遷，日間的淨生態系統生產力與光合作用有效輻射強度有關，而夜間的二氧化碳排放(呼吸作用)則與夜均溫及蒸發散量呈現相關。
      • 在地面驗證資料上，本計畫進行通量資料律定及淨生態系統生產力、總初級生產力的推演，完成遙測成果的初步驗證；初期比對成果顯示遙測與通量資料的季節性趨勢相符，相關係數0.79，但若進行量級上的比較，則遙測成果呈現高估的趨勢(GPP高估30.02%，NPP高估約18.93 %)，且在生長季的高估現象更為明顯，推測可能與光合作用有效輻射分量的高估，或與假定中恆定的最大光能利用效率有關；但目前僅完成單點資料的驗證，實際應用情形，仍有待多點多地貌測站較完整的評估。
      • 為分析國有林區的碳匯分佈情形，本計畫並透過永久樣區資料的蒐集彙整，分析歷次調查成果在地理氣候區及植群帶的蓄積量、碳蓄積變化量及碳吸存量，研究成果顯示，在各地理氣候區中，以位處西部的CW、SW、及NW蓄積量較高(所有樣區平均值)，並以位於中央山脊南北兩端的東北部NE區，及東南部SE區蓄積量較低，但如以碳匯效能來看，則以以南部的SW、ES、及SE區具有較高的碳吸存量，平均值介於4.57~4.72 tC/ha/yr之間，而北部的EN區及NE區較小，其值約為3.70~3.85 tC/ha/yr，故在空間趨勢而言，反應出光合作用量的南北差異，與地表淨輻射量的緯度分佈有關。
      • 經由永久樣區與遙測碳匯成果的比較，在量級上，遙測約為永久樣區成果的2~2.5倍，其差異原因仍需進一步探討。
   2. 森林生長分析:
      • 完成2010年10月至2011年9月Terra/Aqua -MODIS MOD15產品資料的蒐集處理，進行國有林區各植群帶葉面積指數分析；並選取均質樣區，進行柳杉、紅檜扁柏、二葉松人工林以及多種林型的季節性生長比較。
      • 2009年10月至2011年9月的研究成果顯示，當海拔上升，國有林區內各植群帶葉面積指數有逐漸下降的趨勢，其中中低海拔的闊葉林帶，如榕楠林、楠櫧林與櫟林帶下層，呈現的葉面積指數較為相似，而櫟林帶上層為針闊葉混合林型，葉面積略低於闊葉林的冠層狀態，其他如鐵杉、雲杉及冷杉林帶均為針葉林及高山植群，其葉面積較低；以生長情形來看，各林帶季節性的生長反應呈現相似的趨勢。
      • 本計畫透過植冠分析儀，進行每月至每兩月的地面資料收集，研究區域包含常綠闊葉林(嘉義蘭潭測區)、針葉林、針闊混淆林(台中大雪山測區)等不同林型，並進行不同年齡人工林、坡向、林型間的葉面積指數比較，
      • 透過系統性取樣與高解析衛星影像的應用，完成遙測與地面實測資料的初期比對，研究顯示兩資料成果呈現近似，但由於僅針對少數點位進行比較，遙測在大區域的應用效能仍有待多點多地貌的比對驗證，以提升在統計上的代表性。
   3. 森林健康評估:
      • 完成2010年10月至2011年9月Terra/Aqua-MODIS MOD13植生指數產品(NDVI及EVI)的蒐集處理，並透過十年期的植生指標分析，建立植生指數參考基準，並藉此與歷年植生資料比較，探討森林健康與植生異常情形，
      • 以案例分析方式，探討森林火災(阿里山(2009/1/12)、丹大(2004/11/21)、梨山(2009/9/12))、植生乾旱(2002年中西部山區、2003-2004年西北部山區)、地表崩塌(八八風災)等事件所造成的植生光譜異常反應。
      • 透過現地調查及多元資料的比對分析，佐證阿里山火災及2002年乾旱事件的分析成果。
3. 檢討與建議：
   1. 森林碳吸存估算:
      • MODIS遙測能提供規律常態性的全島碳匯定量監測，但由於中尺度空間解析力的限制，在地形地貌複雜度較高的台灣地區，考量地區均質性及空間對位的誤差，較不適宜進行單點資訊的應用，或針對特定的小範圍區域進行分析，而較適合提供大範圍區域的碳吸存概觀資訊。
      • 渦流協變性系統提供高時間解析度的實地觀測資料，不僅能提供二氧化碳動態的變化資訊，也能透過氣象、水文、輻射等觀測參數的綜合分析，探討影響碳吸存的控制機制，但由於侷限於少數塔台點位的觀測，較難在空間上提供碳吸存的分佈趨勢，故透過遙測與通量資料的綜合分析，能在時間及空間上對森林碳匯及其影響機制進行較完整的詮釋。
      • 通量觀測與遙測在碳吸存的推估及假定上皆有所不同，以通量觀測為例，需要平坦均質的下墊面，以及紊流發展良好等環境條件，在非理想的假定條件下，平流通量及夜間林下儲存項的分析，仍為國內當前渦流協變理論研究的重要課題，故如要進行遙測與通量觀測參數的比對，確實很難釐清差異來源為遙測或塔台觀測誤差所造成，故建議未來分析著重於遙測及塔台在碳匯分析上的優勢，共同詮釋森林碳匯在空間及時間上的變異，而非僅著重於兩者資料是否相符。
      • 樣區調查提供高精度的森林碳匯資訊，但由於空間代表性較小，在林型及地形複雜度較高的台灣山區，取樣設計成為重要的考量，在環境梯度較大的台灣地區，遙測不僅能在空間上提供較全面的森林監測，更能相較於每五至十年的森林資源調查，提供規律常態且高時間解析，以及國有林區外的碳匯資訊。
   2. 森林生長分析:
      • 如同MODIS資料在森林碳吸存的應用，由於MODIS中尺度空間解析力的特性，配合其規律常態性的全島定量監測，在地形地貌複雜度較高的台灣地區，較適合提供大範圍區域概觀的森林生長資訊。
      • 森林生長著重於蓄積量的變化，故與碳吸存的估算更具相關，故建議在森林生長的研究上，結合MODIS初級生產力及葉面積指數的分析，以更符合傳統森林生長研究中所關注的議題。
   3. 森林健康評估:
      • 雲霧覆蓋為植生異常分析最主要的不確定性來源，遙測資料律定及植生異常的判釋仍需進一步測試研究。
      • 藉由MODIS常態且長期的森林觀測，以及植生異常指標的演算，雖能對變異程度及範圍提供定量的描述，但實際的變異原因，仍有賴其他參考資料的綜合分析，以輔助並佐證MODIS偵測出的異常情形。

對業務革新、創新之效益：

1. 衛載遙測由於具有穩定的軌道週期，能提供穩定規律的地表觀測資訊，透過時序性的資料分析，不僅能掌握地表參數的空間性差異，亦能瞭解時序性的變遷，而中尺度的Terra/Aqua-MODIS衛星產品可快速提供短時距且近十年的全島碳吸存資訊，相較於以五年至十年為調查期距的永久樣區及森林資源調查，遙測在空間及時間尺度上能掌握更多元化的碳吸存資訊，有效提供國家溫室氣體排放清冊中有關林業碳匯移除量的參考基準，並落實政府碳保存、碳吸存、以及碳替代的二氧化碳減量策略。
2. 傳統森林健康的評定需仰賴地面調查，在偏遠地區的觀測則更為受限，透過MODIS多年期植生指標的例行觀測，能提供常態規律且全面性的地面定量資訊，掌握林地受到火災、崩塌、乾旱等非常態性事件所產生的變遷，提供林業單位在林地變遷及森林健康評估所需的定量輔助資訊。