Strategies of soil and water conservation for the upstream watershed in response to climate change

生態系演替的時間尺度相較於人類活動的節奏，常顯得緩慢而無感，環境中微不足道但卻廣域的變化，累積的效應往往產生摧枯拉朽的破壞。對於集水區之土壤形成、自然沖蝕等土砂運移現象，傳統上係以通用土壤流失公式USLE做為推估論述之基礎，包括其後的修正RUSLE；在長時間的概念上，更發展出結合地理資訊系統GIS之年農業非點源汙染模式annAGNPS，做為模擬逕流量之有效工具。惟面對氣候變遷加速之環境趨勢，極端氣象益增對於集水區水土資源之影響，過去廣泛運用於正常狀況下的分析技術，已不敷經營者對於全面掌握變遷、快速研判衝擊所需，亟需從觀念上建立更廣闊的審視高度。 集水區環境指標，猶如健康檢查的各項功能指數之於人類身體，可從巨觀、微觀的尺度，利用不同的技術，觀察、檢測這些環境徵值。本研究主要目的，在整合現今已成熟之科技，適當選取對衝擊具敏感性、對脆弱具表現性、對極限具關鍵性之環境指標，並具體驗證其在環境保育上之應用，建立集水區水土資源在氣候變遷趨勢下，可操作之技術理論與策略應用架構，尤其關心位處關鍵區位之上游集水區。 研究方法首從臺灣高山地區的環境因子，探討在全球氣候變遷趨勢下，臺灣高山環境變動主要種類與方向，以及萃取這些環境變動所採用的技術；再就高山生態系受環境變動導致之影響，說明上游集水區的變化如何透過體檢的概念，利用環境指標掌握環境變動與生態系影響之熱點，經分類篩選待檢證條件後，選取雪山地區為範圍，採武陵農場億年僑以上七家灣溪集水區為檢驗分析單元，進行各項區域尺度指標分析及現地勘查。 研究結果顯示，高山生態系之環境條件可歸結反映在植生指標NDVI及水體指標NDWI之變異上，經線性反向配置常態化差異植生指標分析集水區綠劣率，與藉由土地利用圖資分類植物群落分析之集水區碳存量間呈線性負相關，驗證綠劣率可做為集水區碳存量之環境指標，而碳存量則反映集水區土地利用之變遷。不同季節NDVI與NDWI之平均數及標準差變異情形，反映植生綠覆與含水量之變遷現象，可有效快速評估在氣候變遷條件下高山生態系之空間、時間特性，找出易受環境影響之區位，亦即驗證植生推移及水源涵養能力等環境指標，可分析上游集水區熱點區位。透過陸源物質遞移指標，則可檢驗集水區土壤沖蝕狀況與人類活動間之衝擊管理關係。本研究同時驗證臺灣高山地區上游集水區特有的圈谷積雪現象，與植群推移、含水量及地形指標，可瞭解積雪區位水資源在時間上之移動與如何緩解調節熱點區位受氣候變遷之影響。 從水土資源保育策略的角度，本研究建議因應全球氣候變遷，上游集水區生態面應優先觀察植生推移帶之消長推移現象；環境面應持續監測水資源變化及移動狀況；保育策略面應善用集水區既有地形條件，預先營造水資源漥蓄區位，包括積雪區位之漥蓄空間，延長高山溪流枯水期之基流補注，必要時應配合於草生地犁除局部根系，增加土壤水份入滲，破除火燒後之斥水現象，降低野火潛勢；經營管理面可透過法制方法，強制建立濱溪林帶，營造陸源物質遞移之緩衝防線，必要時更應劃定禁止耕墾區位，還地於林，增加森林綠覆面積；最終本研究指出，集水區植生及水體指標除具有區域環境徵值之代表性外，所採行之研究方法，具有可操作性、可評估性及可檢驗性；同時對集水區管理單位在水土資源保育策略上，運用時特具有簡易性、經濟性與理論支持性，所建議策略，可做為氣候變遷下高山上游集水區之保育措施參考，事先避免不可逆之生態環境劣化。Comparing to the scale of time, the succession of ecosystem seems to be long, slow and unobvious for human beings. The changes of environment that are tiny but wide spread could lead to an enormous catastrophe. In classic approaches, soil forming and delivery process of watershed can be estimated and simulated by USLE and its modified version, RUSLE. In long-term concepts, the annAGNPS combined with GIS is also used as an efficient tool to simulate runoff. Unfortunately, the influences of climate changes and extreme weather events to soil and water resources in watershed are far beyond the capability of analysis technique applied for normal situations nowadays. To overcome rapid changes and analyze impacts, a wider foresight for environment changing tendency is needed. Environmental index can be applied, like a physical checkup and can also be observed and examined from the whole system to the detail inside via many kinds of technique. The purpose of this research is to integrate well-developed technologies and extract the key environmental index with impact sensitivity. Applications of the key index on environment protection is then verified to establish operable, technical and theoretical strategy frames of hotspot in upstream watershed. The first phase of this study is discussing and finding the patterns of mountain areas changes under the condition of global climate change via environmental index. Second, with the information of environment and ecosystem changes, the method of extracting hot spots in upstream watersheds of these changes via environmental index will be discussed. The study selects the Yi-Nian bridge watershed in Xueshan to be study area. Integrating satellite images and field investigations finds out the change of vegetation coverage and the distribution of water resource to extract the hot spots from watershed. The relation between erosion and management of the impact from human activities could be examined by Terrestrial Substance Index. The result reveals that the environment condition of ecosystem at alpine area could be indicated by the variation of NDVI and NDWI. Green deterioration rate, which can be extract from NDVI after linear transformation process, has a linear negative relationship between carbon stock which can be extract from Land use data and vegetation group. This relationship shows that green deterioration can be an environmental index of watershed carbon stock, and carbon stock can indicate the variation of watershed land use. Changes of averages and variations of NDVI and NDWI in different seasons can reveal the changes of vegetation cover and moisture content. Thus the spatial and time characteristics of ecosystem in alpine area under climate change can be evaluated efficiently to find environment influence sensitive area. On the other hand, the relationship between soil erosion in watershed and human activities can be examined by land material delivery index. Moreover, it also discovers that the specific snow accumulation of the cirque in mountain area could relief influences to sensitive regions of environment from climate change. This research recommends adapting global climate change for the strategy of soil and water conservation through monitoring ecotone in upstream area as priority, monitoring the variation and move of water resources, managing the water resources accumulation area with watershed topography conditions such as snow and water accumulation spot and extending the base flow afflux during arid season to eliminate water repellent phenomenon after fire burn, part of grass roots need to be removed to increase water infiltration if necessary. For management, the buffer of river should be established base on laws to release impacts come from land area material, moreover, farming-forbidden zone might be established to increase the area of forest. The result shows that besides the significant to watershed environment, vegetation and water index are operable, assessable and examinable. For soil and water resource conservation strategy made by watershed management authorities, these indexes are also universal, easy to apply and can prevent irreversible environment decaying inder the condition of climate change. The final conclusion of this study shows that the research method is operable, evaluable and testable besides vegetation and water index with characteristics significant of watersheds. Simultaneously, the conclusion can be applied easily, economically and theoretically by watershed management authorities as soil and water conservation strategy. Moreover, all of the achievements in this study can be references of conservation works at upstream watersheds in alpine region to prevent irreversible decaying of envirionment.目錄 摘要 I ABSTRACT III 目錄 VII 圖目錄 XI 表目錄 XV 第一章 緒論 1 第一節 研究緣起與動機 1 一、 溪流水土資源利用與平衡 1 二、 集水區蓄積能量脈衝與自癒 1 三、 上游水資源環境 2 四、 森林生態演替速率 2 五、 氣候變遷衝擊 3 第二節 研究背景與目的 4 一、 區域氣候變遷趨勢 4 二、 環境監測及生態資訊 5 三、 脆弱調適與策略尺度 6 四、 環境指標選取與應用 6 第三節 研究架構與流程 7 第二章 文獻回顧 11 第一節 氣候變遷 11 一、 變遷種類 11 二、 變遷速率 12 三、 變遷趨勢 13 四、 小結 17 第二節 水土保持之調適策略 18 一、 集水區之調適策略 18 二、 土地利用之調適策略 21 三、 預警系統之調適對策 24 四、 小結 27 第三節 高山生態系 27 一、 高山生態系特性 27 二、 高山地區氣溫與水溫之關聯性 27 三、 生態劣化趨勢 28 四、 高山生態系物種極限 29 五、 生態環境關聯性分析 29 六、 小結 30 第四節 集水區環境指標應用 31 一、 區域尺度環境指標選取 31 二、 常態化差異植生指標 34 三、 常態化差異水體指標 35 四、 常態化差異雪體指標 36 五、 陸源物質遞移指標 37 六、 小結 39 第五節 水土資源保育策略 44 一、 漥蓄區位應用 44 二、 緩衝帶配置 45 三、 既有構造物之調整 46 四、 小結 48 第三章 研究材料與方法 49 第一節 環境概述 49 一、 樣區選擇 49 二、 雪霸國家公園七家灣溪億年橋集水區 50 三、 雪山雪東線登山步道 53 四、 雪山圈谷 55 第二節 資料來源格式 57 一、 數值地型模型 58 二、 地質 59 三、 土地利用圖 59 四、 氣象及水文資料 59 五、 水系分布圖 61 六、 衛星影像 61 第三節 分析方法及步驟 61 一、 常態化差異植生指數 61 二、 常態化差異水體指數 62 三、 常態化差異雪體指數 62 四、 陸源物質遞移指標 63 五、 群集分析 66 六、 集水區碳存量分析 68 七、 緩衝帶配置分析 70 八、 農業非點源汙染 77 九、 漥蓄區位萃取 78 第四章 結果與討論 81 第一節 集水區變遷分析 81 一、 集水區碳存量分析 81 二、 集水區碳儲存與綠劣率分析 85 三、 雪東線步道綠劣區位分析 89 四、 小結 91 第二節 集水區熱點區位分析 91 一、 億年橋集水區 92 二、 雪東線步道熱點區位分析 100 三、 小結 121 第三節 雪山一號圈谷植群分析 121 一、 雪山一號圈谷植群綠覆穩定性分析 121 二、 雪山一號圈谷植群推移分析 124 三、 推移帶區位之萃取及應用 126 四、 氣候變遷下圈谷區位水資源之移動 127 五、 小結 134 第四節 緩衝帶及漥蓄區位之配置探討 135 一、 緩衝帶配置分析 135 二、 緩衝帶配置效益 138 三、 漥蓄區位萃取及配置之探討 141 四、 小結 143 第五節 氣候變遷下之保育策略 143 第五章 結論與建議 146 第一節 結論 146 第二節 建議 148 參考文獻 151 圖目錄 圖1 1 研究流程圖 9 圖2 1 主要情境架構 15 圖2 2 1901~2010年13個平地測站之溫度距平時間序列圖 16 圖3 1 億年橋集水區 52 圖3 2 億年橋集水區高程分布 52 圖3 3 雪東線步道 54 圖3 4 步道沿線重點區位現地照片 54 圖3 5 雪東線步道高程分布 55 圖3 6 碎石 56 圖3 7 矮盤冠叢 56 圖3 8 雪山一號圈谷航拍圖 56 圖3 9 各期SPOT衛星影像 60 圖3 10 集水區年平均降雨沖蝕指數分布圖 64 圖3 11 集水區年平均土壤沖蝕指數分布圖 65 圖3 12 安全土深求算流程 76 圖3 13 窪蓄區位萃取示意圖 79 圖3 14 窪蓄萃取流程示意圖 80 圖4 1 研究範圍植物群落分佈圖(2001) 82 圖4 2 研究範圍植物群落分佈圖(2008) 82 圖4 3 研究範圍碳存量變遷區位圖 83 圖4 4 支流及坡面集水分區碳存量減少面積之分布 84 圖4 5 支流及坡面集水分區碳存量減少面積百分比之分布 84 圖4 6 支流及坡面集水分區碳存量增加面積之分布 85 圖4 7 支流及坡面集水分區碳存量增加面積百分比之分布 85 圖4 8 河川級序1之集水分區 86 圖4 9 集水區碳儲存量與綠劣率之關係(溼季) 88 圖4 10 集水區碳儲存量與綠劣率之關係(旱季) 88 圖4 11 步道綠劣率剖面線 89 圖4 12 步道高程剖面線 90 圖4 13 稜線綠劣率剖面線 90 圖4 14 稜線高程剖面線 91 圖4 15 mNDVI及mNDWI標準差乘積之空間分布 92 圖4 16 七家灣溪坡腳及左岸植生情況 93 圖4 17 火燒跡地 94 圖4 18 林下之玉山箭竹 95 圖4 19 強風下之玉山箭竹 95 圖4 20 火燒跡地之高山芒 95 圖4 21 雪山一號圈谷區矮盤灌叢 97 圖4 22 雪山一號圈谷區裸地區位 97 圖4 23 雪東線沿線步道氣象站之月雨量 99 圖4 24 土壤流失量分級結果 99 圖4 25 不同季節步道沿線植生覆蓋指數及含水量指數之變化 101 圖4 26 步道沿線mNDVI之平均值與標準差 102 圖4 27 臺灣冷杉與玉山箭竹之推移帶 104 圖4 28 步道沿線mNDWI之平均值與標準差 105 圖4 29 複合環境指標變異區位 108 圖4 30 步道土壤沖蝕分級之空間分布 109 圖4 31 重點區位分布 110 圖4 32 土壤流失熱點區位(0K+000～2K+000) 111 圖4 33 土壤流失熱點區位(2K+000～4K+000) 112 圖4 34 土壤流失熱點區位(4K+000～7K+000) 114 圖4 35 火燒跡地(7K+000～8K+000)土壤流失熱點區位 116 圖4 36 黑森林(8K+000～9K+600)土壤流失熱點區位 117 圖4 37 圈谷(9K+600～10K+900)土壤流失熱點區位 118 圖4 38 熱點區位漥蓄地形圖 120 圖4 39 熱點區位實景 120 圖4 40 圈谷地區旱季(左)、濕季(右)衛星影像 122 圖4 41 圈谷地區旱季(左)、濕季(右)綠劣率分布圖 122 圖4 42 影像初步分類(監督式分類) 123 圖4 43 影像分類成果(監督式分類) 123 圖4 44 圈谷mNDVI平均值與標準差分布 124 圖4 45 圈谷mNDWI平均值與標準差 125 圖4 46 複合環境指標判釋圈谷地覆類別 126 圖4 47 複合環境指標圈谷變異區位 127 圖4 48 圈谷mNDSI平均值與標準差 128 圖4 49 圈谷之地形分布 129 圖4 50 圈谷之NDSI及流向空間分布 129 圖4 51 七家灣溪集水區冬季降雨量及流量之時序分布 130 圖4 52 七家灣溪集水區春季降雨量及流量之時序分布 131 圖4 53 七家灣溪集水區夏季降雨量及流量之時序分布 131 圖4 54 七家灣溪集水區秋季降雨量及流量之時序分布 132 圖4 55 圈谷冬季覆雪空間分布之變化 133 圖4 56 億年橋集水區農地分布 135 圖4 57 集水區緩衝帶推估區位 136 圖4 58 農地未配置緩衝帶之區位分布 136 圖4 59 集水區支流型及坡面型農地之面積分布 137 圖4 60 集水區支流型及坡面型未配置緩衝帶之面積 137 圖4 61 桃山雨量站與無名溪集水區位置圖 138 圖4 62 窪蓄區位分布圖 141 圖4 63 億年橋集水區土地利用圖 142 表目錄 表2 1 氣候變遷下主要環境變動種類與影響 18 表2 2 氣候變遷衝擊之致災高風險區位與相對應之調適策略建議 22 表2 3 指標選擇的標準 33 表2 4 上游集水區環境指標相關文獻應用尺度及屬性分析表 40 表2 5 七家灣溪櫻花鉤吻鮭拆壩復育歷年表 47 表3 1 上游集水區國家公園樣區選定分析表 49 表3 2 億年橋集水區高程分布統計表 53 表3 3 雪山主峰沿線之植群帶分布 55 表3 4 研究材料 57 表3 5 圖資種類與研究項目 58 表3 6 群集分析法 67 表3 7 不同植物群落平均碳儲存量統計表 69 表3 8 Rf值之污染潛勢劃分等級 74 表3 9 AF值之污染潛勢劃分等級 75 表3 10 AGNPS模式演算法 78 表4 1 研究範圍碳存量統計表 82 表4 2 研究範圍植物群落變遷統計表 83 表4 3 各集水分區碳存量增加及減少區位之面積變化 84 表4 4 集水區碳儲存量與綠劣率 87 表4 5 各集水分區之泥砂產量 100 表4 6不同地覆類別mNDVI平均值與標準差 103 表4 7 不同地覆類別mNDWI平均值與標準差 106 表4 8 群集分析－各集群中心點 109 表4 9 億年橋集水區鄰近氣象站12月至5月之最低溫 134 表4 10 各集水分區農地與緩衝帶所佔面積 137 表4 11 桃山雨量站年最大日雨量 139 表4 12 桃山雨量站各分析頻率年之日雨量 139 表4 13 無名溪集水區模擬結果 140 表4 14 坡面型潛在窪蓄區位依上游集水區面積排列 142 表4 15 氣候變遷下環境問題及保育策略之效果 14