Study on the Landscape Ecological Structure and the Change at Mudstone Area

Due to the poor condition of soil and micro-climate condition, the mudstone area in the South-Western Taiwan was hard to plant and then always in bare condition which got a nickname of Moon World. Statistical data from 1967 to 1987 showed that the bare area increased from 2532.58 to 3836.28 hectares, then got to 11179.5 hectares in 1997. The bare area has increased 3 times within ten years. According to the results of research, the bare areas of mudstone have already gotten to 15539 hectares in 2001. Sediment yielded in rivers of this mudstone area consequently increased; comparing with main rivers, it was the highest amount in the world. The vegetative degeneration, environmental pollution and land degradation caused the loss of agricultural productivity, microclimate change and environmental problems. Therefore, the ecological restoration in mudstone area is necessary. Therefore, the main idea of this research is considering about the environment and its transition of mudstone area in the South-Western Taiwan. According to the statistical data of soil, geology, geography, slope, weather in the studied areas, the factors of the expansion of mudstone area, the causes of erosion, pollution, and supply the suggestion to solve the problem were investigated. In the study, landscape ecology, geostatistics, multivariate analysis (factor analysis, canonical correlation analysis, cluster analysis) and structure equation modeling (SEM) were applied as the study methods, which would quantify and display the complex relationship among soil properties variation, erosion and natural environmental factors under different forestry features. The investigation of time and spatial variation of soil properties under four different forestry features, namely, original forest (thorn bamboo), clear cut, strip cut and cut and replant multi-layer vegetation on different slopeland. The results indicated that the highest variation of soil properties was found under the cut and replant multi-layer vegetation treatment, and there were not significantly different under other treatments. The major variations of surface soil (0-20cm) properties were plant nutrients, which were affected by the vegetative cover. Plant nutrients (organic matter, and available phosphate) were accumulated in surface soil under multi-layer vegetation treatment, which will affect the species, distribution, and cover of plants. The distribution of plant nutrients in surface soil is related to movement of ion. Mobile Na and Mg ions were found in original forest (high erosive area). The sub-soil (20-40cm) nutrient distribution is related to soil mineral and vegetation. The result of geostatics analysis indicated that, the variation of soil property in space is difference within positions. Especially, the nutrient of vegetation such as pH, organic matter, and available phosphate, is gathered in muti-layer vegetation area. In the respect of ecosystem, ecological index in different periods were calculated based upon landscape ecological theory. Markov Chain and Semi-markov Chain were used to predict the change of the future, the final condition of the land utilization of mudstone area; to explain its meanings, and the danger behind the bare mudstone area. The results indicated that, mosaic gathering was caused by mudstone and thorn bamboo. Mosaic is fracture and high edge. Therefore, energy and material flow in mosaic are faster which will cause soil and water resources loss. In study area, there are many styles of fracture, variation, and mosaic distribution landscape. The changing of landscape is due to road construction and human activity. The result calculated by Semi-Markov chain model showed that the percent of the area in forest land, plowing land, bamboo land and mudstone bareness are 2.94%, 2.02%, 54.53%, and 40.51% respectively. It also showed the risk of the bare of mudstone and evolving the landscape of mudstone with Thorn bamboo. The results illustrated that the landscape ecological factor such as patch shape factor, and Shannon evenness factor that have significant canonical correlation with water qualities and erosion of the study area. Finally, the expanded trend, reasons, the destructive ecosystem, and potential danger of mudstone were analyzed. We tried to find out a method to manage the ecosystem and improve the abnormal local microclimate, monotonous vegetation and disorder ecosystem in mudstone area.台灣西南部泥岩地區，由於其特殊之土壤，地力流失消耗與區域微氣候型態之間的因果循環，在水土保持與景觀上形成不易植生綠化的地區及特殊之月世界地形。近十幾年間台灣西南部泥岩裸化面積有迅速增加之趨勢，從1967年的2532公頃，1987年的3836公頃，到1997年的11179公頃，且1999年921大地震後，中北部更有大量之泥岩出露於地表，到2001年11月已擴大為15539公頃。而泥岩出露在水土保持方面所引起之表土大量流失、崩塌，更造成主要河川含砂量激增、植被退化、環境污染及土地劣化之農業生產損失與微氣候變異等問題，顯示泥岩裸化所帶來之相關環境問題。 本研究以台灣西南部泥岩之不同林相土壤環境特性及其地景變遷為主軸,以了解佔泥岩大面積地景之竹林，其不同林相區內土壤理化變異及典型泥岩土地利用之景觀（地景）生態內涵，除蒐集有關前人於西南部泥岩之土壤、地質、地形、坡度及氣候等自然環境因子之特性與分布等方面之文獻外,予以整理歸納及現狀勘查並提出其裸露擴大原因,期能對所造成之土壤沖蝕、水質污染等環境生態災害研擬整治策略。在研究方法中,應用地景生態、地理統計、多變量分析(因素分析、主成分分析、典型相關、群團分析)與結構方程模式等相關理論與統計技術,來量化及空間展示泥岩地區不同林相之土壤理化性質變異，沖蝕與自然環境因子相互間之複雜關係。 針對泥岩地區之原有造林植物及極優勢地景（刺竹）,在不同林相之坡面,土壤理化性質之時空變異與特性差異探討之。 結果顯示在四個林相區內，林相皆伐後複層植被區，土壤性質變異高於其他位置，而其他區之土壤理化性質在時間及空間上之變異不大，可明顯區分林相不同之顯著差異。不同林相對泥岩地淺層土壤（0-2公分）理化性質的差異，以植物營養元素與植生覆蓋因子可充分說明（約佔變異範圍之62﹪）。泥岩試區區中移動性物質 (交換性鈣、鈉與鎂) 明顯較少出現在複層林相處區，而易出現於淋洗、沖蝕量較大之刺林相保留區與隔叢擇伐區。 長效性植物營養元素因子（pH值與有效性磷），因長時間之林相不同，使其較明顯趨於複層林相區堆積，並影響地表植生之種類、分布與覆蓋情形。0∼20公分土壤性質的分布和離子間的移動特性有關，移動性高的鈉、鎂離子會在沖蝕量高之區域出現，20∼40公分土壤性質的分布則和土壤中之母質與植生有關，其次為可移動性離子的影響。應用地理統計分析法，瞭解土壤性質在空間之變化，其分布確實與不同林相位置有關，即植生營養元素（pH值、有效性磷）大都朝向複層植被區之趨勢，且地理統計所得之半變異圖結構變量，亦可與因素分析中之土壤性質結構變量結果相符合。地表覆蓋度與入侵植物數量兩變數主要係透過第一個典型因素與第二個典型因素而影響到複層植被區之pH值、有機質等土壤理化性質。 在泥岩生態能量變遷與生態量化部份,以景觀（地景）生態理論為基礎,計算各種地景生態指標,及其生態意涵在不同時期上之變異與能量循環上之改變,且利用馬可夫鏈、半馬可夫鏈模式,來預測泥岩地區未來之土地利用型態之最終改變情形及其生態代表意義,結果顯示嵌塊體的聚合大多由泥岩及竹林二種景觀（地景）所造成。嵌塊體較為破碎，邊緣較高，因此能量、物質和營養流在嵌塊體中的流轉較快亦較多，而這些流動主要為暴雨所帶來的沖刷，而致使水土資源大量流失。 泥岩試地區屬多樣性破碎、形狀變異與嵌塊體散佈結構之地景，因人為活動及自然干擾而導致景觀（地景）變遷，以半馬可夫鏈中計算得到的最終林地、農耕地、竹林、泥岩地景面積所佔比例依序為2.94%、2.02%、54.53%與40.51%，突顯出竹林與泥岩兩種地景之消長與變異及彰顯泥岩裸化所隱藏之生態危機。在地景生態水文方面，地景嵌塊體形狀因子與水質之有機營養鹽供給因子，具有整體性的高相關性。地景多樣性均一度因子，也能顯著地（影響到與水庫淤積量、沖蝕深度有關之集水區土壤沖蝕因子。 最後,整理分析西南泥岩部泥裸化擴大的趨勢、原因及其生態環境破壞與潛在危機,並就研究所得、研擬泥岩地區整體生態環境復育之治理之策,期能對日益擴大裸化、區域微氣候異常、植被單調化及生態失衡的西南部泥岩有所助益。目 錄 頁碼 中文摘要 ……………………………………………………………… 1 英文摘要 ……………………………………………………………… Ⅲ 目錄 …………………………………………………………………… Ⅴ 圖目錄 ………………………………………………………………… Ⅸ 表目錄 ………………………………………………………………… ⅩV 壹、緒論 ……………………………………………………………… 1-1 貳、研究動機與目的 ………………………………………………… 2-1 參、前人相關研究 …………………………………………………… 3-1 一、台灣泥岩之基本資料與彙整 ………………………………… 3-1 （一）分布區域與出露範圍 …………………………………… 3-1 （二）泥岩板塊與地形 ………………………………………… 3-1 （三）泥岩之地層 ……………………………………………… 3-2 （四）西南部泥岩之區域氣候特性 …………………………… 3-7 （五）岩層風化土壤性質分析 ………………………………… 3-7 （六）泥岩的地質作用 ………………………………………… 3-16 二、植生對泥岩立地環境影響 …………………………………… 3-18 三、泥岩理化性質對植生困難之研究 …………………………… 3-21 四、泥岩地區水文地文因子之影響 ……………………………… 3-22 五、泥岩地區相關植生工法 ……………………………………… 3-24 六、泥岩添加材料之工程處理 …………………………………… 3-27 七、泥岩地區整體生態規劃 ……………………………………… 3-28 八、土壤沖蝕之研究 ……………………………………………… 3-33 （一）直接量測法 ……………………………………………… 3-33 （二）間接量測法 ……………………………………………… 3-35 （三）土壤沖蝕預測模式 ……………………………………… 3-38 （四）不同立地環境之沖蝕 …………………………………… 3-40 （五）不同立地環境之土壤理化變異 ………………………… 3-41 （六）小結 ……………………………………………………… 3-42 九、地景生態與土地利用變遷之研究 …………………………… 3-44 （一）土地利用變遷計量方法 ………………………………… 3-47 1、面積改變量的計量方法 ……………………………… 3-47 2、空間型態或結構變遷的計量方法 …………………… 3-48 3、馬可夫鏈模式之計量方法 …………………………… 3-49 （二）地景變化對土壤的影響 ………………………………… 3-55 1、地景變化對土壤有關生態過程的影響 ……………… 3-55 2、地景變化對土壤養分流動的影響 …………………… 3-55 （三）地景變化帶來的生態環境問題 ………………………… 3-56 （四）地景生態水文模式 ……………………………………… 3-57 十、地理空間分布之應用 ………………………………………… 3-58 十一、泥岩沖蝕崩塌型態過程 …………………………………… 3-61 （一）泥岩的顯微結構與崩塌行為 …………………………… 3-61 （二）泥岩的風化侵蝕過程 …………………………………… 3-61 （三）泥岩的邊坡作用 ………………………………………… 3-63 （四）泥岩的邊坡發育模式 …………………………………… 3-65 十二、泥岩地區之人文地理 ……………………………………… 3-67 （一）人文地理關係 …………………………………………… 3-67 （二）區域人地關係 …………………………………………… 3-68 （三）泥岩地區自然人文環境 ………………………………… 3-68 肆、試驗研究之相關理論 …………………………………………… 4-1 一、因素分析 ……………………………………………………… 4-1 （一）因素分析模式 …………………………………………… 4-2 （二）尺度不變性 ……………………………………………… 4-3 （三）因素負荷之非唯一性 …………………………………… 4-3 （四）因素抽取的估計方法 …………………………………… 4-5 （五）共同性 …………………………………………………… 4-7 （六）因素分析之適合度檢定 ………………………………… 4-7 （七）因素個數之決定 ………………………………………… 4-10 （八）因素旋轉 ………………………………………………… 4-11 三、地理統計 ……………………………………………………… 4-18 （一）地理統計之半變異圖 …………………………………… 4-19 （二）克利金法 ………………………………………………… 4-21 （三）補克利金法 ……………………………………………… 4-22 （四）推估驗證法 ……………………………………………… 4-24 四、典型相關分析 ………………………………………………… 4-25 五、結構方程模式 ………………………………………………… 4-30 （一）測量模式 ………………………………………………… 4-30 （二）結構模式 ………………………………………………… 4-36 六、地景變遷之預測模式與分析 ………………………………… 4-39 （一）迴歸分析法 ……………………………………………… 4-39 （二）時間序列分析法 ………………………………………… 4-40 1、馬可夫鏈模式 ………………………………………… 4-40 2、半馬可夫鏈模式 ……………………………………… 4-42 3、灰色理論模式 ………………………………………… 4-43 七、衛星影像處理 ………………………………………………… 4-44 （一）影像前處理 ……………………………………………… 4-44 （二）訓練樣區選取 …………………………………………… 4-45 （三）分離度分析 ……………………………………………… 4-45 （四）影像分類 ………………………………………………… 4-47 （五）知識庫專家系統分類 …………………………………… 4-49 （六）影像分類之精準度評估 ………………………………… 4-51 八、土地利用與地景生態 ………………………………………… 4-54 （一）地景生態之格局、過程與尺度 ………………………… 4-57 （二）生態系統結構與功能 …………………………………… 4-58 （三）生態指標之內涵 ………………………………………… 4-59 （四）生態嵌合體 ……………………………………………… 4-62 伍、試驗與研究方法 ………………………………………………… 5-1 一、研究區域簡介 ………………………………………………… 5-1 二、泥岩不同林相之土壤沖蝕與植生 …………………………… 5-14 三、土壤質地與養分分析 ………………………………………… 5-19 四、土壤含水量調查 ……………………………………………… 5-20 五、土壤三相試驗 ………………………………………………… 5-20 六、土壤硬度測定 ………………………………………………… 5-20 七、泥岩生態環境評估 …………………………………………… 5-21 八、地景分類與生態指標計算 …………………………………… 5-21 九、資料分析方法 ………………………………………………… 5-33 十、整體試驗研究流程 …………………………………………… 5-34 陸、結果與討論 ……………………………………………………… 6-1 一、泥岩不同林相處理之沖蝕與植生入侵 ……………………… 6-1 （一）植生坡面處理區之沖蝕 ………………………………… 6-2 （二）裸露坡面沖蝕觀測 ……………………………………… 6-4 （三）入侵植物調查 …………………………………………… 6-5 （四）水土保持不同處理區之植栽存活率與群團分析 ……… 6-7 （五）小結 ……………………………………………………… 6-10 二、泥岩土地利用空間結構與地景生態變遷 …………………… 6-12 （一）衛星影像分類結果與探討 ……………………………… 6-14 （二）地景生態異質性變化與結構分析 ……………………… 6-25 （三）地景生態因素萃取與分析 ……………………………… 6-31 （四）泥岩地景變異與預測 …………………………………… 6-38 （五）地景生態與水質之關係 ………………………………… 6-53 （六）小結 ……………………………………………………… 6-54 三、不同林相下土壤理化性質之變異 …………………………… 6-57 （一）土壤理化性質與水分狀況 ……………………………… 6-59 （二）土壤理化變異之因素分析 ……………………………… 6-70 （三）地理統計分析 …………………………………………… 6-80 （四）土壤理化性質與沖蝕、地被狀況之分析 ……………… 6-90 （五）小結 ……………………………………………………… 6-93 四、泥岩地區環境變遷與植生困難之探討 ……………………… 6-95 （一）泥岩地區之生態變遷 …………………………………… 6-95 （二）泥岩地區之微氣候 ……………………………………… 6-95 （三）泥岩土質之基本特性 …………………………………… 6-96 （四）泥岩加速裸露之誘因 …………………………………… 6-98 柒、結論與建議 ……………………………………………………… 7-1 一、研究結論 ……………………………………………………… 7-1 二、建議 …………………………………………………………… 7-2 （一）泥岩地區適宜之水土保持方法 ……………………… 7-3 （二）泥岩地區之整體生態復育對策 ……………………… 7-4 （三）小結 ……………………………………………………… 7-9 參考文獻 ……………………………………………………………… 8-1 附錄一、研究區四個不同林相的土壤化學性質平均值 …………… 9-1 附錄二、研究區微氣象與所屬氣象站之對照圖 …………………… 9-