109 年 國立宜蘭大學森林暨自然資源學系碩士班《森林學（森林生態、育林、經營與利用）》

本題主要考查國有林生態系經營分區的概念與各分區的育林法則。這涉及到台灣森林經營管理的重要政策方向。

首先，需釐清「國有林生態系經營分區」的概念。這通常是指根據森林的生態特性、資源價值、經營目標等因素，將國有林劃分為不同的管理單元，以便採取差異化的經營策略。

根據台灣森林經營的相關政策與文獻，國有林通常會依據其生態功能與經營重點，劃分為以下四種主要區域：

1. 生態保護區 (Ecological Protection Area)：

   • 目標：以保護珍貴稀有動植物、維護生物多樣性、保護重要生態系統、水源涵養、水土保持等生態功能為主要目的。
   • 育林法則：嚴格限制人為干預。原則上不進行伐木，以自然演替為主。若有必要，可能進行生態棲地復育、入侵種移除、或針對特定瀕危物種進行輔助性保育措施。重點在於維持其自然狀態與生態完整性。

2. 國土保安區 (National Land Protection Area)：

   • 目標：主要為維護國土安全，強調水土保持、防止山崩、土石流、洪水等災害。涵蓋國土保安功能極重要的區域，如陡坡、河岸、崩塌地等。
   • 育林法則：以植被的穩定與涵蓋為首要考量。可能需要進行撫育、疏伐以促進植被生長，必要時進行造林。選擇抗風、耐旱、根系發達的樹種，並重視林下植被的恢復。強調生態工程與植被措施的結合。

本題主要考查森林在碳循環中的角色，特別是其碳吸存（Carbon Sequestration）的功能。這與全球氣候變遷議題息息相關。

森林碳吸存是指森林生態系統透過光合作用，將大氣中的二氧化碳（CO₂）吸收並轉化為有機物質（碳水化合物），儲存在生物體（樹木、植被）和土壤中的過程。森林的碳吸存功能主要體現在以下幾個方面：

1. 生物量碳儲存 (Biomass Carbon Storage)：

   • 這是最直接且最顯著的碳吸存方式。樹木在生長過程中，不斷吸收大氣中的 CO₂，將碳固定在自身的枝、葉、幹、根等組織中。隨著樹木的生長，其生物量不斷增加，儲存的碳量也隨之增加。
   • 功能：森林的生物量是巨大的碳庫。健康的、生長中的森林能持續從大氣中移除 CO₂，並將其儲存起來，減少溫室氣體濃度。

2. 土壤碳儲存 (Soil Carbon Storage)：

   • 森林土壤中蘊藏著大量的碳，主要來自於落葉、枯枝、腐爛的根系等有機質的分解與累積。微生物分解有機物時，一部分碳會以 CO₂ 的形式釋放到大氣中，但另一部分則會轉化為相對穩定的腐殖質，儲存在土壤中。
   • 功能：森林土壤是長期且龐大的碳儲存庫。土壤有機質的健康與穩定，對於長期封存碳非常重要。森林經營（如適度的林下植被覆蓋、減少土壤擾動）有助於維持土壤碳的儲存。

本題為一個複合題，涵蓋了植群生態學的定義、調查方法、野外調查器具、植物鑑定處理，以及樣區多樣性指數的計算。

1. 植群生態學 (Vegetation Ecology) 的定義

植群生態學是生態學的一個分支，主要研究植物群落（Vegetation）的組成、結構、分布、動態及其與環境之間的相互關係。它關注的是一群植物如何聚集在一起形成一個群落，群落內部的物種如何交互作用，以及這些群落如何受到氣候、土壤、地形、生物干擾等環境因子影響，並隨時間發生變化。

2. 植群生態的調查流程

植群調查的流程通常可以分為以下幾個主要步驟：

• a. 目標設定與規劃 (Objective Setting and Planning)：

  • 確定調查的目的（例如：評估森林健康、監測物種組成變化、研究棲地適合度、建立植被圖等）。
  • 根據目的劃定調查範圍與區域。
  • 選擇合適的調查方法與取樣設計（例如：隨機取樣、系統取樣、分層取樣、樣區法、樣帶法等）。
  • 規劃調查時間、人力與資源。

• b. 野外調查 (Field Survey)：

  • 樣區設置 (Plot Establishment)：依據取樣設計，在調查區域內設置標準化的樣區（Plot）或樣帶（Transect）。樣區的大小與形狀需事先決定，並保持一致。
  • 物種識別與記錄 (Species Identification and Recording)：辨識樣區內的所有植物物種（喬木、灌木、草本、藤本等），並記錄其名稱（學名、俗名）。
  • 數量測量 (Quantitative Measurement)：
    • 喬木層：測量樹高、胸徑（DBH）、樹冠幅、立木密度（株數/面積）、材積等。
    • 灌木層與草本層：記錄覆蓋度（Coverage）、頻度（Frequency）、生長量、株數等。
  • 環境因子測量 (Environmental Factor Measurement)：記錄與植物生長相關的環境因子，如土壤性質（pH、質地、有機質）、坡度、坡向、海拔、光照強度、溫度、濕度等。
  • 樣區描述 (Plot Description)：記錄樣區的整體特徵，如林齡、林分結構、是否有干擾跡象（火燒、伐採、病蟲害）等。
  • 樣本採集 (Sample Collection)：採集無法現場辨識的植物樣本，以便後續鑑定。

• c. 資料整理與分析 (Data Compilation and Analysis)：

  • 將野外記錄的數據輸入電腦（如 Excel、資料庫）。
  • 進行物種統計，計算各物種在樣區中的出現頻度、密度、優勢度、蓋度等。
  • 計算樣區的結構參數，如平均徑、平均高、林分密度等。
  • 進行多樣性指數計算（詳見後述）。
  • 利用統計方法分析物種組成與環境因子之間的關係。
  • 繪製植被圖、物種分布圖等。

• d. 結果解釋與報告撰寫 (Interpretation and Reporting)：

  • 解釋分析結果，闡述植群的特徵、結構、分布模式及其與環境的關係。
  • 根據調查目的，提出結論與建議。
  • 撰寫調查報告。

3. 野外調查準備器具

• 基本測量工具：
  • 測距儀 (Rangefinder) 或 測繩 (Measuring Tape)：測量樣區大小、樹高、樹冠幅。
  • 胸徑尺 (DBH Tape) 或 測徑儀 (Calipers)：測量喬木的胸徑。
  • 指北針 (Compass)：確定方向，用於樣帶調查或地圖定位。
  • 坡度儀 (Clinometer)：測量坡度。
  • 海拔計 (Altimeter)：記錄樣區海拔。
• 記錄與標示工具：
  • 調查記錄簿 (Field Notebook) 與 防水筆 (Waterproof Pen)：記錄數據。
  • 樣區標示牌 (Plot Markers) 與 繩索 (Rope)：標示樣區邊界。
  • 樣區號碼標籤 (Plot Number Tags) 與 標籤筆 (Marker Pen)：標示樣區編號。
  • ** GPS 裝置 (GPS Device)**：記錄樣區座標。
• 植物採集與鑑定工具：
  • 植物採集夾 (Plant Press) 或 標本袋 (Specimen Bags)：採集植物樣本。
  • 放大鏡 (Magnifying Glass)：輔助辨識植物細微特徵。
  • 植物圖鑑 (Field Guide)：現場輔助辨識。
• 個人裝備：
  • 個人電腦/平板 (Laptop/Tablet)：用於電子記錄（若有）。
  • 防曬用品、雨具、飲用水、食物、急救包。

4. 遇到不懂的植物如何處理

當調查過程中遇到無法現場辨識的植物時，通常會採取以下步驟：

本題為一個綜合性題目，主要考查人工林的概念、不同造林材料對應的造林方法，以及在考量經營目標與林地狀況下的樹種選擇原則。

1. 人工林 (Plantation) 的定義

人工林是指由人類有計畫、有組織地，在適當的土地上（包括天然林被砍伐後的更新、或非森林用地），以栽植或播種的方式，種植特定樹種或樹種組合而形成的森林。其主要特徵包括：

• 人為介入：從選地、整地、選種、栽植、撫育到採伐，都經過人為的規劃與管理。
• 單一樹種或少數樹種：常以單一經濟價值高的樹種或少數幾種樹種為主，形成單純林。
• 週期性經營：通常有預定的輪伐期，用於生產木材、紙漿或其他林產品。
• 目的性：主要為滿足人類對林產品或森林服務的需求，如經濟效益、生態功能、綠化美化等。

與天然林相較，人工林在結構、物種組成、生態功能等方面通常較為單純，但透過精準的經營管理，能有效率地生產林產品或達成特定生態目標。

2. 依造林材料屬性不同的造林方法

造林材料的屬性（如種子、樹苗、種子苗、實生苗、扦插苗、種子團等）會影響造林的技術與方法。

• a. 種子 (Seeds)：

  • 材料屬性：較小、較輕、易於儲存與運輸，但發芽率受限，幼苗期對環境敏感。
  • 造林方法：
    • 直播法 (Direct Seeding)：將種子直接播撒在整地後的林地上。適用於種子較大、發芽率高、幼苗較強健的樹種，或在難以運送樹苗的地區。需注意鳥獸為害、種子失水等問題。
    • 種子團播法 (Seed Ball Method)：將種子與黏土、肥料、有機物混合製成球狀，用於較大面積、地形複雜的地區，以提高發芽成功率並減少鳥獸取食。

• b. 樹苗 (Seedlings/Transplants)：

  • 材料屬性：經過苗圃培育，根系與地上部已初步發育，成活率較高，但成本較高，運輸與栽植時需注意保護。
  • 造林方法：
    • 實生苗 (Seedling)：由種子在苗圃中培育而成的幼苗。
      • 裸根苗 (Bare-root Seedling)：栽植前將苗木的根部土壤去除。成本較低，但運輸與栽植期需確保根系濕潤，且栽植時間受限。
      • 容器苗 (Containerized Seedling)：在塑膠盆、育苗袋等容器中培育的苗木。根系完整，成活率高，栽植期長，但成本較高。
    • 扦插苗 (Cutting)：利用植物的枝條、葉片或根段進行無性繁殖培育的苗木。優點是可以保持母樹的優良性狀，生長快速。
    • 嫁接苗 (Grafted Seedling)：將優良品種的枝條（接穗）嫁接到另一植株（砧木）上培育的苗木。常用於果樹或特定優良種原的木材生產。
    • 種苗斷根苗 (Root-pruned Seedling)：在苗圃中經過斷根處理，促進根系分叉，提高栽植後成活率。

• c. 種子團 (Seed Ball)：

  • 材料屬性：如前述，提高發芽率並減少鳥獸為害。
  • 造林方法：主要為直播法的一種改良，用於大規模、困難地區的造林。

3. 造林樹種選擇原則 (依經營目標與林地狀況)

選擇合適的造林樹種是人工林成功的關鍵。原則上需考量以下兩大面向：

本題考查木材的強度性質及其影響因子。木材強度是評估木材作為結構材料或加工材料的重要指標。

影響木材強度性質的因子可分為內在因子（木材本身的特性）與外在因子（加工、使用環境等）。

一、內在因子 (Intrinsic Factors)

1. 木材種類 (Wood Species)：

   • 不同樹種的木材，其細胞結構（細胞壁厚度、長度、排列方式）、化學成分（纖維素、半纖維素、木質素比例）和密度差異很大，進而導致強度差異顯著。例如，硬木（闊葉樹）通常比軟木（針葉樹）密度大、強度高。

2. 密度 (Density)：

   • 密度是衡量木材內物質含量的重要指標。通常，密度越大的木材，其細胞壁越厚，單位體積內的纖維素和木質素含量越高，強度也就越大。這是木材強度最直接的影響因子之一。

3. 含水率 (Moisture Content, MC)：

   • 木材的強度與含水率密切相關。當含水率高於纖維飽和點（約 20-30%）時，強度變化不大；但當含水率低於纖維飽和點時，隨著含水率降低，木材強度會顯著增加。乾燥的木材通常比濕潤的木材強度高。然而，過度乾燥（如低於 10%）可能導致木材脆性增加。

4. 結構缺陷 (Structural Defects)：

   • 木結 (Knots)：樹枝殘留於木材中形成，是木材中最常見的缺陷。木結會改變木材纖維的走向，造成應力集中，大幅降低木材的強度，尤其是在受彎曲或拉伸時。
   • 斜紋 (Spiral Grain)：木材纖維或紋理並非平行於木材的長度軸，而是呈現螺旋狀。斜紋會降低木材的抗彎曲和抗剪強度，並影響穩定性。
   • 裂縫 (Cracks)、裂隙 (Checks)、劈裂 (Splits)：這些是木材乾燥過程或加工中產生或加劇的缺陷，會減弱木材的連續性，降低強度。
   • 心材與邊材 (Heartwood vs. Sapwood)：心材通常比邊材更緻密、更耐腐，強度也可能較高，因為邊材含有較多水分和糖分，易受生物侵蝕。

本題主要考查木材作為一種天然材料，在應用上所存在的缺點，以及對應的改進方法。

一、木材在利用時的缺點

木材是一種優良的建築、裝潢及工業材料，但同時也存在一些固有的缺點，主要包括：

1. 易受生物侵蝕 (Susceptible to Biological Attack)：

   • 木材富含纖維素、半纖維素和木質素，是許多真菌（如腐朽菌）和昆蟲（如白蟻、蛀蟲）的食物來源。
   • 影響：導致木材腐朽、強度下降、結構破壞，縮短使用壽命。

2. 易受濕度變化影響 (Sensitive to Moisture Changes)：

   • 木材具有吸濕性，會隨著周圍環境濕度的變化而吸濕膨脹或失濕收縮。
   • 影響：尺寸不穩定，易產生翹曲、變形、開裂，尤其是在含水率低於纖維飽和點的變化。

3. 易燃性 (Flammability)：

   • 木材是有機物，在高溫下會燃燒，產生火災風險。
   • 影響：限制了木材在高溫或易燃環境下的應用，特別是在建築結構方面。

4. 強度性質的變異性 (Variability in Strength Properties)：

   • 如前題所述，木材的強度受樹種、木結、斜紋、含水率等內外在因素影響，變異性較大。
   • 影響：難以精確預測其在結構上的承載能力，設計時需留有較大的安全係數，或需進行嚴格的分級選材。

5. 尺寸限制 (Size Limitations)：

   • 大型木材（如巨木）的取得越來越困難，且加工運輸較為不便。
   • 影響：在需要大跨距或大型結構時，可能面臨材料取得與成本問題。

6. 加工上的限制 (Machining Limitations)：

   • 某些木材（如含油脂、硬度極高）加工困難，易損耗刀具。
   • 影響：增加加工成本與時間。

二、改善這些缺點的方法

針對上述缺點，可以透過不同的處理與技術來加以改善：

1. 改善生物侵蝕問題：

   • 防腐處理 (Wood Preservation)：
     • 化學防腐 (Chemical Treatment)：將防腐藥劑（如銅化合物、硼化合物、有機砷化合物等）注入木材內部。這是最有效的方法之一，能顯著延長木材在潮濕或接觸土壤環境下的使用壽命。
     • 物理處理 (Physical Treatment)：如熱處理（高溫短時）、乙醯化處理（乙醯酸酐處理），改變木材化學成分，使其不易被生物侵蝕。
   • 設計考量 (Design Considerations)：
     • 保持木材乾燥，避免長期接觸水分或土壤。
     • 確保良好的通風，減少濕氣滯留。
     • 使用耐腐蝕的五金配件。
   • 選擇耐腐樹種：優先選用本身就具有較好耐腐性的木材（如檜木、肖楠、柚木等的心材）。

2. 改善濕度變化與尺寸不穩定問題：

   • 適當乾燥 (Proper Drying)：
     • 將木材乾燥至使用環境所需的含水率，並盡量使其均勻。
     • 採用緩慢、穩定的乾燥方法（如窯乾），避免過快乾燥產生內部應力與裂縫。
   • 改性處理 (Wood Modification)：