孟宗竹入侵杉木林促進土壤劣化

  本中心邱志郁研究員,近日發表孟宗竹入侵杉木林促進土壤劣化的最新研究成果,該文已於2016年8月25日發表在國際專業期刊《科學報導》(Scientific Reports)。邱志郁研究團隊發現,孟宗竹侵入鄰近杉木林後,會造成土壤無法持續補充耐分解性的有機物,使得土壤有機物日漸耗損。

  竹子具備地下走莖,可蔓延到鄰近的林地。竹筍露出地表後,可生長迅速抽長達到樹冠層(筍的造字甚為有趣,意味只需一旬的時光,筍即可成竹)。既已獲取充足的陽光,便可順利生長。竹子侵入林地後,能逐漸佔滿林間的孔隙,造成林木幼苗無法獲得光線而枯死,長期而言,將造成林木無法藉由種子自然更新繁衍,森林遂逐漸被竹林取代。

  台灣中海拔山區,例如南投溪頭附近的道路沿線,分布大面積的孟宗竹林。這些孟宗竹呈現蠶食的方式,逐漸侵入鄰近的林地。百年前,由中國大陸所引進的孟宗竹,喜好較為涼爽的氣候,儼然成為台灣中海拔山區的外來入侵植物。孟宗竹林侵入林地的現象,除了造成生物多樣性下降,究竟對於土壤又造成了什麼樣的影響?

  邱志郁研究團隊在南投溪頭附近,緊鄰竹林的柳杉林設置研究樣區,針對柳杉林──過渡帶──竹林的帶狀樣區,比較土壤有機物的含量和組成變化,藉此評估竹林侵入柳杉林對土壤有機物所造成的影響。

圖一、南投竹山中海拔山區,孟宗竹林侵入鄰近的杉木林。

 

  一般竹林的經營生產,首重於採集竹筍和砍伐竹材。採集竹筍需翻動土壤,這種類似於農田的耕耘作業,會加速土壤中有機物分解。再者,頻繁砍伐竹材,也造成有機物被剝奪。長期而言,竹林無法像森林般持續累積腐植質,竹林土壤有機物含量是逐漸減少,而呈現地力耗損的現象。

除了土壤有機物含量減少之外,尚有土壤有機物組成結構改變的問題。

竹子為草本植物,枝葉枯落物的成分在土壤中較易於分解。竹子枝葉易於分解的特性,雖有助於提升養分的利用效率,但卻無法補充耐分解性的有機物,使得土壤有機物的質和量皆日益耗損。

(A) (B) 

  圖二、孟宗竹侵入杉木林的現象:(A)鳥瞰圖,淺綠色的孟宗竹林分佈在深綠色的杉木林間; (B)林木內部景觀。

 

  利用核磁共振的技術,證實竹林枝葉枯落物的成分,主要是以碳水化合物的氧烷基碳為主,在土壤中較易於分解。相對而言,杉木林枝葉含有較高量的木質素、單寧、蠟質、樹脂構成的烷基碳,是屬於耐分解的物質。杉木林可透過枝葉枯落物,將耐分解的成分補充到土壤中,維持土壤腐植質的穩定性;但竹林並不存在此種條件。竹林的枯落物原本就易於分解,經常翻動竹林土壤更促進有機質分解,提升了竹林土壤的腐植化程度。

  根據土壤腐植酸的光譜分析,證明竹林土壤的腐植化程度高於過渡帶和柳杉林。這項結果進一步證實了上述的現象──竹林土壤中,原本由森林所貢獻的耐分解性有機物逐漸耗損,土壤整體的有機物含量下降。

  以不同濃度的硫酸水解土壤有機物的實驗證實:竹林土壤中易分解性有機物的比例增高,但耐分解性有機物比例降低。這除了和竹林枝葉易分解性有機物的比例較高之外,也和竹林土壤經常被翻動有關。鬆土挖掘竹筍的過程,不僅促進易分解性有機物分解,也一併促進了耐分解性有機物的分解。基於竹林無法補充耐分解性有機物,久而久之,耐分解性有機物的比例日益下降。

  耐分解性有機物在土壤所具備的意義,是可糾結土壤礦物形成團粒狀結構。土壤團粒間所存在的孔隙,則是通氣和排水的管道,長期確保土壤具備保水、透氣、蘊含養分的功能。

  土壤有機物保持養分和水分的功能,有如水庫蓄水。暴雨所挾帶的地表水,雖可迅速補充水庫蓄水,但此種水源來去甚快,且挾帶泥沙,不利於水庫的永續經營。相對而言,透過地下岩層所供應的湧泉,才是確保長時期穩定供應的水源,讓水庫免於乾涸的重要依靠。森林常被比喻為綠色的水庫,森林所扮演截留雨水的功能,是透過深厚且富含有機物的土壤,撐起由地表通往地底的密佈孔隙,使得雨水足以緩慢滲入土壤深處、岩層,進而補充地下水的供應。耐分解性有機物在森林土壤中不易被分解,可穩定地維持土壤孔隙結構和和其伴隨的生態機能。

  是故,土壤中耐分解性的有機物,在生態和自然環境的保全極為重要。竹林的土壤有機物無論是在質和量皆呈現耗損,不僅直接關係到二氧化碳排放所引發全球暖化的現象,更造成土壤劣化,進而喪失土壤通氣、保水、抗旱、保持養分等維持生態環境穩定的功能。

  邱志郁研究團隊其他相關的研究結果,也證實竹林土壤微生物群落組成和杉木林有明顯的差異,這也顯示竹林土壤易分解性的有機物的供應比例較高,遂造成營養條件需求不同的微生物群落組成有所改變。

  第一作者王雪卿原於本院擔任博士後研究,目前任教於國立中央警察大學。

論文參考網站:http://www.nature.com/articles/srep32211 

   
圖三、孟宗竹林侵入鄰近的杉木林,導致土壤有機態碳和耐分解有機物(黑色部分)含量減少。  圖四、枯枝落葉的化學官能基比例。竹林枯枝落葉中氧烷基碳成分(淡黃色和淡綠色部分)最高;烷基碳成分(黑色部分)最低,顯示其具備易於分解的特性。