記湖濱山居歲月:鴛鴦湖森林土壤和湖泊生態系研究的回顧和展望(三)

© 榮民森林保育事業管理處

撰文/中央研究院生物多樣性研究中心 邱志郁、台大科學教育發展中心 賴亦德

前情提要:記湖濱山居歲月:鴛鴦湖森林土壤和湖泊生態系研究的回顧和展望(二)

鴛鴦湖長期生態學的研究成果(續)

5.雲霧帶檜木林土壤中磷的組成和分布

除了碳與氮之外,土壤中另一個重要的營養元素非磷莫屬,鴛鴦湖周圍檜木林的土壤中磷的組成與分布或許也有其特別之處,值得深入探究。

我們利用化學連續萃取法和31P核磁共振光譜技術,測定鴛鴦湖這處未被干擾的過濕檜木林土壤中磷的組成和分布。更以穿越帶的調查方式,調查由山頂到湖畔的坡面土壤腐植層,探討由黏土和薄膠層所形成的底土層,是否影響土壤中磷的組成。結果顯示,土壤中總磷和有機磷皆是呈現由表層往底層遞減的現象。

此外,有機磷和土壤結晶型態的氧化鐵含量呈現負相關;無機磷則是和土壤中結晶型態的氧化鐵含量呈現正相關,且無機磷含量由表層往底層遞增,因大部分的無機磷是被土壤中結晶型態的氧化鐵所吸附。在可抽出型態的磷當中,氫氧化鈉─有機磷型態是主要組成,其次為碳酸氫鈉─有機磷,至於樹脂交換─磷、氯化氫─無機磷則含量最低。

至於在地形的影響上,我們也發現土壤中的無機磷和有機磷含量和地形並無典型的趨勢。根據31P核磁共振光譜技術的結果顯示,有機磷在土壤中主要的組成皆呈現由單酯所構成的類似圖譜,且31P核磁共振光譜技術的結果基本上和化學連續萃取的結果類似。

上述結果顯示,鴛鴦湖周圍土壤的生成過程決定了土壤中磷的分布,且高雨量和經年潮濕的氣候條件是造成此地土壤中磷組成特性分化的重要因素(Shiau et al. 2018)。

6.輻射核種於森林生態系的循環作用

二次大戰後列強進行核武競賽,爆發大量的核爆落塵。其中137Cs核種化學性質類似於鉀──植物的營養要素,可透過植物的吸收而進入食物鏈,此外,137Cs的半衰期長達30年,若透過食物鏈傳遞,會造成生態系重大的影響,這項憂慮,在車諾比核電廠事故發生後,成為生態學界熱門的研究議題。

對台灣而言,雖然車諾比核電廠以及核武試爆點似乎遠在天邊,但輻射核種對台灣的影響仍有謹慎評估的必要。我們結合台灣輻射偵測中心長年在平地農田土壤和農作物的監測資料,以及我們在台灣各山區森林進行普查的土壤和植物樣品,確認車諾比核電廠事故所飄散的輻射落塵對台灣生態系影響極微。但我們也意外發現鴛鴦湖自然保留區所採得的樣品,是台灣少數可測得核爆落塵137Cs核種的環境樣品。根據該地區冬天易於降雨的特性,研判是一九六零年代中國核爆的產物,隨著東北季風的降雨所帶入。

這項結果可歸結於鴛鴦湖周圍環境未受破壞干擾的天然條件,137Cs核種在沉降到地面後立即被植物吸收,在檜木林中構成循環(Chiu et al., 1999a; 1999b)。歷經數十餘年後,絕大部份的137Cs核種已由可交換性的型態,轉變為被土壤礦物固定難以解離的型態(Chiu et al., 2002);至於在土壤中可利用形態137Cs相對較高的土壤,則是具備較高的有機質含量,且2:1型土壤礦物的成份也較少(Chiu et al. 2008)。

除了土壤中的核種偵測與分析,我們進一步針對檜木林下的蕨類植物,探討其對於137Cs核種利用的型態。結果顯示不同蕨類植物間吸收137Cs核種有相當大的差異,這項差異可能和蕨類植物的分布習性有關。向陽型蕨類裡白(Diplopterygium glaucum)分布在林隙邊緣,耐蔭型蕨類如台灣瘤足蕨(Plagiogyria formosana)則分布於陰暗的林間,而不同區域土壤有機物的含量差異,造成不同種類的蕨類對於137Cs核種的吸收能力有所差異。裡白具備較低的137Cs遷移係數,可能是其的生長習性屬向陽性且多分布於森林孔隙,其微棲地通常具有較低的土壤有機物,以致於137Cs多被土壤礦物固定;至於生長於林蔭深處的台灣瘤足蕨,則因為生長習性偏好的微棲地而具備較高的137Cs遷移係數(Chao et al. 2008)。

 

參考文獻:

  1. Chao, J.H., Chiu, C.Y., and Lee, H.P. 2008. Distribution and uptake of 137Cs in relation to alkali metals in a perhumid montane forest ecosystem. Applied Radiation & Isotopes 66, 1287–1294
  2. Chiu, C.Y., Lai, S. Y., Lin, Y. M. and Chiang H. C. 1999a. Distribution of the radionuclide 137Cs in the soils of a wet mountainous forest in Taiwan. Appl. Radiat. Isot. 50, 1097-1103
  3. Chiu, C.Y., Lai, S. Y., Wang , C.J. and Lin, Y.M. 1999b. Transfer of 137Cs from soil to plants in a wet montane forest in subtropical area. J. Radioanal. Nucl. Chem. 239, 511-515.
  4. Chiu, C.Y., Shih, S.M., Wang, C.J., and Huang C.C. 2002. Availability and immobilization of 137Cs in organic soils of a subtropical perhumid forest ecosystem. Water, Air & Soil Pollution 137, 193-201.
  5. Chiu, C. Y., Wang, C.J., and Huang C. C. 2008. Availability and immobilization of 137Cs in subtropical high mountain forest and grassland soils. Journal of Environmental Radioactivity 99, 882-889
  6. Chung, T.L., Chen, J.S., Chiu, C.Y. and Tian, G. 2012. 13C-NMR spectroscopy studies of humic substances in subtropical perhumid montane forest soil. J. Forest Research 17:458–467.
  7. Shiau, Y.J., Pai, C.W., Tsai, J.W., Liu, W.C., Yam, R.S.W., Chang, S.C., Tang, S.L. and Chiu, C.Y.* 2018. Characterization of phosphorus in a toposequence of subtropical perhumid forest soils facing a subalpine lake. Forests. 9, 294; doi:10.3390/f9060294
views