林務局農林航空測量所 鄧國禎．傅淑瑋

一 . 緣起

　　林木行光合作用，將大氣中以氣體型態存在的碳素（ CO ₂ ）轉化為固體型態（碳水化合物）存在於植物體中。將來即使木材被伐採利用，碳素仍固定在木材中，直到腐朽或燃燒後，才又分解回到大氣之中。此為森林碳循環的過程。而由於林木的體型高大，森林的面積廣闊，因此一般認為森林為陸域生態系中最重要的碳庫系統之一。

　　在工業革命之後，化石燃料取代木材成為人類主要的燃料來源。而由於人口成長，土地利用型態的改變，許多林地轉為建地或農地使用，造成原本封存於地底或森林中的 CO ₂ 大量釋放。研究人員觀測大氣中的 CO ₂ 含量從工業革命前 280ppm 一路上升到目前的 390ppm ，有明顯增加的趨勢。 CO ₂ 等溫室氣體的增加，不僅造成氣溫升高，也可能引起海平面上升、劇烈天氣發生頻率增加等氣候變遷現象。世界各國為求人類永續發展，也因而逐漸重視碳排放、吸存等管理工作。

　　1997 年聯合國氣候變化綱要公約參加國達成「京都議定書」協議，希望將各國的 CO ₂ 排放總量，控制在 1990 年的水準，並將各國的造林與再造林工作納入清潔發展機制進行認證，作為碳排放量的扣抵額度，各國亦可透過排放權的交易換取碳排放的額度。從林業經營的角度，則應以 58% 的森林覆蓋面積為基礎，確實執行造林及再造林等工作，並落實碳管理，以符合森林永續經營的國際趨勢，追求經濟發展與減碳工作的雙贏。

　　林務局農林航空測量所致力於發展遙測技術在農林資源調查之應用，過去辦理的「綠資源 NDVI 調查」計畫，獲得全島綠色植生覆蓋面積與歷年變動等資訊，為了進一步瞭解植生在碳匯發揮的實質效益， 99 年起委託國立中央大學研究團隊執行「遙測技術在森林健康、生長量及碳吸存之研究」計畫，針對森林固碳的效率及臺灣地區各種森林碳吸存能力進行研究。

　　為了探究這些問題，學者專家發展出各種方法進行評估，包括森林生物量的實地調查、建置通量塔台觀測及遙測技術等多種方式進行研究，並應用在不同的尺度與層面上。森林調查是林業經營上最常進行的工作之一。透過定期量測林木的高度、胸徑，以估算單位時間內林木生長的材積，進而轉換為碳吸存量。以此方式進行估算雖然最為直接，但因森林面積幅員廣大，調查工作耗時耗力，因此通常僅能以取樣方式進行。通量塔台（圖 1 ）則應用渦流協變系統（ Eddy Covariance Method ）觀測 CO ₂ 、水和能量流動，獲得碳通量，評估生態系統中總初級生產力、自營和異營性呼吸和淨生態系統碳交換等資訊。雖能藉由儀器長時間進行監測，但其設備昂貴，僅能在局部地區架設。相對而言，遙測技術係利用感測器掃描地表植生狀態，能在短時間內提供大範圍光譜觀測資訊，係較經濟且有效率的調查方式。為了評估多元方法估算碳吸存能力的異同之處，透過通量觀測專家學者及林務局取得相關調查資料，與遙測碳匯資料進行比較。

二 . 遙測技術應用於碳吸存研究

　　遙測技術在碳吸存研究上的原理，係藉由感測器記錄植物行光合作用時所產生的光譜反應，計算吸收輻射量及初級生產力間的相互關係，來求得淨生產力（ NPP ），進而推估植物碳吸存能力。

　　搭載在美國地球觀測系統（ EOS ）系列衛星 Terra 及 Aqua 上的「中級解析度成像分光輻射度計」（ Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, 簡稱 MODIS ），具有多光譜、高再訪、以及中級空間尺度的感測能力，適合作為估測全臺碳匯的工具。標準產品 MOD17 應用 BIOME-BGC 模型，將全球分為常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林、混合林及草生地等六種生態群系。進一步依據各生態群系的最大光能利用效率（ ε _max ）與光合作用有效吸收輻射（ APAR ），推估總初級生產量（ GPP ），進而推演淨初級生產力（ NPP ）。

　　蒐集處理 2000 至 2012 年間每個月份的 MODIS 初級生產力影像，經由分析顯示，在 2000-2010 年間，臺灣全島透過植物的光合作用每年約可吸存 22.2-29.9 百萬公噸碳素（圖 2 ），約相當於 81.4-109.6 百萬公噸的 CO ₂ ，這包含了森林地、草生地、農作地、以及濕地上所有草本、木本植物的貢獻。若進一步以 MODIS 地貌分類成果來看，森林區域雖然僅占全臺 61% 的面積，但在碳吸存能力上卻能貢獻達 76% 。亦即國有林區內，平均每年每公頃森林約能吸存 7.5-10.2 公噸碳量。

　　有關 MODIS 碳吸存估測成果在空間分布趨勢，依據蘇鴻傑教授臺灣全島地理氣候區（蘇， 1985 ）進行分析，大致呈現由北向南遞增的趨勢。最南側的 SE 區（臺東、恆春半島）擁有充足的日照，且林相以榕楠林及楠櫧林帶為主，整體呈現出最高的淨初級生產力，平均每年每公頃能吸存 9.5-12.8 公噸的碳量；而位處最北側的 NE 區（基隆、新北市、宜蘭），平均吸存約 6.3-8.8 公噸碳量，為各地理氣候區中最低，推測與其恆濕型的氣候型態及長期雲霧覆蓋等因素有關。

　　在臺灣幾種主要的植群當中，中低海拔的常綠闊葉林呈現較高的碳匯效能，且隨著海拔上升，林相由榕楠林、楠櫧林、櫟林，轉換為以鐵杉、雲杉、冷杉為主的中高海拔植群，固碳能力呈現遞減的趨勢（圖 3 ）。植物的碳吸存能力在時間分布上，呈現出明顯的季節性變化，總初級生產力（ GPP ）約在夏至時達到高峰，但此時較高的生物量亦造成較高的維持性呼吸成本，淨光合作用（總初級生產力扣除維持性呼吸量， PSNnet ）則早在 3-4 月份即達到最高，並反應在生長季初期時植生的迅速生長。

有關通量塔台的渦流協變系統觀測資料、林務局歷次永久樣區的蓄積量調查成果，與遙測碳匯資料比較結果如下：

1. 通量資料分析比對

　　經過律定後通量資料推演淨生態系統生產力及總初級生產力，再與遙測成果比對驗證，顯示遙測與通量資料的季節性變化趨勢相符，相關係數 R=0.79 （p <0.05 ），但若進行量級上的比較，則遙測推演高於通量的觀測成果（ GPP 高約 30.02% ， NPP 高約 18.93% ）。

2. 永久樣區資料分析比對

　　蒐集彙整永久樣區資料後，分析各地理氣候區的碳吸存量分布情形，顯示南部的 SW 、 ES 、及 SE 區具有較高的碳吸存量，平均每年每公頃 8.16~9.01 公噸碳量，北部的 EN 區及 NE 區較低，約 5.97~6.84 公噸碳量。在空間趨勢而言，吸存量在南北分布的趨勢，與遙測觀測成果相符。但就量級而言，遙測數據約為永久樣區資料的 1.07-1.27 倍，同樣呈現出遙測推演高於地面觀測值的現象。

三 . 結語與未來展望

　　衛星遙測能提供常態性的碳匯定量監測。以中尺度空間解析力的 MODIS 感測器而言，能以相對較低的成本，提供高時間解析的全島碳匯資訊。透過通量觀測與永久樣區地面調查資料的比對，證實遙測資料分別在空間上及時間上反應出實地的碳匯變化趨勢。雖然在定量上仍有些許差異，但透過資料比對及碳吸存機制的探討，已瞭解遙測數據的差異範圍。

　　MODIS 標準產品的推估係採用全球地理尺度的生態群系進行演算，與臺灣地區實際的生態群系組成、參數均有落差。因此將來若能發展出適宜臺灣的推估模式，將有助於提升遙測成果的準確度。在加拿大、澳洲、日本等各先進國家中，整合森林資源地面調查、遙測技術及通量觀測等方法，已成為建置森林碳監測及測計系統的主要方向，值得後續研究。

　　森林資源地面調查能提供實地且高準確度的森林碳匯資訊，也為清潔發展機制中估算各國土地利用變化、林業碳排放及碳移除所採用的主要方法。然而在林型及地形複雜度較高的臺灣山區，僅能取樣調查推估全面性資料，時間上往往也需五至十年時期方能完成一期的調查。適度應用遙測技術，不僅能在空間上提供較全面的森林監測，更能提供高時間解析度的資訊，做為更及時且全面的森林經營參考資訊。

圖 1 通量塔台

圖 2 全臺年度淨初級生產力（ NPP ）分布圖

圖 3 2000-2012 年各植群帶總初級生產力（ GPP ）及淨光合作用（ PSNnet ）逐月變化