子計畫十一：農業地景生態監測及復育
主持人：楊明德
團隊成員：陳樹群、蔡慧萍、柳婉郁、林登秋(台師大)
透過研究農業生產、人類開發、及環境因子的交互關係，運用不同尺度之遙測資訊進行臺灣農業地景之生態監測，進而提出兼顧農業經濟發展與環境生態平衡之復育管理建議。針對生態、生活與生產之永續農業基本元素，分為五子題執行，探討涵蓋藍帶與綠帶的議題，107年成果分述如下：
(1)淺山區地景農田監測
考慮到農地資源轉用具有不可逆（irreversible）的特性，本研究選定彰化，分析其在不同時空下的農地變遷過程。彰化縣境內有八卦山、且為台灣最重要的農業大縣之一、境內因為人為開發所導致的農地流失與農地污染也是全台第一，因此很適合用來分析人為的開發與干擾對淺山地區農業生態的影響。彰化的頂番婆坐落著全世界最大的水龍頭產業聚落（年產值超過800億元）。產業發展不僅會導致農地流失，還會汙染鄰近農地的生產環境。因此，彰化縣可以反映全台淺山區域農地普遍面臨的開發壓力，而分析彰化農地流失與細碎化的影響因子，有助政府當局評估「具備哪些條件的農地有較高被轉用的風險」，故有利政策制定與管理監督，以維護農業生產環境，達到人類與自然共生、開發與生態平衡。
目前初步成果為彰化縣在不同年度的農地變遷。本研究蒐集1994至2012年間之SPOT衛星影像資料，蒐集多光譜態(XS)及全色態(PAN) ，本研究採用監督式分類法中之高斯最大概似分類法(Guassian Maximum Likelihood Classifier)進行衛星影像自動化判釋，利用光譜特徵直接將農地與森林分類，由圖一的影像可知兩者之光譜特徵相當不同，由分類結果中也可分出八卦山脈一帶之森林，並再剃除掉彰化縣兩處彰化高爾夫球場及台豐高爾夫球場，即為此次初步成果。
圖一 農地與森林影像差異
(2)探討淺山農田生態系
同樣以彰化作為研究範圍，進一步將彰化多時期衛星影像所辨識出的農地變遷過程，以村里為研究單位，蒐集人口、經濟、社會、政治四大面向的指標作為解釋變數，再透過逐步多元迴歸分析（stepwise multiple regression analysis）的方法，分析出農地流失與細碎化的關鍵因素。圖二為執行架構。首先，會先蒐集統計模型分析所需的圖資以及統計資料。圖資資料會透過地理資訊系統（GIS）進行影像分類，GIS辨識出的影像成果會再進一步結合景觀分析軟體Fragstats，計算出農地流失與細碎化的各指標。逐步多元迴歸模型，會以此作為依變數，並以人口、經濟、社會、政治四大面向的指標作為解釋變數。逐步多元迴歸分析是在建構理論時，常用的方法之一。它結合了前進選擇法與反向淘汰法二種程序，將解釋力較弱的自變數從迴歸模型移除，因此，可以判定哪些指標是影響農地流失與細碎化的關鍵因素。
圖二 研究執行架構圖
本研究借用景觀生態學的指標衡量農地流失與細碎化。景觀生態學是結合生態學與地理學的科學。該科學提供許多指標去分析景觀要素的組成、類型、大小、形狀、分布、數量、及各景觀要素間的相互關係。本研究以下5個景觀生態學的指標衡量農地流失與細碎化：衡量「農地流失」的指標包括：（1）總農地面積：就糧食安全而言，農地面積減少的數量越少越好。而衡量「農地細碎化」的指標包括：（2）塊區密度（Patch density），為塊區數除以村里總農地面積的比值，在同樣村里面積之下，塊區越少，表示農地越集中、越完整。（3）面積加權的平均塊區面積（Area-weighted mean patch size）：將塊區的平均面積經過面積加權的處理，可以反映面積越大的農地越重要，故數值越大越好，越小則表細碎化問題越嚴重。（4）面積加權的形狀指數（Area-weighted mean shape index）：農地方整，有利機械化；而形狀指數會把農地塊區的形狀跟同樣面積的正方形做比較，得出來的形狀指數越高，表示越偏離正方形。（5）相鄰性指數（Contagion index）用來衡量不同土地使用互相干擾的情況，具體而言，指數的百分比越高，表示同類的土地使用越集中；指數越低則表示不同土地使用在空間穿插交錯的情況較多，故此指數用來衡量農地整體空間的分布是集中在同一區，或者農地穿插著民宅、農舍、工廠等其他土地使用，導致家庭汙水、工業廢水等影響農業生產環境。
解釋變數方面分為四大面向。人口方面，主要反映的是人口數量、勞動力、以及地方吸引力，這些因素均會增加開發需求，納入的指標包括：「總人口」、「人口密度」、「村里青壯年（15-64）人口」、「非農就業人口」、及「遷移人口」。經濟方面，反映的是經濟發展程度，發展程度越高，農地越可能轉用為其他開發密度較高的土地使用，納入的指標包括：「國內生產總值（Gross Domestic Product，GDP）」、「人均收入」、「不動產投資總額」、「畜產產值」、「製造業產值」、及「出口總額」。社會方面，反映的是社會發展程度以及大眾對農業及工業汙染的態度，納入的指標包括：「平均土地公告現值」、「建成土地面積」、「大學或專科畢業的人數」、「因天災而產生的農業損失」、「平均壽命」、及「癌症死亡率」。政策方面，反映的是都市計畫政策、土地使用規劃、及公共設施興建可能會有的影響，納入的指標包括：「到最近都市計畫區的距離」、「到最近交流道的距離」、「到最近鐵道系統車站（包括高鐵和台鐵）的距離」、「區內道路平均寬度」、「排水灌溉系統的平均寬度」、及「關鍵政策年（即2000年的農地重劃條例、2000年的農業發展條例修正案、以及2008年10月提出2010年通過的農村再生條例）」。
目前還在進行解釋變數的資料蒐集。取得逐步多元迴歸模型所需的變數資料後，即可將資料匯入至統計軟體分析出影響農地流失與細碎化的關鍵因素。預計研究完成後，可以得出符合哪些條件或區位的農地可能面臨較多的開發壓力，故可建議政府在資源有限的情況下，優先針對符合這些條件的農地加強管制、監督。若位於這些區位的農地已經地力不佳，則可考慮釋出作為其他土地使用，或許可避免同樣具市場開發壓力的優良農地被轉用為其他土地使用。
(3)淺山區域之藍帶(水系)架構
為建立淺山區域之藍帶(水系)架構，先以溪流功率曲線來作為研究試區的畫定標準，目前暫時選取了北港溪、烏溪、大甲溪、曾文溪、朴子溪、高屏溪等6條河川來進行初步的分析。溪流功率可分為總溪流功率及單位溪流功率兩者來探討河川的特性。其中總溪流功率常被用來評估河流橫斷面的總輸砂能力，而單位溪流功率則可用來評估水流對植生分布的影響。兩者交互比較即可推測某一河段的河相、水流局部沖刷力與植生分布情況。
本研究中6條河川的溪流功率分析結果如圖三所示。由圖中，我們可將每一個資料點間的溪流功率曲線分為4個發展方向來描述，分別為往右上(第一象限)、左上(第二象限)、左下(第三象限)以及右下(第四象限)。因此，我們可將總溪流功率、單位溪流功率與河川型態的變化繪製成一個4象限的平面座標圖來說明，如圖二十一。在第一象限的區域，總溪流功率與單位溪流功率皆是增加的狀態，此時河川屬於沖刷的型態且大多發生在山區峽谷的位置。在第二象限的區域，總溪流功率增加而單位溪流功率減少，此時河川型態逐漸由沖刷轉變為淤積，屬於準淤積的狀態，大多發生在山區到平原的過度區。在第三象限的區域，總溪流功率與單位溪流功率皆是減少的狀態，此時河川屬於淤積的型態且大多發生在平原河川的位置。在第四象限的區域，總溪流功率減少而單位溪流功率增加，此時河川型態逐漸由淤積轉變為沖刷，屬於準沖刷的狀態，在一般的自然情況下不會發生這種現象，只有在河川附近有崩塌或是人工構造物等外力影響下才有可能產生，因此屬於局部沖刷現象。因此，本研究所要建立之淺山區域水系架構，即可以溪流功率曲線往左上(第二象限)發展之山區到平原過渡區作為研究之試區。在往後的研究中，將進一步針對全台24條中央管河川之溪流功率進行分析，以定義出全台淺山區域之水系範圍及其河川特性。
圖三：6條河川之溪流功率變化曲線
(4)探討極端氣候之水植物與水環境演變關聯
預計氣候變化會加劇熱帶氣旋等極端氣候事件的頻率強度。然而，很少有研究檢驗水化學過程對極端氣候變化的反應。為填補這個知識空白，我們比較了颱風和非颱風期間四個亞熱帶山區不同農業使用程度不同集水區流量和離子輸入輸出之間的關係。在非颱風期間流量和離子輸入輸出關係的可預測性在颱風期間基本上消失了。這兩個時期之間差異造成的原因是在地表徑流，地下的相對貢獻在兩個時期間的差異所造成。
茶葉種植面積為17-22％的集水區其硝酸根輸出量隨著河流流量的增加大幅增加。相比之下，森林覆蓋率為93-99％的流域，隨著流量增加，硝酸根增加非常輕微或沒有增加，即使在颱風暴雨期間亦如此。結果顯示即使是輕微的自然植被的破壞也可能造成水化學循環的大幅變動。我們的研究清楚地說明了一般降水時間和極端降水時期水化學反應的明顯差異，故我們提出水文模型應將水化學過程分為常規和極端時間才能更完整反應水文化學對各種環境條件的反應。
(5)建立淺山區域之綠帶(農路、鄉道、防風林帶)架構
遊憩和調節空氣品質為綠帶其中幾個主要的功能，故以下包含兩部分：(1) 探討一系列綠帶屬性的偏好，以了解綠帶遊憩價值。(2)分析不同綠帶疏伐處理對台灣杉人工林碳儲量與生物量的影響。
綠帶屬性的偏好方面，以台灣台中市為例，作為一個城市綠地，綠園道有遊憩屬性和遊客偏好。本研究使用選擇實驗方法確定五個主要屬性偏好，結果指出每位訪客在過去一年中前往9.15次，每次前往花費2.37小時。五種遊憩屬性中，對遊憩活動機會的滿意度得分最高，對文化景觀資源的滿意度得分最低。重要性順序依序是遊憩品質，總遊憩成本，環境景觀資源，文化景觀資源和娛樂活動機會。另外，女性遊客關注成本與活動，但男性遊客更關注服務品質和自然/文化景觀資源。當地遊客關注成本與活動，但非本地遊客更關心環境/文化景觀資源。兩者都關注服務質量。此研究提出改善文化景觀資源和遊憩服務設施品質，提供更加完整的服務，增加遊客意願，另外也應設置不同區域以滿足不同訪客偏好。
調節空氣品質方面，綠帶森林為碳匯發揮著重要作用。除加強種植質量和數量外，綠帶疏伐處理對碳吸存也有很大影響。此研究分析不同綠帶疏伐處理對台灣杉人工林碳儲量與生物量的影響。重複調查試驗和allometric 方程式用於計算碳吸存量。這項研究的結果指出，疏伐處理的林分總碳量低於非疏伐林分碳量。未疏伐的23年林分估計碳吸存量為96.8 Mg C ha-1，高於同林齡中度疏伐(84.1 Mg C ha-1)或高度疏伐(74.7 Mg C ha-1)之碳量。若台灣種植目標是在年輕的生長階段吸存大量的碳，而不考慮初始吸存率，更好的選擇是不疏伐。然而，如果考慮更長的時期，中等疏伐比沒有疏伐有更高的碳吸存。
圖說：中興大學土木系楊明德特聘教授指導「你的農業好夥伴」團隊，12月15日參加農委會主辦「2018農業創新黑客松」競賽，在上百隊提案隊伍中脫穎而出，榮獲亞軍的佳績，獲獎金8萬元。
