亞熱帶森林生態系附生植物營養限制之研究

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(1)國立臺灣師範大學生命科學系碩士論文. 亞熱帶森林生態系附生植物營養限制之研究 A Study on Epiphyte’s Nutrient Limitation in a Subtropical Forest Ecosystem. 研究生：甘浩廷 Hao-Ting Kan 指導教授：林登秋教授 Teng-Chiu Lin. 中華民國 108 年 4 月.

(2) 摯謝這兩年說長不長說短不短，將兩年花在研究、學習的時間，精粹成這一萬六千多個字的心情，真的百感交集，有很多人需要感謝，誠摯的感謝他們，要不是這些人的幫助，實在很難相信自己即將完成連自己都覺得還遙遠的一天。首先要先感謝林登秋老師，是老師讓我在放棄自己想研究題目的時候，提供了我依然很有興趣的方向，讓我在研究學習的這兩年內，是抱持著開心並想探究、深深想了解這項議題的心情完成自己的論文研究。在研究期間老師也時常給我想法和幫助，提供我對於研究主題的知識和理解，讓我能不疑惑的撰寫論文並完成研究；更讓我有自己的時間去做規劃，讓我在研究之餘完持自己人生中的規劃與目標，真的非常感謝林老師。再來要感謝農委會林業試驗所的王巧萍老師，以及其實驗室的佩珊學姊，謝謝王老師和學姊提供分析儀器，幫助我在葉片元素分析上的幫助，要是沒有她們的幫忙和協助，我無法在實驗結束之後，以那麼短的時間內分析完並得到結果，真的非常感謝她們。也感謝環境生態實驗室成員，中浩學長、奕勝學長、亮竹學長、和蓁學姊、栢榕學長、冠中學長、彥宇學長，在研究上的種種幫忙，要是沒有他們在出野外時的採集幫忙、論文撰寫上的建議、口頭報告時的叮嚀與糾正，我想我的論文研究也不可能進步的這麼快，完成的這麼快。最後感謝家人在經濟上以及精神上的支持，讓我能無後顧之憂的完成我的學業，結束我最後一個學生身份。完成碩士班的學業，訓練自己成為能獨立思考的人，期待能用這兩年所學，應用在未來的工作上。. 1.

(3) 目次摘要……………………………………………………………………………….…...5 Abstract………………………………………………………………………………..7 第一章、研究背景與目的 ............................................................................................... 9 第一節、森林生態系之重要性 ..................................................................................... 9 第二節、影響森林生態系之機制 .............................................................................. 11. 第二章、研究動機.………………………………………………………………….15 第一節、亞熱帶森林生態系營養限制研究現況……………………………….15 第二節、附生植物的重要性及營養限制………………………………………..16 第三節、台灣營養限制研究現況………………………………………………18 第三章、研究問題.…………………………………………………………………19 第四章、研究方法……………………………………………………………………20 第一節、研究地點與物種………………………………………………………20 第二節、研究實施與步驟………………………………………………………22 第五章、結果.............................................................................................................. 30 第一節、生物量與葉片數量及長度間的關係........................................................ 30 第二節、施肥處理對各物種生物量變化之檢測 ................................................... 32 第三節、元素分析 ..................................................................................................... 37 第六章、討論 .................................................................................................................. 47 第一節、亞熱帶植物之營養限制之情況 ................................................................ 47 第二節. 影響植物生長之其他因素 ......................................................................... 55. 第七章、結論.............................................................................................................. 57 第八章、參考文獻 …………………………………………………………………58. 2.

(4) 圖目錄. 圖 1、野外採集前的蕨類……………………………………………………………24 圖 2、四種植物於溫室生長之情形……………………………………………….…25 圖 3、巢蕨受蚱蜢啃咬的情況……………………………………………………..…28 圖 4、四種施肥處理及生長位置排列示意圖………………………………….…..28 圖 5、量測方式示意圖……………………………………………………………...31 圖 6、無法量測之新芽………………………………………………………….…..31 圖 7、測量葉片乾重示意圖…………………………………………………．…...32 圖片 8、無法完全分離之水苔與腎蕨根部……………………………………．.32 圖片 9、尚未完全展開之腎蕨新葉……………………………………….……….32. 圖 10(a)、巢蕨實際與預測地上部生物量線性關係…………………………….….33 圖 10(b)、台灣巢蕨實際與預測地上部生物量線性關係……………………….…34 圖 10(c)、附生型腎蕨實際與預測地上部生物量線性關係……………………….34 圖 10(d)、地生型腎蕨實際與預測地上部生物量線性關係……………………..…35 圖片 11、兩種巢蕨重新實驗之施肥處理對生物量影響………………………...36 圖片 12、施肥處理隨時間對巢蕨地上部生物量變化之影響……………………37 圖片 13、施肥處理隨時間對台灣巢蕨地上部生物量變化之影響………………37 圖片 14、施肥處理隨時間對附生型腎蕨地上部生物量變化之影響……………39 3.

(5) 圖片 15、施肥處理隨時間對地生型腎蕨地上部生物量變化之影響…………….39 圖片 16(a)、兩巢蕨在不同施肥處理間碳含量差異..………………………………41 圖片 16(b)、兩生長類型腎蕨雙因子變異數碳含量差異。……………………….41 圖片 17(a)、兩巢蕨在不同施肥處理間氮含量差異……………………………….42 圖片 17(b)、兩生長類型腎蕨雙因子變異數氮含量差異………………………… 42 圖片 18(a)、兩巢蕨在不同施肥處理間磷含量差異. ………………….……….43. 圖片 18(b)、兩生長類型腎蕨在不同施肥處理間磷含量差異…………………….43 圖片 19(a)、兩巢蕨在不同施肥處理間鈣含量差異……………………………….44 圖片 19(b)、兩生長類型腎蕨在不同施肥處理間鈣含量差異…………………….45 圖片 20(a)、兩巢蕨在不同施肥處理間鈣含量差異………………………………45 圖片 20(b)、兩生長類型腎蕨在不同施肥處理間鎂含量差異.……………………46 圖片 21(a)、兩巢蕨兩巢蕨在不同施肥處理間鉀含量差異……………………..46 圖片 21(b)、兩生長類型腎蕨不同施肥處理間鉀含量差異……………………….47 圖片 22(a)、兩巢蕨在不同施肥處理間碳氮比差異…….…………………..…….48 圖片 22(b)、兩生長類型腎蕨雙因子變異數碳氮比差異…………….…..………48 圖片 23(a)、兩巢蕨在不同施肥處理間氮磷比差異………………………………49 圖片 23(b)、兩生長類型腎蕨在不同施肥處理間氮磷比差異……………………49. 4.

(6) 摘要限制生態系初級生力的因子相當多，除了降雨和溫度之外，營養元素也是常見影響森林生態系生產力的重要因子，溫帶及熱帶地區已有相當多營養限制相關的研究，這些研究指出溫帶森林初級生產力主要受到氮的限制，而熱帶森林則是受到磷的限制；然而亞熱帶地區森林之營養限制卻鮮少有實驗研究，使我們對於全球生態系之營養循環尚未有全面的了解。此外亞熱帶、熱帶地區森林富含多樣的附生植物，其所含的營養占森林總營養相當大的一部分，為森林營養循環中重要的一環，然而附生植物是否與一般地生植物有著相同的營養限制，而可作為森林生態系營養限制之指標物種，我們無從得知。本研究於亞熱帶氣候的台灣福山試驗林，採集台灣巢蕨及巢蕨，及地生與附生之腎蕨，共三種植物種植於溫室內，並透過施肥實驗，添加氮、磷、及加氮又加磷及未施肥之控制組，共四種處理，觀察附生植物地上部生物量的增益，以檢驗附生植物受哪項營養元素所影響；同時觀察不同生長方式腎蕨地上部生物量是否有差異，以評估附生植物之營養限制是否和地生植物一樣，進而做為亞熱帶森林營養限制之指標。實驗結果顯示，施肥處理對兩巢蕨之地上部生物量變化皆有顯著的影響，以巢蕨而言，加氮加磷組的地上部生物量變化顯著高於加氮組、控制組， 5.

(7) 以加磷組的地上部生物量變化增加最少；而台灣巢蕨同樣以加氮加磷處理組的地上部生物量變化高於加氮組，並高於其他兩處理組。附生型腎蕨的檢測結果顯示三種肥料添加方式之間沒有顯著的差異，但均顯著的高於控制組的地上部生物量變化；地生型腎蕨地上部生物量變化則是以加磷處理組顯著的高於加氮加磷組並高於加氮與控制組。由上述結果可見，台灣亞熱帶地區森林內附生植物的營養限制在不同物種間並不一致，且並非受到單一元素所限制，可能同時受到氮、磷兩元素限制其生長。而本次的實驗結果也顯示，地生與附生生長類型之植被有著相同之營養限制。關鍵詞：營養限制、附生植物、施肥實驗. 6.

(8) Abstract There are several mechanisms to affect forest ecosystem, these mechanisms change forest ecosystem’s structure, microenvironment, nutrient cycling in different ways. Nutrient limitation is one of the famous mechanism that have been well-studied through fertilization experiment in last twenty years, and studies have shown that temperate forest limit by nitrogen and tropical forest limit by phosphorus, but there are few researches in subtropical area. And it’s critical to know nutrient limitation in subtropical forest in order to understanding global nutrient cycling. Epiphytes play an important role in forest ecosystem, especially for tropical and subtropical forest. They take big part of nutrient capital in forest ecosystem even though their biomass is low. In general, studies show that epiphyte’s limiting factor is water, but study in Hawaii shows different result, they said epiphyte share the same limiting nutrient with plant which grow on ground, and it also display epiphytes have faster reaction after fertilization because their short life cycle. So we don’t really know about epiphyte’s limiting factor, especially in subtropical forest. Our studies try to figure out nutrient limitation in subtropical forest through fertilization experiment in the greenhouse. We chose two common epiphytes and another epiphyte which can grow on tree and ground, fertilize these plants with nitrogen and phosphorus in four treatments in the greenhouse to test the nutrient limitation in subtropical forest ecosystem. 7.

(9) We use last data build a regression model, then estimate the real aboveground biomass with leaf dry weight, average leaf length, total leaf number each month. The Asplenium antiquum analysis shows aboveground biomass in fertilization with nitrogen and phosphorus are significant higher than other treatment; and aboveground biomass of Asplenium nidus L. in nitrogen and phosphorus treatment are also higher than nitrogen treatment and the others. Nephrolepidaceae’s analysis in epiphyte form show there are no differences between treatments with fertilization, but their aboveground biomass are all significant higher than control; the aboveground biomass of Nephrolepidaceae which grow on ground in phosphorus treatment is higher than the nitrogen and phosphorus treatment and the others. Our results show epiphytes in subtropical forest in Taiwan are not limited by single element but co-limited by several elements like nitrogen and phosphorus. Our results also show epiphytes share the same nutrient limitation with plant which grow on ground. Keywords: nutrient limitation, epiphytes, fertilization. 8.

(10) 第一章、研究背景與目的第一節、森林生態系之重要性森林生態系為重要的陸域生態系，除了是眾多物種棲息的環境之外，更在全球氣候的調節及營養循環上扮演重要的角色(Vitousek 1984, Pan et al. 2011)。從調節全球氣候的角度來看，森林生態系透過與大氣間交換熱、水分、氣體，進而影響氣候條件，例如美國東北部的植被因為春天來臨，大量的發出新芽長出綠葉，讓表面能量從顯熱 (sensible heating)轉變為潛熱(latent heating)，而中斷了美國東部氣溫上升(Schwartz & Karl 1990)。Pielke et al. (1998)整合了陸域生態系與大氣間的互動與關係，也指出森林生態系與氣候間的關係是不可忽略的。碳循環是許多環境生態研究關注的焦點，碳以不同的形式在生態系統中移動或被固定，在陸域生態系統中，會以二氧化碳的形式離開生態系統；也能留在陸域生態系統許多不同的儲存庫( pool )內，如植被、土壤、凋落物等。森林在各類陸域生態系統中分佈面積最廣泛，且生產力最高，故對於碳循環而言十分重要，而熱帶森林生態系更在全球碳循環上扮演非常重要的角色(Cramer et al. 2004)。自工業革命後，人. 9.

(11) 為活動致使大氣中的二氧化碳濃度大幅提高，己從 1990 年代的 350 ppm 左右到目前已超 410 ppm，使得溫室效應加劇進而影響全球的生態環境；森林生態系相較其他生態系統，能從大氣中吸收較多的二氧化碳，並將碳長時間儲存在植物體及土壤中(Dixon et al. 1994)；森林生態系統容納了地球陸域超過 75%的碳，相較於其他陸域生態系統有較高的碳儲存密度(Hamilton et al. 2002, Pan et al. 2011)，有助於減輕因二氧化碳濃度提高所產生的溫室效應。在營養循環方面，大部分的研究聚焦在生長中的森林營養元素的供應如何影響植物生長的過程。而森林枯落物內的營養元素含量，決定了分解這些枯落物的速率，枯落物可能缺乏植物需求量大的營養元素，像是氮、磷等，且會因為缺乏這些營養元素而限制了分解枯落物中纖維素、木質素的速率，進而影響枯落物分解形成土壤的有機質(soil organic matter)的速率，嚴重改變植物再次利用這些營養元素所需的時間(Berg 2000)。有機質的分解礦化，甚至改變土壤內的營養元素狀態 (Attiwill and Adams 1993)，進而影響當地植物獲取養分的效益。各地森林生態系統因不同的氣候環境、土壤的性質、物種，其枯落物的分解速率與營養循環、礦化速率有所差別，累積成土壤有機質的效率也. 10.

(12) 不同(Berg, 1993 , Vitousek, 1986)，例如在潮濕、高生產力的森林中，礦化和硝化作用的速率比其他森林高(Adams and Attiwill 1986)。由此可見森林生態系統對於全球的氣候調節、營養元素循環來說，是相當重要的一環，因此了解森林生態系的營養循環與影響機制是森林生態研究中相當重要而基礎的一環。. 第二節、影響森林生態系之機制影響森林生態系統的機制相當多，這些機制影響不同時間、地區森林生態系統的結構及生長等情形。除了眾所周知的溫度與降水之外，擾動(disturbance)也是影響森林生態系統結構功能與變動的重要因子之一。擾動又分為自然擾動及人為擾動，許多研究探討自然擾動對當地森林生態系的影響，並觀察擾動如何直接與間接的影響森林內植物的存活與生長。如 Zimmerman et al. (1994) 指出颶風擾動，會造成森林生態系統中植物的斷枝、死亡，從而影響森林生態系的更新，造成森林生態系統結構的改變。而擾動也可形成林內樹冠孔隙(gap)，孔隙的大小決定了進入林內的光照量，使林內的溫度、濕度、及分解速率有所差異。例如在 Zhang and Zack (1995) 的研究指出，大的孔隙中，微生物活動和分解率低，使得該環境內的營養物質循環速率降低。此. 11.

(13) 外自然擾動也可能改變當地森林的營養循環速率，如 Xu et al. (2004) 在日本沖繩島的亞熱帶常綠闊葉林經歷三年的觀察研究指出，由颱風所產生的枯落物相較於一般枯落物有較快的分解速率，氮與磷的流失速率也比較快；由於颱風的干擾，估計每年大約有 2.13 g m-2 yr-1 的氮和 0.07 g m-2 yr-1 的磷轉移至土壤中，且高達 52％的氮和 74％的磷來自落葉，他們並認為颱風為驅動當地森林快速磷循環，是維持沖繩亞熱帶森林生長的重要機制。颱風擾動，更可能使一森林生態系的總初級生產力(gross primary production, GPP)、生態系呼吸作用(ecosystem respiration, RE)、淨初級生產力(Net Primary Production, NPP)下降，讓生態系統在短期間內從碳匯 (carbon sink) 變成碳源 (carbon source)(Sano et al. 2010)。這些自然的擾動對於當地的森林影響尺度、層面很大，樹木倒塌、孔隙形成，甚至改變當地的營養循環速率，都會直、間接的影響森林的結構、營養循環、動態等(Lin et al., 2011, Lin et al., 2018, Naka and Yoneda 1984, Sousa 1984)，使得林內的動、植物受到這些波動而改變分布，或者影響存活。營養限制(nutrient limitation)也是影響森林生態系統相當重要的機制之一，在生態系營養循環、生產力上均扮演相當重要的角色。營養限制意指森林生態系因缺乏部分元素，使得植被生長受到限制；而透 12.

(14) 過添加、補充這些稀缺的元素，能提高生態系淨初級生產力。有研究指出自然環境下植物體內的氮與磷含量之比值(氮磷比，N/P)，可反應自然環境下植被群落的氮磷對初級生產力相對的限制程度 (Koerselman and Meuleman 1996) ，然而這僅是一種間接推估；因此大部分研究，會透過添加氮、磷肥，或其他營養元素之施肥實驗 (fertilization experiment)，比較植物之生長量或營養含量，作為生態系植被營養限制的直接證據(Tanner et al. 1990, Tanner et al. 1992, Mirmanto et al. 1999)。像是 Wright et al. (2011)透過施肥實驗，觀察當地植物的生長速率、細根生物量的增加以評估熱帶低海拔森林的營養限制。前人的研究結果顯示，中高緯度或中高海拔地區植物主要的生長限制因子為氮( Martinelli etal. 1999, Vitousek and Matson 1984)，因寒冷地區生物固氮作用速率較低，且 NH4+易經由硝化作用轉化為 NO3-，而 NO3- 容易從土壤中流失，造成這些生態系的植物常缺乏氮元素 (Vitousek and Howarth 1991)；而熱帶地區植物生長的營養限制因子較常為磷(Vitousek and Howarth 1991)，磷的來源主要為岩石礦物分解，需長久時間才能生成，但流動性低而不易流失，而 PO43-在酸性的土壤中容易與其他金屬離子如鐵鋁等結合形成植物無法吸收的化合物， 13.

(15) 熱帶土壤酸性強、鐵含量高，故熱帶生態系中磷供給較低(Walker and Syers 1976)。Vitousek et al. (2010)的研究更統整了其他造成磷在生態系缺失的原因，如磷風化的速率比不上其他元素的供應、母岩缺乏磷等。雖然有不少研究透過施肥實驗來檢視不同生態系中的營養限制情況，但營養限制在緯度所呈現的格局模式，尚缺乏足夠的實證研究測試(Fisher et al., 2013)，以致營養限制的機制尚未完整清晰；而近年來森林生態系營養限制的研究也持續更新，更提出了與以往不同的觀點與發現，例如 LeBauer and Treseder (2008)的研究指出氮限制可能是全球廣泛分布的，並非僅有溫帶地區而已，甚至在部分熱帶森林、高山森林扮演相當重要的角色；且大氣氮沉降的增加，也使得寒、溫帶森林生態系的氮限制越來越不明顯(Aber et al. 2003, Fenn et al. 1998)。 Lambers et al. (2008)的研究也指出，營養限制也可能是受到土壤年齡所影響，在初期生成的土壤中，植物生產力受氮所限制；而較古老的土壤，由於不斷被侵蝕、淋溶，使得土壤缺乏磷元素，導致植物的生產力受磷限制。近年來也有越來越多研究指出，一森林生態系統中可能是同時受到氮與磷，或不同元素所共同限制的(Bracken et al. 2015, Hedwall et al., 2017, Li et al. 2017, Wright et al., 2011)，被稱之為營養元素共同限制(nutrient co-limitated)。除了上述直接於森林生態系大面. 14.

(16) 積施肥的研究外，也有研究針對特定植物類群探討其營養限制或施肥效益等議題，像是有研究指出在樹冠層添加磷肥之後，增加了附生植物的群落多樣性(Benner and Vitousek 2007)，藉由植物生長量的增加來判定生態系營養限制的情況。熱帶與溫帶地區森林生態系營養限制的研究已有很長的歷史，累積相當豐富的成果，然而卻僅有少數的研究，針對亞熱帶地區森林內植被營養限制作探討。Hou et al. (2012) 在亞熱帶地區的鼎湖山自然保護區進行研究，指出相較於氮而言，生態系中可被利用的磷對於森林內初級生產力、生態系統的過程更為重要。然而僅少數的研究可能會讓我們對於亞熱帶地區營養限制理解造成偏頗，仍須更多的研究，才能使我們對於亞熱帶地區森林生態系植被營養限制的議題有更清晰的了解。. 第二章、研究動機第一節、亞熱帶森林生態系營養限制研究現況在溫帶以及熱帶地區已經有相當多的研究對營養限制進行探討，但各地區所觀察到的結果仍有些微差異，例如 Tanner et al. (1998)整理了熱帶山地雨林生產力受營養供應限制的文獻，指出夏威夷的山地土壤，在土壤發展初期為氮限制，到土壤發育晚期時，則會發展成磷限制，或氮磷共同限制；在低地森林的研究結果，發現磷是限制熱帶低 15.

(17) 地雨林生產力最常見的營養元素，而氮則限制熱帶山地雨林的生產力。上述的研究成果如同前言所提到的，說明一個生態系中的營養限制差異可能是多樣且會隨時空而改變，熱帶與溫帶地區的研究有許多值得進一步深入探討的觀察結果，然而亞熱帶地區森林植被營養限制的研究相較於其他兩氣候帶是貧乏的，以至於我們無法評斷亞熱帶地區的森林，其內植物的營養限制是否會與熱帶與溫帶地區有所不同，甚至會因時、空間而改變。這使我們無法全面性的了解全球生態系統的營養限制，更是無法清晰地描繪全球營養元素循環的面貌。. 第二節、附生植物的重要性及營養限制在熱帶及亞熱帶地區潮濕的森林生態系中，具有高多樣性及數量的附生植物，為森林植物多樣性非常重要之一部分(Hsu and Wolf, 2009)，也是森林生態系統中營養循環重要的一環。雖然附生植物之生物量占森林生態系地上部之總生物量很低的比例，但由於其營養元素濃度低的支持性器官如莖及粗根等所占比例偏低，而營養含量高的葉子占生物量比例高，故其營養(nutrient capital)占生態系統總量很大一部分。例如在台灣東北部福山森林生態系的調查即顯示，雖然附生植物占地上部分生物量約 2% ，但卻包含了生態系統葉子總營養含量的 21%~43%(Hsu et al. 2002)，附生植物可改變營養物質和碳通量的循環 16.

(18) 速率、儲存以及路徑(Nadkarni 1981)，並藉由攔截降雨和雲霧，影響森林生態系統的水循環(Hölscher et al. 2004, Bruijnzeel et al. 2005)，在森林生態系之營養、水文循環上扮演非常重要之角色(Nadkarni 1984)。例如 Pypker et al. (2006)的研究指出，森林的附生地衣和苔蘚，增加了樹冠層的儲水能力，並延長了冠層飽和或乾燥所需的時間。過去研究普遍認為，影響熱帶及亞熱帶附生植物分布及豐富度之主要因素為水(Kreft et al. 2004)，如 Richards (1952)的研究指出，雲霧森林由於其高頻度的雲霧環繞，使得空氣的相對濕度較高，也造就了高豐富度的附生植物。Gehrig‐Downie et al. (2011)的研究也顯示，相較於乾燥的低地雨林，高相對濕度的低海拔雲霧森林，有更高的附生植物覆蓋率及生長率。除了水之外，營養也可能對附生植物的生長與分布有所影響，像是在熱帶高山雲霧森林的研究指出，當地鳳梨科植物除了主要受水限制之外，同時也會受到磷元素所限制生產力(Lasso & Ackerman 2013, Zotz, 2010)；Zotz (2013)針對鳳梨科植物研究也提到，在添加氮、磷兩元素之後，都顯著的增加了相對生長速率(relative growth rates, RGR)，但僅有磷元素在組織中的含量是與植物生長相關的。Young et al.(2018)透過施肥實驗，發現氮相較於其他元素，為更直接限制鳳梨科植物生產力的營養元素。一項在夏威夷針對蘭花的研究也指出附生. 17.

(19) 植物與土壤生長的植被有著相同的營養限制(Vitousek et al. 1995)，同樣受到氮、磷這些營養元素所影響。此外許多研究認為附生植物營養取得較根長於土壤中的植物不易，僅能透過大氣中的乾、濕沉降，以及幹流水(stem flow)中獲取營養元素，營養限制的情形應更為嚴重 (Zotz and Winkler 2013)，由此推論以附生植物作為對象所進行的施肥實驗，其生長的促進應更為明顯。過去營養限制的研究，多是在野外進行大量的施肥，直接觀察森林生態系內的淨初級生產力是否會提高，然而這樣的實驗通常需要二至五年以上的時間才得以看出明顯的結果(Gerrish et al. 1988, Tanner et al. 1998, Feller et al. 2003)。而附生植物相較於喬木有較短的生命週期，對於施肥的反應會更加快速，應有助於我們在較短時間內了解生態系的營養限制。. 第三節、台灣營養限制研究現況由前人研究顯示，亞熱帶地區的台灣，其森林植被的生長主要受磷的限制(Wu et al. 2007)，然而卻沒有施肥實驗之研究做為直接的證據，使得台灣的森林生態系究竟受哪一項營養元素限制仍難論定，加上附生植物營養限制的研究數量相當少，上述夏威夷一地的研究結果是否能用來推論台灣潮濕森林附生植物的營養限制，並將附生植物作為生態系統營養限制的指標生物，目前亦尚難有定論。Huang and Lin (2016) 18.

(20) 利用台灣巢蕨與書帶蕨於福山試驗林進行施肥實驗，結果顯示對兩附生蕨類施肥，生物量的增加並未高於未施肥的控制組，該研究認為水對生長的限制可能更甚於氮磷等營養元素。在未排除水限制的情況下，附生植物究竟比較缺氮或缺磷無法顯現，該研究為野外實驗，不易控制水份狀況，若欲深入了解附生植物的營養恐應先進行溫室實驗，才能較對台灣亞熱的地區森林生態系的營養限制情況有所了解。. 第三章、研究問題本研究選用對於環境較為敏感的附生植物作為研究對象，將野外的附生植物帶回溫室，在水份供應充足且生長環境相同的控制之下，進行施肥實驗以檢驗亞熱帶地區附生植物之營養限制，並評估附生植物是否可做為亞熱帶森林生態系統的營養限制的指標生物。本研究以福山試驗林作為採集場所，於林內挑選巢蕨、台灣巢蕨，兩種附生植物作為研究材料，探討(一)台灣亞熱帶森林生態系附生植物之營養限制為何？並利用不同生長形式之腎蕨以比較(二)相較於長在土裡的植株，同一物種植物附生與地生的植株其營養限制是否相同。. 19.

(21) 第四章、研究方法第一節、研究地點與物種本研究對象之採集地點位於宜蘭縣的福山試驗林，海拔介於 400 公尺至 1400 公尺，年均溫 18.6℃，平均年降雨量 4240 mm (Lin et al. 2011)，整年相對濕度高達 90%以上，且林內富含多樣附生植物，共 20 屬 65 種維管束附生植物(Hsu et al. 2002)，為採集本研究目標物種之良好地點。本研究的對象為熱帶及亞熱帶森林常見的兩種鐵角蕨科 (Aspleniaceae)蕨類，巢蕨(Asplenium antiquum)與台灣巢蕨(Asplenium nidus L.) 與腎蕨科(Nephrolepidaceae)的腎蕨 (Nephrolepis cordifolia auct. non Presl.: Copel.)。巢蕨附生於樹幹及岩壁上，植冠成鳥巢狀，常堆積許多其它樹種的落葉，葉片呈波浪狀捲曲，長可達一公尺以上，葉脈在葉邊緣處聯合形成網脈。巢蕨主要以分布在葉背之孢子進行繁殖，孢子堆呈線形，生於葉中軸到葉緣的一半(《臺灣生物多樣性資訊網-TaiBIF》)；台灣巢蕨形態大致與巢蕨相似，也同樣被稱為鳥巢蕨或是雀巢羊齒，是大型的常綠草本蕨類植物，其葉片背後孢子堆同樣呈線形，但其長度由葉中軸伸展至葉緣。鑒於鳥巢蕨的基質構造其 20.

(22) 形態利於種植在花盆中進行施肥實驗，且在台灣森林中常見，因此選擇作為研究對象。雖然兼具地生與附生兩種生長類型的附生植物非常多，且也有與鳥巢蕨同屬的物種，如生芽鐵角蕨，但附生生長類型的個體在森林中非常少見，數量不足以提供做為本研究的實驗進行，故以在台灣低海拔森林常見、且具兩生長類型之腎蕨作為研究對象。採樣地點位於福山植物園區外原生林，三種蕨類於 2016 年 12 月至 2017 年 3 月期間各採集 24 棵附生個體，腎蕨另採 24 棵地生個體。附生植物的體型大小，可能是影響維管束附生植物生理生態之重要因子 (Zotz et al. 2001)，為避免體型對於施肥實驗之影響，以大小相近之個體作為選擇對象，然而巢蕨的個體普遍大於台灣巢蕨。. 圖 1、野外採集前的蕨類。. 21.

(23) 第二節、研究實施與步驟 (一)、研究前處理實驗前處理會先將巢蕨與台灣巢蕨基質上方的枯落物及其他植物清除，避免枯落物分解作用，或生長於基質上方的其他植被影響施肥後的結果。處理後的植株個體，直接栽植於塑膠花盆內，因兩種蕨類採集個體大小有些微差異，故所栽種的花盆大小不同。澆水週期為每天一次，水量為澆水到水從盆栽底部溢出為止；施肥前會將所有個體置於溫室生長至少一個月才進行實驗。. 圖 2、三種植物於溫室生長之情形腎蕨個體先用水清除附於根部的土壤，以免根部所殘留的土壤養分 22.

(24) 干擾施肥實驗的結果，清洗完之後利用泡水後的乾燥水苔(Sphagnum palustre)，包裹住根部栽種於塑膠花盆內。同樣每天澆水一次，在施肥前所有個體置於溫室生長至少一個月之後再開始施肥實驗。. (二)、施肥實驗為探討亞熱帶森林生態系營養限制，因此參照前人研究，以植物需求量較大的氮、磷兩元素進行施肥實驗，並將施肥實驗分為四種處理，分別為添加氮肥、磷肥、氮磷肥以及控制組(只加水)。自 2017 年 3 月 27 號第一次施肥開始，每兩周施肥一次，為期一年，共施肥 24 次，最後一次施肥為 2018 年 2 月 12 號。使用的氮肥為硝酸銨(NH4NO3)；磷肥為磷酸二氫鈉(NaH2PO4)。因大部分採集來之個體能填滿整個花盆，故本研究將花盆面積視為該物種每單位施肥之面積(以花盆內圈半徑計算面積)，面積分別為台灣巢蕨 0.0314 平方公尺；巢蕨 0.049 平方公尺。為使兩蕨類每年每公頃具相同的營養添加量，故台灣巢蕨每次添加的氮肥為 0.112 克，磷肥為 0.03 克；巢蕨每次添加的氮肥為 0.174 克，磷肥為 0.047 克，肥料皆會溶於由 Milli-Q® Element System Water Quality Assessment (Lit. No. AB1946EN00. Printed in France 02/04. Copyright © 2003, Millipore Corporation, Billerica, MA, U.S.A. Millipore, Milli-Q,)所製造的 15 克純水中，再添加到前三個處理組；控制組則只添加 15 克的水。一般施肥實驗須確保植物能獲得足夠的 23.

(25) 營養元素，前人研究根據各自研究的樣區、物種、研究時間有不同肥料添加量，而添加範圍介於每年每公頃添加 140 至 560 公斤的氮、30 至 200 公斤的磷之間(Kenk and Fischer 1988, Mirmanto et al. 1999)。而本研究施肥處理，每年每公頃共添加 300 公斤的氮，及 60 公斤的磷，在前人研究肥料添加量的範圍內，且大於這些物種在原生長環境所獲得的量。在施肥實驗進行的過程中，每一個月針對每一株巢蕨、台灣巢蕨任意挑選五片完全展開之葉子，從葉柄至葉尖進行非破壞型的量測，並計算每一棵植株的總葉片數；附生型與地生型腎蕨則會量測任意三片葉片長度，並計算枝條數量及枝條上小葉片數量，以檢測施肥一年間生物量在各月份之增加速率。然而在夏季施肥的過程中，有許多巢蕨與台灣巢蕨的個體，葉子遭受蚱蜢咬食(圖 3)，導致並非所有的葉片都是完整的，已盡力驅逐蚱蜢，避免葉子再度受損以持續影響實驗的結果，而兩種生長類型之腎蕨受的影響相對較小。此外由於當初在進行施肥實驗前，並未先記錄植株原本的葉片總數量與長度，導致在第一次測量前的施肥變化並未被記錄下來，為避免低估施肥實驗對植株地上部生長量的增益，於 2018 年 6 月重新於福. 24.

(26) 山試驗林摘採巢蕨、台灣巢蕨各六株個體，在施肥前先量測各植株的葉片總數量，及隨機挑選各五片葉片測量其長度，隨後於 2018 年 8 月 10 號重新進行相同的前處理與實驗，每一個月紀錄各植株的葉片數量與長度變化，並於 2018 年 10 月 2 號完成實驗，以本次的測量結果檢測，是否在施肥後第一次測量即有施肥效應，而使原來的實驗低估施肥實驗對植物地上部生長量的增益。. 圖 3、巢蕨受蚱蜢啃咬的情況. 圖 4、四種施肥處理及生長位置排列示意圖. (三)、樣本分析在施肥一年之後，因溫室的遮棚並不完整，為了避免不同種植位置微環境的差異影響施肥結果，將巢蕨與台灣巢蕨栽種位置在第二、三、 25.

(27) 五排的個體，作為分析生物量及營養元素含量的樣本(圖 4 打勾處)，總共分析 24 棵植株個體。將所選擇的巢蕨與台灣巢蕨 24 棵個體所有的葉子都剪下，利用捲尺從所剪下的葉柄處開始，量測至葉片尖端以代表每一片葉子的長度 (如圖 5)，若葉片尖端為分岔狀，則選擇最長的那一端做為量測的結尾，然而有些個體有些無法測量的新芽(圖 6)，但仍應納入該棵植株的生物量，因此只將這些新芽剪下並不量測長度。將所有量完長度的葉子，以及新長出來無法量測長度的新芽，全放入牛皮紙袋進入烘箱，以攝氏 65 度烘烤至少一週；隨後透過電子秤測量所有葉片的乾重(圖 7)。藉由三物種採收所有葉片所記錄的葉片乾重、平均葉長、葉片總數三項進行多變量迴歸分析，建構葉片乾種和葉片數量與長度之間的廻歸式，並將每個月所記錄的葉片資料帶入迴歸公式，試著推估各物種每個月每一株植株的地上部生物量，其中兩種生長類型的葉片數量是以小葉數量進行廻歸分析。地生型及附生型腎蕨因為在溫室生長的情況不好，因此將還存活的所有個體做為分析的樣本，地生型腎蕨共有 20 棵個體；附生型腎蕨則是 19 棵。將做為樣本的每一個體其葉片全都剪下，計錄每棵個體的總枝條數量，並用捲尺測量葉柄至葉尖的長度。兩種生長類型的腎 26.

(28) 蕨也有些個體有葉片尚未完全展開的枝條(圖 9)，因同樣為該棵植株的生物量，故一樣只將那些枝條剪下不量測。處理過後同樣將所有枝條都放入牛皮紙袋，以攝氏 65 度的烘箱烘烤至少一週；每一棵個體的根部會放入烘箱烘烤，隨後測量所有葉片和地下部的乾重，同樣依最後採收葉片所得來的資料建立關係公式，帶入每個月量測葉片的數據，來推估該棵植株各月份的地上部生物量。量測完的葉片以研磨機將葉片細磨成粉狀，透過 CHNOS Element Analyzer(Elementar Vario EL III, Hanau, German)分析葉片中的氮與碳；磷、鉀、鈣、鎂則是透過 Inductively coupled plasma atomic emission spectrophotometer (ICP-AES) JY 2000(HORIBA Jobin Yvon)測量。然而附生型腎蕨由於在溫室生長不好，在進行磷、鈣、鎂、鉀元素的分析時，能作為監測的葉片樣本太少，以至於加氮以及控制組的資料無法被偵測，因此視為缺漏資料。. (四)、統計分析由於蚱蜢啃食的結果，可能會造成各處理組估算出的地上部生物量差異太大，以至於不同處理間的差異無法明顯被檢測出，故會將三物種各處理內的兩株受啃食最嚴重植株所推估之地上部生物量資料排除。 27.

(29) 將三種物種各個月份之地上部生物量推算出之後，將各個月所推估之地上部生物量除以第一次推估之地上部生物量，得到該物種每一個月地上部生物量的變化，便可以觀察地上部生物量隨著年間的差異。再個別針對每一物種最後一次地上部生物量變化進行 One way ANOVA with repeated measurements 分析，來觀察經施肥處理過後的地上部生物量變化，是否與第一次紀錄時所推估之地上部生物量有顯著之差異，來探討台灣亞熱帶森林生態系附生植物之營養限制為何。同樣透過單一變異數分析比較兩生長類型之腎蕨，是否具有相同的營養限制情形。並透過單一變異數分析各物種在不同處理間葉片營養元素含量是否有差異，以檢測施肥效果是否有成效。. 圖 5、量測方式示意圖. 圖 6、無法量測之新芽 28.

(30) 圖 7、測量葉片乾重示意圖. 圖片 8、無法完全分離之水苔與腎蕨根部. 圖片 9、尚未完全展開之腎蕨新葉. 29.

(31) 第五章、結果第一節、生物量與葉片數量及長度間的關係本研究將施肥後的植株採收後，測量其葉片長度、數量、地上部生物量，透過多變量迴歸以建構葉片長度及數量二項因子和地上部生量間的線性關係，結果顯示台灣巢蕨的線性關係最佳 R2=0.87、巢蕨略差 R2=0.83、地生型腎蕨居中 R2=0.86，而附生型腎蕨最低 R2=0.81，整體而言線性關係皆相當高。本研究同時透過實際測量的地上部生物量，與利用迴歸式推算的地上部生物量進行迴歸分析，同樣以台灣巢蕨線性關係最佳 R2=0.9，附生型腎蕨線性關係最差 R2=0.66(圖 10)。. 圖 10、(a)巢蕨實際與預測地上部生物量線性關係。 30.

(32) 圖 10、(b)台灣巢蕨實際與預測地上部生物量線性關係。. 圖 10、(c)附生型腎蕨實際與預測地上部生物量線性關係。. 31.

(33) 圖 10、(d)地生型腎蕨實際與預測地上部生物量線性關係。. 第二節、施肥處理對各物種生物量變化之檢測重新進行實驗兩種巢蕨 12 顆植株，結果顯施肥二個月後所測得的地上部生物量，與實驗開始時所測得出來的地上部生物量，並沒有顯著的差異(圖 11)，由此推測在原本的實驗中，應未低估施肥實驗對植株地上部生物量的增益情況。一年的施肥結果顯示施肥處理對三物種之地上部生物量變化皆有顯著的影響，以巢蕨而言，加氮加磷組的地上部生物量變化顯著的高於加氮組、控制組，以加磷組的地上部生物量變化最低(圖 12)；其中值得注意的是，除了第八次的結果之外，加氮加磷處理的地上部生物. 32.

(34) 量變化隨著時間不斷上升。台灣巢蕨同樣以加氮加磷處理組的地上部生物量變化高於加氮組，並高於其他兩處理組(圖 13)；且台灣巢蕨的各個處理組地上部生物量變化，都隨著時間而持續增加，以加氮加磷與加氮組上升較為劇烈。 1.2. 生物量變化(ratio). 1 0.8 氮處理磷處理氮磷處理. 0.6 0.4 0.2 0 1 巢蕨. 2 台灣巢蕨. 圖片 11 、兩種巢蕨重新實驗之施肥處理對地上部生物量變化影響。重新測驗. 結果顯示，施肥處理在短時間內並不會造成植物地上部生長量顯著提升(P 皆>0.05)。. 33.

(35) 2.0. 生物量變化. 1.6 氮. 1.2. 磷氮磷. 0.8. 控制組 0.4 0.0 Jan JUN. Jan. ji3. Jan Jan AUG.. Jan OCT.Jan. Jan DEC.Jan. JanFEB.. 圖片 12、施肥處理隨時間對巢蕨地上部生物量變化之影響。地上部生物量變化為將各月份的測量值除以第一次測量值所得到的生物量。. 3.0. 生物量變化. 2.5 2.0. 氮磷氮磷控制組. 1.5 1.0 0.5. 0.0 1 2 JUN.. 3 4 AUG.. 5 6 OCT.. 7 8 DEC.. 9 FEB. 圖片 13、施肥處理隨時間對台灣巢蕨地上部生物量變化之影響。地上部生物量變化為將各月份的測量值除以第一次測量值所得到的生物量。. 34.

(36) 四種不同施肥處理對兩生長類型腎蕨地上部生物量變化也有顯著影響，附生型腎蕨的結果顯示，雖然三種肥料添加方式之間沒有顯著的差異，但三種處理的地上部生物量變化皆顯著的高於控制組(圖 14)；且四種處理在第七、八次結果時地上部生物量變化開始下降，以氮處理組最為劇烈。地生型腎蕨地上部生物量變化則是以加磷處理組顯著的高於加氮加磷組並高於加氮與控制組(圖 15)；而加氮加磷與加磷處理組地上部生物量變化在一開始上升最快，隨後才降下來，沒有添加肥料的控制組則是越長越不好。兩生長類型腎蕨額外進行 Two way ANOVA with repeated measurements 分析，結果顯示，經 11 個月的施肥處理不同生長型式間並無顯著差異(F=0.0273, P=0.8741)。而不同施肥處理間，則有顯著差異(F=11.9713, P=0.0002)，至於不同施肥間的細分差異請見上方之 One way ANOVA with repeated measurements 的描述。. 35.

(37) 3.5 3.0. 生物量變化. 2.5 2.0 氮磷氮磷控制組. 1.5 1.0 0.5 0.0 JUL. 1. 2. SEP. 3. 4. NOV. 5 6. JAN. 7. 8. 圖片 14、施肥處理隨時間對附生型腎蕨地上部生物量變化之影響。地上部生物量變化為將各月份的測量值除以第一次測量值所得到的地上部生物量。 3.0. 生物量變化. 2.5 2.0 氮磷氮磷控制組. 1.5. 1.0 0.5 0.0 1 JUL.. 2. 3 SEP.. 4. 5 NOV.. 6JAN. 7. 8. 圖片 15、施肥處理隨時間對地生型腎蕨地上部生物量變化之影響。地上部生物量變化為將各月份的測量值除以第一次測量值所得到的地上部生物量。. 36.

(38) 第三節、元素分析部分植物於溫室生長不良，導致能分析的葉片植體數量不足，使得有些個體在部分元素的分析中沒有結果，故視為缺漏資料。碳的含量百分比在兩種巢蕨的不同處理間並無顯著差異，但巢蕨有低於腎蕨的趨勢 (圖 16a)，兩生長類型腎蕨皆以加氮加磷處理顯著高於加氮組，並大於其他兩組；且除了加氮加磷處理組之外，其他三項處理組皆以地生型腎蕨的碳含量顯著的大於附生型腎蕨的碳含量 (圖 16b)。而添加肥料確實造成該營養元素在葉中的濃度顯著高於未添加該營養元素組別的個體，在氮重量百分比的檢測中，氮處理與加氮加磷的處理都顯著的高於其他處理組(圖 17a)，而兩生長類型腎蕨以加氮處理的含量顯著大於加氮加磷處理組，並大於其他兩組，但不同生長類型之間是否有差異，僅有加氮加磷處理組以附生型腎蕨的含量顯著高於地生型腎蕨含量(圖 17b)。. 37.

(39) 44 43 42. C %. 41 氮處理磷處理氮磷處理控制組. 40 39 38 37 36 35 巢蕨1. 2 台灣巢蕨. 圖片 16(a)、兩巢蕨在不同施肥處理間碳含量差異。同一物種不同處理間無相同字母表示具顯著差異，無任何字母表示均無顯著差異。 a. 46 b. 45 44. a b. c c. C %. 43 42. c. 氮處理磷處理氮磷處理控制組. c. 41 40 39 38. 附生型腎蕨 1. 地生型腎蕨 2. 圖片 16(b)、兩生長類型腎蕨雙因子變異數碳含量差異。同一物種不同處理間無相同小寫字母表示具顯著差異，不同生長方式間有星字號具顯著差異。. 38.

(40) 25. a. N (mg/g). a. a. 20 15. a. b b. 10. b. b. 氮處理磷處理氮磷處理控制組. 5 0 1 巢蕨. 2 台灣巢蕨. 圖片 17(a)、兩巢蕨在不同施肥處理間氮含量差異。同一物種不同處理間無相同字母表示具顯著差異。. 50 45. a. 40. a. N (mg/g). 35. *b. 30. 氮處理磷處理氮磷處理控制組. b. 25 20 15 10. c. c. c. c. 5 0 1 附生型腎蕨. 2 地生型腎蕨. 圖片 17(b)、兩生長類型腎蕨雙因子變異數氮含量差異。同一物種不同處理間無相同小寫字母表示具顯著差異，不同生長方式間有星字號具顯著差異。不同生長類型間，以加氮加磷處理組的附生型腎蕨含量顯著高於地生型腎蕨含量。(紅色星字標示處). 39.

(41) 0.03. P (mg/g). 0.03. a. a. a. a. 0.02 氮處理磷處理氮磷處理控制組. b. 0.02. b. b. b. 0.01. 0.01 0.00 巢蕨1. 2 台灣巢蕨. 圖片 18(a)、兩巢蕨在不同施肥處理間磷含量差異。同一物種不同處理間無相同字母表示具顯著差異。植物葉片內磷含量結果顯示，在三種植物中，磷元素在有添加磷的處理都顯著的高於其他處理組。 0.08 0.07. a a. P (mg/g). 0.06 0.05. b a. 0.04. ab. 0.03 0.02. 氮處理磷處理氮磷處理控制組. b. 0.01 0 1 附生型腎蕨. 2 地生型腎蕨. 圖片 18(b)、兩生長類型腎蕨在不同施肥處理間磷含量差異。同一物種不同處理間無相同小寫字母表示具顯著差異。植物葉片內磷含量結果顯示，在三種植物中，磷元素在有添加磷的處理都顯著的高於其他處理組。附生型腎蕨因加氮與控制組葉片樣本太少，無法偵測葉片內的元素含量，故無法顯示。. 40.

(42) 而磷含量的檢測中也能發現同樣的現象，有添加磷的處理都顯著的高於其他處理組，且腎蕨葉片的磷含量皆比巢蕨還要多(圖 18a、b)。鈣、鎂與鉀元素的檢測中，只有兩不同生長類型之腎蕨有顯著的差異，且以添加磷的處理高於其他處理組，但並非所有差異均顯著(圖 19a、 b - 圖 21 a、b)。 0.25. Ca (mg/g). 0.20 0.15. 氮處理磷處理氮磷處理控制組. 0.10 0.05 0.00 1 巢蕨. 2 台灣巢蕨. 圖片 19(a)、兩巢蕨在不同施肥處理間鈣含量差異。同一物種不同處理間無相同字母表示具顯著差異，無任何字母表示均無顯著差異。. 41.

(43) 0.16 a. 0.14. a. Ca (mg/g). 0.12 0.10. ab. b. 0.08. c. bc. 0.06. 氮處理磷處理氮磷處理控制組. 0.04 0.02. 0.00 1 附生型腎蕨. 2 地生型腎蕨. 圖片 19(b)、兩生長類型腎蕨在不同施肥處理間鈣含量差異。同一物種不同處理間無相同小寫字母表示具顯著差異。附生型腎蕨因加氮與控制組葉片樣本太少，無法偵測葉片內的元素含量，故無法顯示。. 0.05. Mg (mg/g). 0.04 0.03. 氮處理磷處理氮磷處理控制組. 0.02 0.01 0.00 巢蕨1. 2 台灣巢蕨. 圖片 20(a)、兩巢蕨在不同施肥處理間鈣含量差異。同一物種不同處理間無相同字母表示具顯著差異，無任何字母表示均無顯著差異。. 42.

(44) 0.12. a. Mg (mg/g). 0.10 a. 0.08 0.06. b. ab. c bc. 0.04. 氮處理磷處理氮磷處理控制組. 0.02 0.00 1 附生型腎蕨. 2 地生型腎蕨. 圖片 20(b)、兩生長類型腎蕨在不同施肥處理間鎂含量差異。同一物種不同處理間無相同小寫字母表示具顯著差異。附生型腎蕨因加氮與控制組葉片樣本太少，無法偵測葉片內的元素含量，故無法顯示。 0.35 0.30. K (mg/g). 0.25 氮處理磷處理氮磷處理控制組. 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 1 巢蕨. 2 台灣巢蕨. 圖片 21(a)、兩巢蕨兩巢蕨在不同施肥處理間鉀含量差異。同一物種不同處理間無相同字母表示具顯著差異，無任何字母表示均無顯著差異。. 43.

(45) 0.20 0.18. a. 0.16. a. a a. K (mg/g). 0.14 0.12 0.10 b. 0.08. b. 0.06. 氮處理磷處理氮磷處理控制組. 0.04 0.02 0.00 1. 2. 附生型腎蕨. 地生型腎蕨. 圖片 21(b)、兩生長類型腎蕨不同施肥處理間鉀含量差異。同一物種不同處理間無相同小寫字母表示具顯著差異。附生型腎蕨因加氮與控制組葉片樣本太少，無法偵測葉片內的元素含量，故無法顯示。碳氮比的檢測中，兩巢蕨以加磷處理組與控制組顯著的高於其他處理組(圖 22a)；兩生長類型腎蕨雙因子變異數的檢測結果顯示，施肥處理以加磷處理顯著的高於控制組，並高於其他兩處理組，生長類型差異僅以地生類型的加磷處理組顯著高於附生類型加磷處理組(圖 22b)。氮磷比則均無顯著的差異(圖 23a、b)。. 44.

(46) 90. a. a. 80. C : N ratio. 70. a. 60. b. 40 30. 氮處理磷處理氮磷處理控制組. b. ab. 50. bc. c. 20 10 0 1 巢蕨. 2 台灣巢蕨. 圖片 22(a)、兩巢蕨在不同施肥處理間碳氮比差異。同一物種不同處理間無相同字母表示具顯著差異。 140. *a. C : N ratio. 120. 100. b. a. 80. b. 60 40 20 0. c c. 氮處理磷處理氮磷處理控制組. c. c. 附生型腎蕨 1. 地生型腎蕨 2. 圖片 22(b)、兩生長類型腎蕨雙因子變異數碳氮比差異。同一物種不同處理間無相同小寫字母表示具顯著差異，不同生長方式間有星字號具顯著差異。. 45.

(47) 3.50 3.00 N : P ratio. 2.50 氮處理磷處理氮磷處理控制組. 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 1 巢蕨. 2 台灣巢蕨. 圖片 23(a)、兩巢蕨在不同施肥處理間氮磷比差異。同一物種不同處理間無相同字母表示具顯著差異，無任何字母表示均無顯著差異。 8 7. N : P ratio. 6 5. 氮處理磷處理氮磷處理控制組. 4 3 2 1 0 1 附生型腎蕨. 2 地生型腎蕨. 圖片 23(b)、兩生長類型腎蕨在不同施肥處理間氮磷比差異。同一物種不同處理間無相同字母表示具顯著差異，無任何字母表示均無顯著差異。. 46.

(48) 第六章、討論第一節、亞熱帶植物之營養限制之情況本研究的結果顯示，不同的施肥處理，附生植物的地上部生物量變化確實與控制組有顯著的差別，雖然和預期的結果不盡相同(詳細討論於下)，但仍有不少值得深入探討的面向。而本研究透過直接採收部分植物葉片並實際量測各葉片資料，進行迴歸分析建立各物種推估生物量之公式，其迴歸分析結果之 R2 值皆非常高(0.81-0.87)。透過本研究迴歸分析結果可以說明，紀錄所觀測物種之各月份葉片長度、數量，並於最後實驗採收部分葉片測量乾重，其三項數值進行之迴歸分析並計算植物地上部生物量，其結果準確度相當高，可以作為日後欲觀測植物地上部生物量的方法之一，作為取代直接砍伐野外植株的替代方案，減少對自然環境內植株的傷害，。. (一)、營養元素共同限制本研究的主要目的，為了解亞熱帶森林生態系之營養限制，從研究結果來看，結果和原先所預期不同，原本預期在靠近熱帶地區之森林生態系，與熱帶地區相同受磷元素所限制，但從三種植物所觀察到的地上部生物量變化結果顯示，三種植物的施肥結果並非只受單一元素. 47.

(49) 的添加而有所增減，不同於 Wu et al. (2007) 對森林的研究成果，本研究結果顯示亞熱帶森林生態系的附生植物並不一定受磷此一元素所限制，以施肥處理的結果來看，無法斷定亞熱帶森林生態系受哪一項營養元素所限制。但在四種植物的葉片營養含量分析中，可以發現到氮和磷在各自的施肥處理及同時添加的處理當中，葉片內的元素含量都是逐漸上升的，顯示植株確實利用了肥料中的元素，且含量都顯著的大於其他處或控制組。在三物種個別的地上部生物量檢測分析中，可以發現大部分加氮加磷組的施肥處理，地上部生物量變化都顯著高於其他施肥處理的地上部生物量變化，即便兩附生型腎蕨以加磷處理的地上部生物量變化顯著高於其他處理組，但加氮加磷的處理組的地上部生物量變化也是僅次於加磷處理組的。這一結果與近年來一些研究者在其他地方的研究成果相符，發現經施肥處理過後的植株並非僅受單一營養元素所限制，而是受多個營養元素影響，這樣的現象稱為營養元素共同限制 (nutrients co-limited)。例如 Harpole et al. (2011)指出超過一半的研究顯示了對同時加氮又加磷的處理有協同反應，且有 28%的研究支持氮磷共同限制生物量這一現象，也就是植物的生物量僅在氮、磷均添加時有所反應，只添加其中一項元素不會造成生物量的差異。Bracken et al. 48.

(50) (2015)的研究指出，在添加磷肥之後，所有實驗組的氮濃度皆提升了，符合其所預期的共同限制。在南非克魯格國家公園的研究指出，同時添加氮與磷的草地樣點，其地上部的生物量都顯著的高於只添加氮的草地生物量(Craine et al. 2008)，同樣支持添加氮磷兩元素對於植物生物量的促進最為明顯，顯示了當地植物受兩元素共同限制。Niinemets & Kull (2005)的研究更直接表明了，雖然氮、磷單獨的施肥處理結果，顯示各自對兩元素有限制，但同時添加氮磷兩元素的施肥處理，植被之生產力更加顯著提升，顯示是受到兩元素共同限制。上述種種的研究皆提出植被是受兩種元素所共同限制的，本研究的結果同樣支持上述的研究成果，雖然在加氮或加磷的處理組，地上部生物量變化在各物種間與控制組有顯著之差異，但多以加氮加磷處理組的地上部生物量變化較為顯著，顯示台灣低海拔森林生態系附生植物應是受氮與磷兩營養元素所共同限制的。且除了氮與磷這兩項植物相對需求量較大的營養元素外，還有許多影響營養限制的其他因素需要考量，如 Fay (2015)提到了其他必須元素的重要性，如鉀或較少被研究的少量元素，除了能影響草地的地上部淨初級生產力之外(aboveground net primary production, ANPP)，更可能會使營養限制的類型及程度有所差異，將不同營養元素所造成的 49.

(51) 限制納入考量，或許才能完整的評估日後生態系的生產力。森林的演替也可能造成不同年齡的森林具不同的營養限制，Vitousek et al. (1993) 的研究指出，在年輕的森林，氮元素供應是林內植物生長最重要的限制因素，在添加氮元素後，樹木直徑顯著的增加，相反的氮的添加在老齡林內無任何反應；然而在老齡林內，在添加磷肥之後，土壤可利用的磷元素，以及葉子的磷含量皆增加了，而年輕的森林則沒有任何反應，這樣的結果與透過模型模擬土壤發育過程中的營養限制研究相符(Walker and Syers 1976)。在進行研究的過程中，原本預期施肥處理會使得兩種巢蕨及腎蕨，葉片長度因肥料的添加而持續增長，然而根據每個月測量所記錄的結果顯示，植物在經歷施肥過後，新增加的葉芽數量可能更甚於葉片長度的增長，顯示植物利用這些養分來生長新的葉片，對於已完全展開的葉片應不會再增加其長度。而本研究並未注意到這一點，因此在研究設計上仍有許多要改良的地方，因此建議日後針對這項議題有需要紀錄葉片長度等操作時，可以透過標定每一株植物每一片葉片的長度，隨著每個月的測量，將每一片葉子長度的變化紀錄下來，才能較為準確的知道植物是否將所吸收的營養元素，利用在新葉還是老葉上的增長。 50.

(52) (二)、附生植物之營養限制本研究另一目的為探討附生型植物是否與地生型植物有相同的營養限制，從結果來看，三種附生植物的生物量變化在各個施肥處理呈現不一致的結果，以兩種不同生長類型腎蕨來說，其結果是與我們所預期所相符的，不管是單因子變異數分析，還是雙因子變異數分析，其結果都顯示加磷處理組的地上部生物量變化在各處理之間最為顯著，其次為加氮加磷處理，這項結果來說明了，相較於兩巢蕨而言，腎蕨受磷元素的限制更大。而從這項結果也同時說明附生型植被與地生型植被有著相同的營養限制結果，與先前 Vitousek et al. (1995)在夏威夷針對蘭花的研究相符，附生型的植被確實是與地生型植被有著相同的營養限制。然而同樣為附生植物的兩種巢蕨，卻呈現不同的結果，巢蕨類的地上部生物量變化結果顯示，除了加氮加磷的施肥處理之外，其次造成地上部生物量變化最為顯著的便是加氮的處理組，這顯示了相較於磷元素，兩種巢蕨更缺乏氮。本研究推估造成和腎蕨以及所預期結果不同的原因可能有兩項，第一、附生型植物與地生型植物的營養限制可能原本就不同，雖然兩種生長類型之腎蕨的實驗結果與我們所預期的結果相同，但有可能因為腎蕨在溫室生長不好，以至於對於營養元素 51.

(53) 的需求量較大，從營養元素分析的結果看也支持這樣的說法，氮、磷兩營養元素分析結果都顯示腎蕨葉片內的含量顯著大於兩巢蕨，由於栽植環境造成腎蕨生長備受壓力因而無法呈現真實的結果，使得我們誤以為附生型植被與地生型植被營養限制相同；第二個可能的原因為原本的森林生態系就缺乏氮元素，因此即便將這些植被移回溫室栽種施肥時，對於加氮處理的反應較為顯著，因此顯示出氮限制。如上述所提到兩生長類型之腎蕨在溫室的生長狀況皆不好，尤其是附生型腎蕨，可能是因為進行實驗的環境與原生長環境差異太大，才造成如此結果。且本研究為了使施肥實驗能方便進行，在兩種不同生長類型的腎蕨根部都以乾燥水苔包裹著根部，然而附生型腎蕨先前的生長環境下是沒有相同類似的環境；此外腎蕨本身就具有儲水器，為耐旱的植物，透過保水的水苔包裹住根部後，可能導致腎蕨獲取水分過多，使得附生型腎蕨生長狀況不好。而地生型腎蕨雖然在各個施肥處理間的地上部生物量變化檢測有顯著的差別，但最後一次的地上部生物量變化結果卻呈現為負值，可能也與兩生長類型腎蕨在溫室中生長不好有關，導致控制組相較於其他有施肥的處理組，生物量驟降的比較快，使結果為負值。兩生長類型之腎蕨於溫室生長不好的現象，造成結果較不能真實反應實際的情況。從前人研究來看，限制兩生長 52.

(54) 類型腎蕨生長的主要原因為水，其次才為磷以及氮。因此本研究建議，日後在針對腎蕨進行營養限制等有施肥處理操作的議題時，可以將種植的介質更改為孔隙多、清潔無菌且保水、保肥、通氣性良好的蛭石，更適合用來進行施肥實驗。另一項建議便是可以直接在野外進行施肥處理成效最好，避免因為將植被摘採回溫室、實驗室栽種，改變了其生長環境進對植物生長造成壓力而影響施肥結果。維管束附生植物的生理機制與木本植物不同，對於養分以及水分的需求也不同。例如 Zotz et al (2001)的研究顯示，對於維管束附生植物而言，水是主要限制其生長的因子，光照及營養元素對於生長限制則相較不那麼重要。因此透過本研究延伸作為探討亞熱帶森林生態系營養限制的研究未必不合適，但卻能作為探討亞熱帶森林生態系，其內維管束附生植物營養限制的參考指標。且對於維管束附生植物而言，對氮、磷的需求可能不如木本植物，因此日後在針對這項議題時，仍需要考慮其他營養元素是否限制附生植物生長的情況。. (三)、氮磷比與營養限制除了藉由觀察施肥處理過後各植株的生物量變化，做為判斷營養限制的依據之外，透過施肥過後植株葉片內的氮磷比，也能做為觀察植被受哪項營養元素所限制的指標之一(Aerts & Chapin 2000, Güsewell 53.

(55) & Koerselman 2002)。且人為的活動增加了大氣中氮沉降(Jia et al. 2014, Chang et al., 2000)，使得在近幾十年，氮相較於其他元素更容易取得，讓一些原本缺乏氮的植物，轉而變為缺乏磷(Fenn et al., 1988, Falkengren-Grerup & Diekmann, 2003)，然而便能容易地透過氮磷比值來觀察植物在不同營養元素限制間轉換的現象 (Güsewell & Koerselman 2002, Olde Venterink et al., 2003)。在歐洲針對濕地生態系內植被的一篇研究更用了確切的數字指標來判定當地的植被受哪一元素所限制，研究中提到葉片內的氮磷比值若是小於 14 則為氮限制；若數值大於 16 則為磷限制(Koerselman and Meuleman 1996)。雖然本研究所觀察的是森林生態系內的植被，但若將這一指標套用在本研究的結果來看，可以發現三物種在各個處理之間，氮磷比值皆是小於 14 的，顯示可能與先前推論的可能性之一相符，也就是台灣低海拔森林生態系植被受氮元素所限制。但歐洲濕地植被的研究不能全然解釋台灣亞熱帶森林生態系植被的營養限制，還需要更多研究，才能較完善的藉由氮磷比來觀察陸域生態系內植被的營養限制。由上述的討論結果來看，亞熱帶台灣森林生態系的營養限制可能和最近許多研究結果相同，同時受到氮與磷兩元素所共同限制，只有同時添加氮、磷兩元素的施肥處理，對植物的生物量有更顯著的影響。 54.

(56) 此外除了主要關注的氮磷兩元素之外，也應考量其他元素對於植物生物量的影響，在未來探討營養限制的議題時，可以透過多種的營養元素施肥來檢測。且在不同生長類型植被的營養限制探討下，也盡量以重現原生長環境的條件，或直接於自然環境下針對野生個體進行施肥實驗，較能不影響實驗結果。針對地生與附生類型植被間是否有相同營養限制情況，仍需要更多研究才能判斷。. 第二節、影響植物生長之其他因素 (一)、草食者對植物之影響本研究在施肥實驗進行的過程中，巢蕨與台灣巢蕨兩種植物，葉片曾受到蚱蜢的咬食，導致部分個體葉片有受損的情況，但在驅趕蚱蜢之後，受啃咬個體的葉子都已更新長出新葉了。然而蚱蜢啃食葉子的現象，對於本研究可能也是不容小覷的影響因素之一。在過去已有相當多研究在探討植物與草食者間的關係(Belsky 1986, Shiyomi et al. 1998)，如非洲高地地區，雖然沒有受動物侵擾的草地一開始生物量高於放牧的區域，但在幾年後放牧區域的生物量卻逐漸提升，尤其中等放牧地的物種豐富度和優勢種比例優於其他放牧程度的處理 (TADDESE et al. 2002)。而 Belsky (1986)也特別針對啃食是否對植物. 55.

(57) 有所好處這點進行文獻回顧，指出動物對植物的啃食行為確實對植物有益(Canfield 1939, Detling and Dyer 1981, Hilbert et al. 1981)，如 Proulx and Mazumder (1998)研究顯示，在營養缺乏的生態系中，高強度的啃食行為，會降低當地生態系的植物豐富度(plant richness)；而在營養充足的生態系中，高強度的啃食則會增加當地生態系的植物豐富度。透過動物的食草行為可以提高一些植物物種的生產力、壽命或生殖潛力，且能夠增加對放牧物種的適應性，更能促進消費者和植物之間的共生演化(Owen and Wiegert 1976, Choudhury 1984, Lam and Dudgeon 1985)。前人的研究清楚說明了動物對植物所可能造成的種種影響，不管是直、間接影響，影響層面為大尺度還是小尺度，對於植物為好處還是壞處，都是值得去觀察、探究的科學議題；而在本次研究中，並未考量到蚱蜢的排便是否會因內含的養分、菌相來影響實驗結果，因此建議日後的實驗應將動物這一項因子納入考量，或排除，避免欲觀察之結果受此干擾因素影響。. 56.

(58) 第七章、結論營養限制決定了森林生態系內的生產力、植物的營養含量以及存活，為了解森林生態系營養循環及生產力的重要議題之一。本研究透過三種不同的附生植物，試圖探討台灣亞熱帶森林生態系的營養限制，結果顯示可能同時受兩種元素共同限制；且在本篇研究中，觀察到不同生長類型同種的植物，會受到相同的營養元素限制生長。本研究為台灣第一篇在控制的共同環境下以施肥實驗探究附生植物營養限制的研究；即使結果不如預期，但也充分地顯示出，植物深受營養元素限制地上部生長量的現象，仍需日後更多研究來檢測台灣森林生態系之營養限制。亞熱帶氣候森林的營養限制研究還有許多層面能夠探討，例如人為活動增加大氣氮沉降後，森林內植被營養限制之轉換等，但在研究的時候，須考量到目標物種的體型對於施肥實驗的影響，以及改變生長環境對於植被的篩害；此外也應盡量避免草食動物對於目標物種的干擾，才能較準確地呈現施肥實驗對植物生產力的提升，也才能檢測森林生態系營養限制這項議題，並全面的了解全球生態系統的營養循環。. 57.

(59) 第八章、參考文獻 Aber, J. D., Goodale, C. L., Ollinger, S. V., Smith, M. L., Magill, A. H., Martin, M. E., ... & Stoddard, J. L. 2003. Is nitrogen deposition altering the nitrogen status of northeastern forests?. AIBS Bulletin, 53(4), 375-389. Adams, M. A., & Attiwill, P. M. 1986. Nutrient cycling and nitrogen mineralization in eucalypt forests of south-eastern Australia. Plant and Soil, 92(3), 341-362. Aerts, R., & Chapin III, F. S. 1999. The mineral nutrition of wild plants revisited: a re-evaluation of processes and patterns. In Advances in ecological research (Vol. 30, pp. 1-67). Academic Press. Attiwill, P. M., and M. A. Adams. 1993. Nutrient cycling in forests. New Phytologist 124:561-582. Benner, J. W., & Vitousek, P. M. 2007. Development of a diverse epiphyte community in response to phosphorus fertilization. Ecology Letters, 10(7), 628-636. Belsky, A. J. 1986. Does herbivory benefit plants? A review of the evidence. The American Naturalist, 127(6), 870-892. Benzing, D. H. 2008. Vascular epiphytes: general biology and related biota. Cambridge University Press. Berg, B. 2000. Litter decomposition and organic matter turnover in northern forest soils. Forest Ecology and Management, 133(1-2), 13-22. Berg, B., Berg, M. P., Bottner, P., Box, E., Breymeyer, A., De Anta, R. C., ... & Madeira, M. 1993. Litter mass loss rates in pine forests of Europe and Eastern United States: some relationships with climate and litter quality. Biogeochemistry, 20(3), 127-159. Bracken, M. E., Hillebrand, H., Borer, E. T., Seabloom, E. W., Cebrian, J., Cleland, E. E., ... & Smith, J. E. 2015. Signatures of nutrient limitation and co‐limitation: responses of autotroph internal nutrient concentrations to nitrogen and phosphorus additions. Oikos, 124(2), 113-121.. 58.

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