認識森林：大自然的空調系統–人造森林
94/04/07
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李國忠｜
臺灣大學森林學系
溫室效應干擾氣候變遷
地球被一層保護層所覆蓋著，也就是「大氣層」，它是由氣體與懸浮粒子所形成，可提供動植物所需的氧氣、二氧化碳和氮，保護地球不受致命的紫外線直接照射，還能調節氣候。大氣層中的空氣是一種混合氣體，主要是氮氣及氧氣，二氧化碳雖僅占0.035％，但它具吸收太陽輻射與地球輻射的功能，對地球溫度的變化占有舉足輕重的地位。
地球表面的大氣層裡含有吸收紅外線輻射的氣體，這些氣體吸收紅外線輻射後，有部分的輻射會再返回地球，使地球表面增溫，形成所謂的溫室效應。
工業革命促進經濟快速發展，使得能源耗用量大增，化石燃料大量利用，對環境產生極大的衝擊，導致環境污染問題日趨嚴重。化石燃料的原料，大多是數千年甚至數億年前，埋在地中的有機體，經長期的高熱高壓作用而以氣體、液體或固體的形式貯存於地層中，都是具有高碳量的物質，如天然氣、石油、煤等。這些物質是工業開發的主要原料及燃料，經過工業利用與燃燒，其所含的碳氧化而以二氧化碳形式釋放至空氣中，是大氣中二氧化碳的重要來源。
化石燃料的利用及燃燒，再加上工業化後土地利用的改變（例如森林破壞等），使大氣中二氧化碳濃度逐漸增加，溫室氣體的大量排放導致溫室效應，使地球持續產生溫暖化現象。
根據1996年聯合國針對氣候變化的跨政府間專家委員會（IPCC）第二次評估報告指出，人類活動所排放的溫室氣體，若不採取任何防治措施，預估地面平均氣溫在2100年將比1990年時增加攝氏1～3.5度，海平面將上升15～95公分。其後果是氣候系統發生變遷，導致暴雨或乾旱極端事件頻傳，區域降水型態發生變化，造成水資源分配不均或不足，海平面水位上升，易使低窪地區海水倒灌，積水不退，並造成海流改變、漁場轉移等。
依據史崔勒派克與史密斯於1995年所做的估算，當全球海平面水位上升1公尺時，中國大陸約有12萬5千平方公里陸地面積會遭到淹沒，7,200萬人口會受影響。
在地球的碳循環中，可以「碳源」（carbon source）與「碳匯」（carbon sink）區分。碳源是大氣中碳的發生源，主要來自工業發展中化石燃料的燃燒，而以二氧化碳的形式排放於空氣中，以及原有植物分布地域的開發，如農地、綠地、森林地、熱帶雨林等的開發及改變利用。碳匯是地球上可暫時或長期吸取大氣中二氧化碳，並以不同形式貯存在吸收體中的碳匯聚物，如森林及其他綠色植物的生物量（biomass）、海底的鈣質軟泥沈積碳酸鈣，都具有吸收與貯存的功能，成為碳匯。
在碳源與碳匯的循環過程中，有著不同的貯存庫。根據統計資料顯示，化石燃料的燃燒，每年把55億公噸的碳釋放至大氣，土地使用的改變，每年有16億公噸的碳排放至大氣。海洋與森林是地球上碳的主要吸匯體。海洋每年雖釋放900億公噸的碳至大氣，但同時可吸存920億公噸，因此海洋每年可淨吸存約20億公噸的碳。森林的再生長每年約吸收5億公噸的碳，陸域植物光合作用與呼吸作用的淨碳吸存量大約是14億公噸。
森林是陸地生態系統的主體，具有顯著吸收碳的功能，每年可吸存約合18.5億公噸的二氧化碳，在減緩全球氣候變化中具有不可替代的地位和作用。
地球綠色的肺
一株小樹苗種下去，在日光的照射下，利用太陽能進行光合作用，把吸收自大氣的二氧化碳與根部所吸收水分中的氫原子結合，變為有機碳（碳水化合物），並釋出氧氣。植物把由光合作用所形成的有機碳貯存在體中，是它的營養體，並賴以發育生長。
另外，植物在由根部吸收水分的同時，也吸取部分的微量元素如氮、磷、鉀等，這些微量元素具有分配有機碳營養體的功能，如氮可促進葉的生長，磷可促進開花結實，鉀可促進根莖生長，這些元素是植物肥料的重要成分。依光合作用化學反應式，每生產1公噸綠色植物，要吸收1.6公噸的二氧化碳，同時可釋放出1.2公噸的氧氣。
森林並不能阻止大氣中二氧化碳濃度的升高，但可在生長期間顯著地緩和它上升的速率。綠色植物藉行使光合作用，吸收大氣中的二氧化碳，轉變成有機碳固定於樹木體。木材是樹體的主要部分，只要森林具有旺盛的生長力，對大氣中二氧化碳的吸存效果就很高。
森林資源兼具吸收、貯存及釋放二氧化碳的機能，是陸地生態系值得重視的部分。當林木是中、幼齡林時，隨著林齡而增加生物量，也提高它對碳的吸收能力，並把碳加以貯存。當林木已屆成熟林時，植物體可維持高蓄積的碳量，但它們對碳的吸收能力卻下降，這時所繼續增加和獲得的碳量是相當少的。因此林木及植物體對於碳的貯存能力，會隨年齡、林分組成狀態、森林生產力、經營活動與否、森林火災、病蟲害等因素而有所差異，一旦林木被伐採利用，則其所貯存的碳以另一種形式固定在林產品中。
森林中的天然林分大部分是過熟的老齡林，生命力逐漸衰退，對增加碳貯存功效已低。而人造森林經合理經營管理，可提高單位面積蓄積的碳量與生長率，而達到永續森林資源發展的目標，不但是生態材料的有效供應來源，更可促進大氣中二氧化碳的吸存，而可透過碳交易促成石化產業的綠色投資，改善大氣環境。
人工林
綠色植物是一個生物體，具有生、老、病、死及延續後代的生命功能。一棵樹木在生長過程中，吸存空氣中的二氧化碳是個體生態特徵，同時也能夠提供調節大氣溫度、淨化空氣、平衡大自然環境的功能，集樹成林，其發揮的效果必相當龐大而重要。
森林在減少大氣中二氧化碳的貢獻可分為兩方面。第一是長期的林木生長活動，經由光合作用吸存二氧化碳的能力會隨著增加。第二是林木環繞於建築物周圍，能調節微氣候，減少對暖氣或空調的需求，以及減少因電力生產消耗所排放的二氧化碳。因此增加種植和植被覆蓋，能減緩都市熱島效應的衝擊，降低能源的需求。
森林由於成林方式及組成構造的不同，可區分成天然原生林、天然更新林與人工林。天然原生林一般都分布在交通不易到達的深山峻嶺或地形險峻脆弱區，森林的形成都是自然演替而成，物種歧異度高。在這森林中，依物種競爭法則，天然下種而形成森林植被群落。
天然更新林原則上是依樹種天然下種而形成的森林，與原生林分類似，惟各林分天然下種的成功與否經常受到個別樹種基因活動力與立地環境不同而異。為使目標林分能成功地進行下種，建造符合環境與人類意願的天然林分，管理者常配合人工輔助的方式促進快速完成天然更新，建立健壯林分，如利用擇伐、傘伐或立地管理的方式促成開花結果，天然下種。
人工林是利用人工育苗造林的方式建造的森林。林業人員依林業技術與方法，配合林木生長機制建造森林，這類森林的建造不但快速，且可控制。一般在地形坡度較小，環境敏感度低，且欲行人工經營的地區，都用這種方式建造森林。這類森林是用材林的主要經營對象，也是提供民生及工業用木材的主要來源，世界各國的經濟林都是依這種方式經營的森林。人工林可依立地環境條件與生態要求，建造成單純人工林、人工複層林、混淆林等。
森林之所以稱為陸域上最重要且分布最廣的再生性自然資源，是因為它具有延續後代、生老病死的生命特徵。如何促進林木的育種、育苗、撫育、保護、利用及再造的人工林經營理論，是依循林木的生命發展過程而研發的。
在荒地或無木地造林，幼苗隨著時間而生長，吸存大氣中二氧化碳量也隨著光合作用的強弱而持續進行。當一棵林木長成大樹，整棵樹的生物體，都是生長過程中吸存二氧化碳形成有機碳的累積。一棵樹的生物體以樹幹占大部分，儲存的碳也最多，以一棵樹樹幹1立方公尺計算，其碳量約有0.26公噸，合二氧化碳約0.96公噸。1公頃的人工林，如果用保守的150棵樹計算，其吸收的二氧化碳約有144公噸，一大片人工林，吸存空氣中二氧化碳的總量相當可觀。臺灣人工林約60萬公頃，對環境降溫的貢獻值得重視。
人工林如加以經營，利用樹幹製成建材或家具，使用期100年，就可把原來在空氣中的碳，用木材形式延後100年，再加上林木生長期的時間，才釋放到空氣中。這種吸存空氣中二氧化碳的大氣淨化功能，在大面積人工林建造，且周而復始的循環經營下，使得人工林扮演著大自然環境中空調系統的角色。
依第三次臺灣森林資源及土地利用調查的結果，臺灣森林資源的天然林面積有一千五百多萬公頃，占臺灣森林面積的72.7％，在森林資源吸存大氣中的二氧化碳上具有極重要的地位。
森林吸存大氣中二氧化碳量的多寡，是由森林淨生長量所決定的。未受干擾的天然林，雖可吸收大量的二氧化碳，但森林群落中的其他植物、動物和微生物呼吸量大，加上枯枝落葉大量分解，消耗有機質而釋出二氧化碳，因此天然林吸收和釋放的二氧化碳量基本上是平衡的。天然林的碳貯存雖然有高蓄積量，但其生產量與枯死量約略維持平衡，所以淨生長量大致是零。天然林若原本林相優良，自然無需多做干擾，但是對於蓄積量低、生長量差、林相不良的低生產力天然林，就有改善的空間與潛力。
要提高天然林的碳淨吸存量，對於低生產力的森林，可應用人工管理的育林體系，促進天然更新的經營策略，以改善林況，調整林木生長空間，促進天然更新及幼樹幼苗生長，使森林中不同林齡結構的林分能依序地更替調整。如此一來，便可維護林分原有生物與演化程序，豐富新生林分結構，並復舊原有林分結構的型態、數量與功能，建造具健康、複雜性與異質性的多層次壯年天然林分結構，促使成為具混合林與複層林型態的林分，以豐富林分歧異度與生產力。這種近天然式的育林經營方式，是德國式的森林經營。
提高人工林經營效率，以增加林地的生產力，在增加生長量之餘，也相對提高碳吸存量。在做法上，可藉延長輪伐期以增加森林林地碳量的蓄積。栽植時，在適地適木的原則下選擇適當樹種，改善林木育種技術，採用林下栽植等方式來達成最適生產力和林地碳密度的增加。另對林地進行撫育、施肥、育林處理技術的使用與改進（如疏伐、修枝、森林齡級和空間結構的調整），以增加碳吸存量。
例如本省人工林造林面積最多的樹種–柳杉，每公頃可貯存碳量是161公噸，換算成貯存二氧化碳量是591公噸。林齡是13～23年生的臺灣杉人工林，每公頃二氧化碳的吸存量平均是281公噸，由於造林地的林木尚未達到成熟的狀態，仍持續生長中，因此如能提高林地生產力，將可提高二氧化碳吸存量。
依行政院農業委員會林業處1996年的估計，全民造林計畫5年間共完成國有林造林11,275公頃，獎勵造林50,060公頃。預計這些造林成林後，每年可吸收二氧化碳226萬公噸。林國銓等人於2003年以林試所六龜試驗林的臺灣杉人工林為對象，選取20和27年生兩林分，估算其生態系碳儲存量，結果顯示全林分碳儲存量，土壤占最大量是55～62％，喬木次之占36～41％。土壤中約44～50％集中在0～15公分處，喬木則約有80％位於樹幹。
根據席多在1989年所做的〈森林資源對碳貯存與吸收的研究〉中曾算出，在普通人工林，年平均生長量每公頃15立方公尺的林地，每年每公頃可吸收3.9公噸的碳（一立方公尺可吸收0.26公噸的碳）。麥拉倫於1996年分析紐西蘭人工林地的碳吸存量，當輪伐期是20～50年時，平均每公頃碳的吸存量約在72～187公噸之間。莫拉．柯斯塔等人在1994年分析馬來西亞沙巴地區種植龍腦香科林木的碳吸存效果，初步估計結果顯示，輪伐期如果是60年，每公頃可吸收195公噸。
熱島效應
人類活動對氣候的影響，最為明顯的地方莫過於城市。近年來，由於城市人口集中、工業發達，以及各種機動車輛及大樓空調設備所排出的熱氣，而且都市中大多是鋼筋水泥等構造物，它的熱傳導率和熱容量都很高，加上建築物本身對風具有阻擋或減弱作用，使得溫度往往比鄰近地區高，造成使都市微氣候改變的所謂「熱島效應」（heat islands）。
這種效應可使城郊溫差高達攝氏5～6度，它會造成空氣混濁、能見度變差、多煙塵的天氣，甚至工業區下風處會降有害的酸雨，久之對健康構成危害。營造都市林，經由種植林木及植物，能調節氣候，重建都市棲地和增加生物歧異度，而個人和工業所排放的二氧化碳，可經由造林行為得到抵減。
都市林在減少大氣中二氧化碳方面的貢獻以及碳吸存能力，和森林的林木一樣，視林木的生長和枯死情形而異，也依樹種組成、林齡結構、森林的健全情形等而異。生長率和生命周期（life span）反應二氧化碳的吸存能力，雖然生長快速的樹種（即速生樹種）較生長較慢的林木，在初期可吸存較多的二氧化碳，但由於速生樹種的生命周期較短，反而在其整個生命周期內吸存的二氧化碳量較少。
以生長快速但生命周期較短的雜交楊和生長較慢但生命周期較長的糖楓為例，雜交楊在生命周期間的30年，可吸存約2,460公斤的二氧化碳，而糖楓在生命周期間的60年，卻可吸存約3,225公斤的二氧化碳。
林產品是一種生態材料
二氧化碳是林木的主要吸收來源，藉本身生理特性進行光合作用，把大氣中二氧化碳轉化成氧氣再釋放回大氣中，所貯存的碳就轉化為林木材積生長。當林木已屆成熟期或因經營、經濟上的需要加以伐採收穫，並經各種加工過程成為各式木製產品時，長期貯存的碳量便以林產品的固態形式貯存。因此林產品的使用並不會使大氣中的二氧化碳額外增加，仍具貯存及調節原先所吸收二氧化碳的效果，而原先被伐採的林地可再藉由人工造林，增加吸存大氣中二氧化碳的效果。
林產品除了具有貯存碳的功能外，使用林產品替代製造過程中耗能量大的產品（如金屬製品），可節省能源消耗，紓緩溫室效應的壓力。林產品在製程中所排放的二氧化碳與能源消耗，對其他材料而言相對少了很多，因此，木質材料經常被稱為生態材料，對環境改善有極大的貢獻。
森林的妥善經營
森林是陸地上最重要且分布最廣的再生性自然資源，林木是生物體，具有生、老、病、死及延續後代的生命功能。林木生長過程中吸存大氣中二氧化碳的個體生態特徵，也正是貢獻給大自然環境、調節溫度及淨化空氣的重要功能之一，惟這種功能的效用高低，依森林的生物量生長率，以及成材利用方式及使用期的長短而定。
森林的妥善經營，常被誤導成是破壞森林生態功能的主要原因，事實上並非如此。臺灣森林面積約有一百八十餘萬公頃，自民國38年迄今，總伐採面積約二十九餘萬公頃，約占全林面積的17％，在這期間，總造林面積達六十餘萬公頃。經造林成功的人工林，如加以撫育與經營，必可提高森林的林分結構與生長率，除了提升空氣中二氧化碳的吸存效果外，更由於建構的健康林分結構，對森林生態功能、環境保護、水土保持、水資源涵養、森林遊憩等方面都有正面的貢獻。
木材是臺灣民生工業中建築業、造紙業以及各種木材工業的原料，木材的工業利用方式與使用期的長短，是原吸存於木材中的碳再度釋回空氣中的決定因素。目前臺灣木材原料99.9％由進口材供應，而進口木材都是吸存國外產地空氣中的二氧化碳而拿到國內使用。雖然有部分木材經製成成品後外銷，但統計顯示，在扣除出口成品的木材進口量後，國內消費的木材每年約四百餘萬立方公尺，概略換算成碳量，相當於我國年進口約一百餘萬公噸的碳，如改算成空氣中二氧化碳的量勢將極為可觀。
臺灣目前國、公有人工林面積約三十餘萬公頃，私有林約十八萬公頃，再加上契約林地及原住民保留林地，人工林總面積約近60萬公頃。這些人工林如能加以妥善撫育與經營，改良林分結構，提高生長率，以保守估計，如每年每公頃提供2立方公尺的材積生長，則有將近120萬立方公尺的年材積生長量。經過光合作用二氧化碳吸存的換算，將有三十餘萬公噸空氣中的碳被人工林所吸存，對改善臺灣地區的大氣溫度必能發揮作用。同時也可透過人工林的改善經營，提供部分自產材的供應，減少對進口材的依賴與碳進口。
人工林的營造，除了現有人工林林分的改良外，對於平地森林的建造，也是重要的一環。由於森林是木本植物，個體體積大而生長期長，對空氣中二氧化碳的吸存，比起草本及灌叢類強，而且貯存期也較長。目前政府當局所推廣的平地造林，以及都市林的建造，都具有調節大氣溫室效應的功能。
吸收清淨的空氣，享受清澈的水源，在使用森林的同時，是否也應該盡一份義務──大家來共同營造綠色環境，願綠意永在。
