农村水域生态环境调查及萤火虫捕食为模拟-以屏东万峦五沟水水圳为_

水利會訊第十二期陳鈞華、陳星宇、盧惠敏、甘俊二－農村水域生態環境調查及螢火蟲捕食行為模擬-以展東萬巒五溝水水圳為例159-學術天地農村水域生態環境調查及螢火蟲捕食行為模擬-以屏東萬巒五溝水水圳為例陳鈞華陳星宇盧惠敏甘俊二屏東科技大學木工程系副教授、水利技師內埔農工野保科屏東科技大學木農村規劃程系教授七星農田水利基金會董事長、水利技師摘要本研究目的在探討農村水域環境調查，進而建立五溝村生物與空間之基礎資料並探討水生昆蟲多樣性與地景多樣性之對應關係與相對應之水質、水文與地景空間條件，並以水質指標昆蟲（螢火蟲）捕食行為調查，以作為營造農村生物多樣性環境的依據。於2004期間選定屏東縣萬巒鄉五溝村11個調查點，進行三次之生物及環境品質調查。結果顯示，生物多樣性與空間結構指數、地景多樣性與水生昆蟲多樣性有正向關係。永續農村生態管理應以塑造生物多樣性農村環境為策略，水圳生態系統的管理又是達到此目標重要的方向，對於一個維持一定尺度的水生態系統的考量，地點尺度上考慮水圳水質、水文的管理，包括水的溶氧度、pH值、懸浮固體、水位、水流速等以及水圳地景空間型態，生物質量（以生物多樣性指數之高低為代表）取決於環境品質與空間型態構成的生命環境。因此生物多樣性的營造技術，應不限於護岸的生態工法，而應是系統性、各種尺度性、全面性環境品質、空間型態以及生物質量多元條件的考量。關鍵字：永續農村、生物多樣性、水圳生態管理壹、前言台灣農村環境的本質在都市化的影響之下，獨有的特色與紋理正流失中，農村環境的生物多樣性也逐漸消失。農村即自成一生態體系，農村生態系是與人最接近之自然生態體系，然而吾人對農村生態的研究甚少，因為農村生態系常是生態學者忽略。需喚醒民眾多注意農村生態環境，為求農村自然生態環境得以永續發展，農村生物多樣性的調查與農村生物多樣性環境評估指標與模式的建立，將是刻不容緩的事。本研究從生物多樣性觀點整合「生物領域」及「空間領域」，以五溝村的水圳生態系統作為研究地點，探討永續農村環境生態。五溝村位於屏東縣萬巒鄉東港溪中游，為傳統客家農村聚落，其水圳系統扮演著維護農村環境生態功能相當重要的角色。溪流、水圳、農田構成一個典型的農村環境生態系。另外其溪流水圳有來自大武山下地下伏流水的湧現，水質、水量、水溫、水流速配合得宜，孕育豐富多樣的水利會訊第十二期陳鈞華、陳星宇、盧惠敏、甘俊二－農村水域生態環境調查及螢火蟲捕食行為模擬-以展東萬巒五溝水水圳為例160-學術天地水生植物與水生昆蟲，同時具有流水型與止水型之生物扥邦，為一個生物多樣性相當豐富的農村環境。貳、研究目的理論與方法一、研究目的與理論架構本研究目的在1)建立五溝村生物與空間之基礎資料，如水生昆蟲多樣性、地景多樣性、空間結構指數及其所對應的水質與水文環境品質資料；2)探討比較水生昆蟲、地景多樣性之對應關係與相對應之水質與水文條件與地景空間條件，以作為塑造農村生物多樣性環境的依據。本研究主要從生態學、地景生態學及生物多樣性的觀點來探討永續農村環境生態的問題。「生態的構成」理論給予探討農村環境生物質量、地景空間與環境品質生三者之間的探討框架、「地景生態的層級理論」界定探討尺度與範圍與適合的指標物種，「水圳地景空間」的探討給予空間結構型態較確切的分析工具，「水生昆蟲生物托邦」說明水圳地景空間與生物生息的對應關係，可知在不同生活史生命需要有不同的環境來完成「種」的延續。農村環境裡的「水圳」是農村維持生物生命的源。「水圳」作為永續農村經營的重要概念與生物多樣性的實証研究的一個重要切入點。二、研究方法在佳平溪（東港溪中游支流）的上游支流，即五溝水村莊內之溪流，根據五溝水的水文特性，經學者專家們的討論協商後，於2004.1-2004.7.期間進行三次（2/24，4/20，6/29）之生物及環境品質調查。選定11個調查點建立水生昆蟲之多樣性資料及尺度100×100m之地景多樣性、空間結構型態資料（圖1），同時建立水質與水文資料，同樣範圍再選定5個點建立水生昆蟲多樣性資料，包括尺度500×500m地景多樣性之基本資料（圖2）。由於不同物種對空間異質性的感觀尺度不同，因此，本研究在同樣範圍同時建立兩種尺度之地景資料。主要藉由生物多樣性的基本資料探討生物質量、環境品質與空間型態三者之間的關係。圖1、五溝村水圳與十一個調查地點定位圖圖2、五溝村500mx500m調查位置圖（一）生物多樣性指數（Shannon-Wienerindex）生態學家發展出許多表示物多樣性的指數,其數值因物種豐富度與均勻度高低而定，常用表示物種多樣性指數是「香農-威納指數」（Shannon-Wienerindex）。生物多樣性指數：∑=−=SiePiPiH1log．(1)水利會訊第十二期陳鈞華、陳星宇、盧惠敏、甘俊二－農村水域生態環境調查及螢火蟲捕食行為模擬-以展東萬巒五溝水水圳為例161-學術天地H為香農-威納多樣性指數值，s為群落的物種數，Pi為第i類物種所占的比例。loge為Pi的自然對數值。（二）空間結構指數（spatialstructurepatternindex）空間結構指數=水圳剖面結構+陸域生態條件=（A植栽結構條件+B邊際植物條件+C護岸條件+D空間圍蔽性+E河道深度+F底質條件）+（G緊鄰嵌塊類型+H土地使用類型+I緊鄰廊道條件）(2)A、B、C、D、E、F、G、H、I評值1-3之間。（三）捕食作用下的種群動態模式2.3.1螢火蟲生態習性全世界己記載的螢火蟲種類約有2000種，依資料得知台灣螢火蟲約有五十幾種。依螢火蟲幼蟲生活的環境，將螢火蟲分為三大類：（1）水生螢火蟲：幼蟲大多生活在終年有水，水質清澈的水邊，或水田裡。如黃緣螢．黃胸黑翅螢及條背螢。(2)半水生螢火蟲：如紅翅螢，其幼蟲在水質良好的潮濕駁坎或岩壁上棲息。幼蟲有群居現象，常有數百隻群居在潮濕岩壁上。(3)陸生螢火蟲：幼蟲通常棲息在陰涼、地面略微濕的落葉間生活。大部分的螢火蟲都是陸生的，如臺灣窗螢、紅胸黑翅螢、紋螢、橙螢、擬紋螢、梭德氏脈翅螢、黑翅螢等螢火蟲。螢火蟲為完全變態的昆蟲，其一生經歷四個過程：（1）卵期：為圓形，通常淡黃色、白色或粉紅色，卵孵化的時間大約需要20天左右。（2）幼蟲期：總共有六齡，幼蟲期有蛻皮現象。（3）蛹期：大約七天，體色一般為淡黃色或白色，屬於裸蛹。（4）成蟲期：黃緣螢生活約十天左右，其它種類的螢火蟲有些比較長。水生螢火蟲只要四個月就可以完成一個世代，一年有二個世代，而陸生螢火蟲則需一年才完成一個世代。螢火蟲在成蟲期，大多以露水或花蜜為生，不再捕食。幼蟲期獵食時，會先用大顎攻擊獵物，同時發射麻痺性的毒液使其癱瘓後，再分泌消化脢來分解獵物。其中(1)水生及半水生螢火蟲：以水中的中小型螺、貝類做食物，有時也會獵食其他生物的屍體，像蝌蚪、蛙類、蚯蚓等，採取集體進食。(2)陸生螢火蟲：以小型蝸牛、蛞蝓為主，有些則捕食蚯蚓或其他生物，常有獨食的習慣。2.3.2捕食模式捕食是指一個物種的個體以另一個物種個體為食，而被捕食者常被殺死的現象。此包含動物吃動物或動物吃植物、擬寄生、同種相殘等情況。Lotka和Volterra（1920）提出捕食作用下的種群變化預測模式。Lotka-Volterra（落特卡-握爾泰拉）捕食方程式為：()dxyxdtλα=−;()dyxydtμβ=−+（3）水利會訊第十二期陳鈞華、陳星宇、盧惠敏、甘俊二－農村水域生態環境調查及螢火蟲捕食行為模擬-以展東萬巒五溝水水圳為例162-學術天地式中：以x表示資源種群（被捕食者種群）的數量或密度，以y表示捕食者種群的數量或密度，以λ表示資源種群（被捕食者種群）的瞬時增長率，以μ表示捕食者的瞬時變化率。以α表示捕食係數（常數），表示捕食者個體攻擊的成功機率。β為食物利用率，表示捕食者將資源種群轉化為新生捕食者的個體轉化率。Lotka-Volterra模型的解析解甚難求出，因此不能用其解析解進行參數估計，但可由相關文獻所推薦方法估算參數的近似解。對（3）式變化得：1ln()()dxdxyyxdtdtλαλα×=−⇒=−1ln()()dydyxxydtdtμβμβ×=−+⇒=−+可得到方程組：111APB=;222APB=其中：101110212112212212121112,,,,mmmmmmttSttSttSttSAAPPttSttSλμαβ−−−−−−⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥−−−−−⎛⎞⎛⎞⎢⎥⎢⎥====⎜⎟⎜⎟⎢⎥⎢⎥⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⎝⎠⎝⎠⎢⎥⎢⎥−−−−⎣⎦⎣⎦(4)111112021021ln,ln,,ln,ln,ln,,lnTTmmmmxyxxyyBBxxxyyy−−⎛⎞⎛⎞=⋅⋅⋅=⋅⋅⋅⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠所得到其最小二乘法的解為：()()111111122222,,TTTTPAAABPAAAB−−==(5)參、結果與討論一、資料整合水利會訊第十二期陳鈞華、陳星宇、盧惠敏、甘俊二－農村水域生態環境調查及螢火蟲捕食行為模擬-以展東萬巒五溝水水圳為例163-學術天地水利會訊第十二期陳鈞華、陳星宇、盧惠敏、甘俊二－農村水域生態環境調查及螢火蟲捕食行為模擬-以展東萬巒五溝水水圳為例164-學術天地水利會訊第十二期陳鈞華、陳星宇、盧惠敏、甘俊二－農村水域生態環境調查及螢火蟲捕食行為模擬-以展東萬巒五溝水水圳為例165-學術天地水利會訊第十二期陳鈞華、陳星宇、盧惠敏、甘俊二－農村水域生態環境調查及螢火蟲捕食行為模擬-以展東萬巒五溝水水圳為例166-學術天地水利會訊第十二期陳鈞華、陳星宇、盧惠敏、甘俊二－農村水域生態環境調查及螢火蟲捕食行為模擬-以展東萬巒五溝水水圳為例167-學術天地肆、分析一、水生昆蟲多樣性指數表11、水生昆蟲各調查點生物多樣性指數二、水文表12、各調查點水文分析數據與曼寧粗糙係數三、水質表13、各調查點水質分析數據表（2004/6/29）十二個調查點水質差異不大，前五點因流經人口較稀少的農田同時並未有明顯之污染水源，因此呈現親水A級程度，後六點因流經社區，因此BOD稍高，但三合水-3(水流東)、三合水-4(匯流處)亦在3ppm以下，屬親水B級，三合水-1(赤山)有來自赤山方面的畜牧廢水，呈現較高的BOD，屬親水C級但因之後豐富的水生植物的淨化使得三合水-4(匯流處BOD仍呈現低於3ppm，又提升至B級，另外四合水匯流處因行經人口最為密集之五溝得勝庄社區，因此BOD又提高，此處的水質屬親水D級。不過，水質均達流放水標準。三、空間型態1.地景多樣性指數表14、100m尺度地景多樣性指數水利會訊第十二期陳鈞華、陳星宇、盧惠敏、甘俊二－農村水域生態環境調查及螢火蟲捕食行為模擬-以展東萬巒五溝水水圳為例168-學術天地2.空間結構指數表15、空間結構指數四、螢火蟲捕食行為表16.螢火蟲捕食記錄記錄時間：2004/1-2005/12估計各參數值為：Lamda=1.8492,alpha=0.0116,mu=-0.2010,beta=0.002由所求各參數值，進而推估4年間蝸牛（被捕食者）與螢火蟲（捕食者）數量變化曲線，如圖所示。圖4蝸牛與螢火蟲數量變化曲線伍、結論與建議一、地景、空間結構與生物多樣性分析(一)地區尺度（500×500m）地景多樣性與水生昆蟲多樣性五溝水各樣區之水生昆蟲多樣性以水閘門、三合水及佳平溪較高之情形，與此三站之水量較恆定及充足似乎有關係；夏季湧泉處及墓地都有乾水期，則說明了各樣區之植生環境不同，昆蟲相不同。從調查結果可知，大林河調查點從土地使用組成來看，該調查點綠地、草生地、水圳的面積比例均是所有調查點最高的，水生昆蟲多樣性亦呈最高的趨勢。在同質性相似的農村環境，不同比例、類型的嵌塊體組合，也會有不同的水生昆蟲出現，這樣的結果顯示農村各種不同的棲息環境對整個地區的生物多樣性都有所貢獻。(二)地點尺度的空間結構與生物多樣性十一個調查地點的水圳空間型態依據護岸型態可分為四種型態寬闊水圳（水塘）型，即自然水圳型、半自然水圳型、人工水圳型。水圳空間結構為邊緣區、交會區、中心河道區。亦即岸邊、水際、以及水深區。包括了水域生態系與陸域生態系與邊緣。代表不同的生態意