中學生交報告1:淺談植物形態對於雨水攔截之能力

閱讀時間約 5 分鐘
壹、前言
一、研究動機
今年台灣水資源匱乏的情況愈來愈嚴重,並且造成人民的恐慌,根據經濟部水利署的資料統計,新竹區域的重要水庫,石門水庫,五月初的水庫儲水量只剩9.8%,預測剩餘天數15天,危及民生用水。由於台灣先天地形坡短流急,無法有效攔截雨水,總降雨量大,但實際留在水庫的水不到兩成,又加上最近天氣乾燥,久無颱風,降雨量少,缺水才會變成如此嚴重的課題。如果下雨時,植物若能將雨水截流,減緩雨水落入土壤的時間,這將可能有效減緩地面逕流水的排出,使雨水轉變為地下水或是進入水庫,將可有助於水土保持。
圖一 : 台灣水庫即時水情5月22日
(圖一資料來源 : 經濟部水利署)
二、研究目的
希望能夠透過實驗,針對植物的葉序排列方式、葉片的大小和枝條上著生的角度,找出最有效的攔阻模型,進而對於水資源的保護,找到大自然中對於攔水較有效的植物,將其種植在水庫附近,以幫助攔水進入水庫。
三、研究方法
(一) 瞭解植物葉序的種類與特性,製作四種葉序的模型,做為實驗模擬樣本。
(二) 實驗四種植物葉序模型,置於同樣雨量實驗狀態下,攔阻雨量的能力,找出哪一種植物葉序的攔阻效果最佳。
(三) 實驗同種植物葉序模型,置於同樣雨量實驗狀態下,葉子的大小不同,是否影響攔阻雨量的能力,找出植物葉子大小對於雨水攔阻效果的關係。
(四) 實驗同種植物葉序模型,置於同樣雨量實驗狀態下,枝條的角度不同,是否影響攔阻雨量的能力,找出植物葉子角度對於雨水攔阻效果的關係。
(五) 綜合以上實驗模型,找出最佳有效的攔阻能力組合。
五、困境與展望
(一)目前困境
在做實驗的過程中,原本使用磁漏斗懸吊方式,因發現每次實驗晃動,造成實驗無法準確,同時其篩孔孔徑過大,水量會因晃動而集中某區域,因此改良後改以玻璃漏斗固定架的方式,同時解決晃動與水量不均勻的問題。反放在紙板上的玻璃漏斗,維持水平較易控制,落水會較均勻落在植物模型上方,為解決水流篩孔過大問題,於玻璃漏斗面貼塑膠膠膜,其表面以細針扎孔,使水量可均勻分布,但此工作屬手工作業,其孔間距會有不同,較難控制。所以,為固定落水位置統一,使用膠帶標記,標記量筒於平底鍋的固定位置,可增加變因的掌控度。原本想使用水龍頭搭配灑水器或是寶特瓶瓶口戳洞,但發現前者無法控制進水量,而後者擠水時會晃動到瓶子,這樣無法有效控制變因。因此,選擇加玻璃漏斗做為模擬降雨裝置,利用毛根做為植物莖,因毛根是一次使用,做完濕掉就必須丟棄,所以製作每一枝的形狀、角度,都有些許差異,可能會造成實驗誤差,但也以利求實驗變因修正調整到最小範圍。
會採用模擬的原因,主要是希望針對葉子著生方式探討攔阻水的效果,但真實的植物,可能比較難控制變因,因為每種植物可能在生理組成結構上又有不少差異,所以若取真正的植物來做實驗,可成就更難掌控好控制變因的部分。希望能突破這些大自然中各類植物型態上的神奇差異,期待統整並推測有較加攔阻雨水效果的植物特徵。
(二)未來展望
如果未來能重現實驗,可以設計自動落水裝置,控制落水速度,上面也可以裝設水平儀,使落水平分布在植物模型上方,而植物的枝條和葉子可以用3D列印,如此一來,模型就不會有誤差,而且可以重複使用。除此之外,可以設計更多不同植物葉序模型,因為我所製作的是最基礎的植物模型,變化較少,之後可以將實驗數據轉為公式,比對不同植物的資料,推算出截水能力最佳的植物,為土地留存較多的水,減少逕流淡水直接沖至海洋。
陸、結論
依據實驗結果,我們得知叢生和主幹與支條交叉呈45度大葉子的植物,對雨水的攔截能力較佳,可拉長水流入土壤的時間,不會瞬間馬上流失,較能增加土地保水量,即使水量的差異不大,只有大約2~3ml,還是能根據著生形態加以合理的推測。實驗無法有完全的正確性,只有最接近的答案,建議政府能夠在水庫附近多種植此類植物,可以增加水庫之的水量,間接解決缺水問題,也可以在山坡地種植此種植物,加強水土保持,防止土石流的發生,保護台灣的水資源,期待以後有新的實驗告 訴我們更多的答案。
柒、引註資料
張碧員、林麗琪(2018)。賞葉: 葉知識百科&葉形圖鑑。商周出版社。
經濟部水利署(2020年5月22日)。台灣水庫即時水情。
植物知多少。
隨想物理(2017年9月7日)。「科學」(方法)是一種還是很多種?
行政院農業委員會水土保持局臺中分局(2018年10月22日)。山坡地的水土保持方法。
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