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102年6月(第252期)

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因應氣侯變遷-農業生產管理與溫室氣體減排

農業試驗所 吳秉諭.何姿穎.陳琦玲

壹 . 前言

  聯合國政府間氣候變遷委員會針對氣候變遷發表的第四次評估報告提出,依據過去 50 年全球地表平均氣溫上升、全球平均海平面高度增加,與北半球冰雪覆蓋面積減少等長期趨勢的觀測數據,及同時期人為因素所產生的溫室氣體增加趨勢(圖 1 ),推論造成氣候變遷的主因,極可能是因人類活動,包括農業、工業、能源、運輸等,增加溫室氣體排放所造成。

  報告中也提到氣候變遷對於農業可能造成的衝擊,包括在熱帶與副熱帶氣候區之炎熱日數與熱浪發生頻率增加,導致產量減少;寒冷日數減少則使蟲害增加;熱帶氣旋、強降雨發生頻率增加造成作物受損、土壤沖蝕或積水導致耕作的限制;另乾旱發生頻率增加導致地力衰退、牲畜死亡、自然火災,而海平面上升則可能造成土壤與灌溉水質鹽鹼化等現象。這些衝擊程度在不同地區可能不同,但因耕地減少、地力衰退、水源缺乏或災害增加所造成之農產降低,意味的不僅僅是生產者端收益減少或消費者端價格上漲,而是國家層級的糧食安全問題,以及人類物種能否存續的危機。因此,除了研擬調適策略,以降低氣候變遷之衝擊外,積極研擬減量策略,以減緩氣候變遷速度,亦相當重要。

貳 . 農田土壤溫室氣體減排策略

  農業的溫室氣體排放來源除了森林砍伐及土壤有機質分解所造成之二氧化碳排放外,主要排放源為禽畜類腸胃發酵、禽畜類排泄物管理、稻作、農業土壤、草原的焚燒、農業廢棄物的焚燒等之甲烷與氧化亞氮排放。前人彙整可能或可行的減排措施如附表。

  相對於全球的各部門溫室氣體排放比例,臺灣農業部門的溫室氣體比例明顯偏低,僅占全國排放量的 1.3% (圖 1 、圖 2 );然而農業施肥所造成氧化亞氮排放卻占全國的 72% 。此外我國位於高溫且高濕之亞熱帶,土壤有機質分解快速,因此本文僅先針對農耕與土壤管理部分提出我國可能可行之策略。

一 . 農藝管理

  改進農藝操作以提高產量和作物殘體量,可增加土壤有機碳貯存量;可行之策略包括選育高產、高耐受性作物 (如耐旱、耐病蟲害等) 、高氮素利用效率、根部或殘植為高木質素含量品系;延長輪作的作物栽種時間、縮短(尤其是夏季)休耕時間、運用間作增加作物覆蓋面積、複雜化栽種系統,以減少氮素損失;種植豆科或多年生作物,增加土壤氮與有機碳等方式。此外,在作物營養缺乏時,應適時給與補充,以提高產量 ,但須將施肥所增加之溫室氣體排放量降至最低。

二 . 養分管理

  施入田間之肥分,不論是化學肥料、禽畜糞尿、作物殘體或是有機 污 泥,超過植物生長所需的部分,容易經由微生物作用產生溫室氣體。 因此, 提高作物對氮素之利用效率、減少氮素之淋洗與揮散,均有助於氧化亞氮減量。可行之策略包括依土壤性質與作物生長所需調整施肥量與時期(精準農耕);使用緩釋或控釋型肥料;使用硝化抑制劑;針對根圈土壤施肥;有機 質 肥料與化學肥料之配合使用等方式,來提升氮肥利用效率,間接減少氧化亞氮的排放。目前已知的硝化抑制劑 Hydroquinone 及 Dicyandiamide 亦會抑制甲烷,應可有效的降低溫室氣體的排放。此外,施用銨態氮肥較施用硝酸態氮肥,可減少脫氮作用產生。

三 . 耕犁 / 作物殘體管理

  耕犁易造成土壤有機質分解或增加土壤沖蝕,而導致土壤有機碳的損失,間接增加二氧化碳的排放 。因此, 全球已逐漸發展最少或不耕犁之雜草與農耕方式。此外,最少或不耕犁亦可減少農業機具的石化燃料,但可能會增加氧化亞氮的排放,因其在不同氣候與土壤條件下結果差異極大,淨效應亦尚未被評估。減少農業機具使用石化燃料的另一取代方案為使用生質能源,然而栽植能源作物會壓縮糧食作物的種植面積,且其種植成本較國外原料更高,因此,國內是否推行仍待評估。作物殘體為土壤有機碳之主要來源,應避免燃燒,以增加土壤有機質並減少燃燒過程之溫室氣體排放。

四 . 水分管理

  藉由灌溉可穩定且充分地供給作物生長所需水分,有助於作物產量的提升,增加回歸農地之作物殘體量,進而增加土壤的有機碳含量,間接減少二氧化碳的排放,但較高土壤水分亦會提高微生物之活性,進而增加氧化亞氮的排放。排水不良則會導致產量減少,增加氧化亞氮、甲烷的排放;而多雨地區之排水雖可提高產量,但排水造成之氮素流失,也會間接增加氧化亞氮的排放。以上複雜之交互作用隨著不同土壤、氣候管理而異。臺灣灌溉系統已涵蓋 47% 耕地,其餘供水系統未及之處,農 民 會選擇種植旱作,亦會找尋水源,以維持產量至一定水準,但現有的灌溉技術多為淹灌或溝灌,此兩種方法較為耗費水資源,未來可發展節水灌溉系統如噴灌、滴灌等,提高用水效率,並避免全面供水,或可達減排溫室氣體之效益。

五 . 水稻栽植

  水稻田連續浸水是農業生產主要的甲烷排放來源之一。依據試驗結果, 水田長期湛水之甲烷排放量高於間歇式性灌溉方法,而臺灣已都採用間歇性灌水,然而間歇式的灌溉方法雖可降低甲烷排放, 卻可能增加氧化亞氮的排放,但因田間偵測儀器限制,其淨效應仍未有定論。其他可行措施如種植較低甲烷排放的水稻品種、保持休耕期土壤乾燥與避免浸水,以及作物殘體於乾燥期施用等。 此外,施用動物糞便或其堆肥,將大幅增加甲烷與氧化亞氮的排放量,但可減少化學肥料之施用量,故總體淨效應應是正向。

六 . 農林混作

  所謂農林混作,是指在農地與森林、河岸或海濱的交界地區,為了生物棲地的緩衝,或為了防止河川對農地的土壤沖蝕,或為了減少強風抑制作物生長,常會將作物與具有不同功能樹木混合栽種,以達到兼顧生態保育、水土保持與經濟收益等目標。在氣候變遷議題上,農林混作可較一般糧食作物,吸存較多的碳於植體中,進而增加土壤有機碳;然而農林混作之土壤溫 室 氣體排放之量測數據很少。

七 . 土地利用轉變

  在整體糧食供給無虞的前 提 下,可將部分生產力低、不適農作的土地,恢復成原始的自然植被,或轉變為牧草原;因為減少了肥料投入與耕犁干擾,及收穫物的移除減少,使土壤有機碳增加,間接減少溫室氣體的排放。此外,耕地轉變為生態濕地,可增加土壤有機碳,並減少氧化亞氮的排放,但可能會增加甲烷的排放。

八 . 衰退地力恢復

  土壤鹽鹼化、土壤酸化、過度耕犁翻攪、土壤沖蝕、有機質損失、汙染等因素,均可能導致農田地力衰退、減低作物產量,間接增加溫室氣體的排放。可藉恢復自然植被、適度施用氮肥或土地改良、有機物質或作物殘體施入田中、減少耕犁、增加土壤保水能力以提高產量,而減少溫室氣體的排放,但若氮肥的施用,可能導致氧化亞氮排放增加。坡地 農地則可採梯田模式耕作或栽種圍籬植物 等措施以減少土壤侵蝕與養分流失,以增加土壤 碳吸存能力,減少溫室氣體的排放 。

參 . 結語

  農田溫室氣體的排放是一複雜的生物化學反應;某項減量措施可能只改變一種以上之溫室氣體的排放,亦有可能改變一種以上之溫室氣體的排放,涉及多項反應機制,且可能相互為逆向反應。此外,有些措施可於短期內呈現減量效果,但隨著還境因子之改變,其減量效果亦有可能改變,且減量效果因地區而異。我國在此方面研究之數據並不多,需長期觀測其效應,並可藉模擬技術進行長時期之情境模擬,以研擬較有效率之減量措施。

圖 1 全球人為因素產生溫室氣體排放量增加趨勢與各部門比例。( a ) 1970-2004 年全球人為溫室氣體年排放量;( b ) 2004 年不同溫室氣體之人為排放量之比例(以 CO 2-eq 為單位);( c ) 2004 年不同產業占人為溫室氣體總排放量之比例(以 CO 2-eq 為單位)(林業包含森林砍伐)。(資料來源: IPCC , 2007 )

圖 1 全球人為因素產生溫室氣體排放量增加趨勢與各部門比例。( a ) 1970-2004 年全球人為溫室氣體年排放量;( b ) 2004 年不同溫室氣體之人為排放量之比例(以 CO2-eq 為單位);( c ) 2004 年不同產業占人為溫室氣體總排放量之比例(以 CO2-eq 為單位)(林業包含森林砍伐)。(資料來源: IPCC , 2007 )

圖 2 臺灣各部門溫室氣體排放比例

圖 2 臺灣各部門溫室氣體排放比例


附表 農業部門可能的溫室氣體減量措施與其科學證據及科學信賴度估算

附表 農業部門可能的溫室氣體減量措施與其科學證據及科學信賴度估算

(資料來源: Smith 等, 2007 )


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