盧虎生老師談氣候變遷對水稻影響

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盧虎生老師在"海地"參訪稻作農家,背景是海地的稻田,由台灣農技團指導,照片中的女士是海地的青年產銷班負責人,非常精明能幹。 盧虎生老師覺得如果能讓台灣的青年農業志士與國際的青年交流,將是一件令人感動的事

2014.11.20

盧虎生老師就讀台灣大學農藝系碩士班時,當時磯小屋仍有「光合作用」、「育種」研究室,他曾目睹林安秋老師在磯小屋的「光合作用」研究室做水稻研究,林教授主要研究是如何使二期稻作增加產量。(他用C14標定追蹤的技術,探討一、二期稻作之光合作用與產量間的關係,嘗試了解一般二期稻作較為低產的原因)

盧教授說明,水稻生育前期若遇到高溫,日夜溫差小,水稻淨光合作用效率減低;夜溫高,呼吸作用加速,養份儲存能力降低,會減少分糵數,進而減少每一株的穗數,產量潛力降低。另外,水稻授粉前十五天內是對溫度最為敏感的時期,在開花授粉時期高溫會降低花粉活性;平均溫度超過二十六度,稻穀充實時,澱粉與澱粉堆積不密實、不規則,產生不透明的「白堊質」,外觀不佳、影響口感,即可能從一等米降成二等米,售價也會降低。因此氣候變化,會同時影響產量和品質。

註1:一般來說,台灣一期稻作是二~六月,二期稻作是七~十一月,南部較北部早一個月,一期稻作的氣溫及光幅射強度由低至高、短至長,而二期稻作則相反。一般二期稻作產量比一期稻作可減少五分之一至三分之一。

註2:氣溫升高影響植物的「光合作用」效率,植物中的葉綠體將太陽能轉化為化學能貯存在碳水化合物中,但過度的光輻射會降低光能轉化中心—葉綠素的活性,擾亂正常光合作用的進行。植物體內一些類胡蘿蔔素,原本可以減輕輻射對葉綠素的危害,但溫度升高時,葉片中類胡蘿蔔素的活性和含量會大大降低,使光合作用的效率減少。
    持續高溫造成植物的呼吸作用增加,消耗能量。溫度上升,尤其在水稻生長的一個重要週期——灌漿期中,夜晚氣溫的上升會提高農作物的「呼吸作用」強度,相對的,貯存在種子中的能源物質就會減少,種子發育不佳,米粒不飽滿。此外,高溫下,水稻的花藥不易開裂、不能釋放花粉、花粉異常膨大等一系列問題,使稻穀產生更多空殼。天氣熱,水稻之外,其它植物也一樣受到影響,雄蕊的花粉和雌蕊的花絲容易發生畸形或者機能降低,從而導致產量下降。
資料來源:《科學少年》2014年10.11月號

盧虎生老師因準備繼續深造,曾研讀日文三年,後來公費留學到美國康乃爾大學農藝系,在康乃爾大學的圖書館內讀到磯永吉博士寫的台灣稻作品系調查記錄,是全球僅存少數的其中一本,真是很奇特的緣份。書裡提到,日本人來台,曾做台灣稻種的調查,收集整理當時有2000多個不同的品系。

台灣人原本吃「在來米」,多是印度型稻,日本人來台,稻作改良後,改吃「蓬萊米」為日本型稻,在來米則作為蘿蔔糕、碗糕…等傳統米食點心。而台灣山地原住民與南太平洋諸島關係密切,栽種的陸稻做為主食和釀酒,則多為「爪哇稻」。盧虎生老師說:「小小的台灣因移民、貿易、文化交流,有『印度型稻』、『日本型稻』和『爪哇稻』,『多樣性』令人驚異!台灣是世界稻作研究的重要遺傳基因寶庫。」

註3:稻為禾本科稻屬(Oryza)植物,全世界有22個種(species),其中只有「非洲型稻」 (Oryza glaberrima Steud.)和「亞洲型稻」 (Oryza Sativa L.)為栽培稻,其餘20種均為野生稻。栽培面積最多的「亞洲型稻」又分為「印度型稻」(indica)、「日本型稻」(japonica)和「爪哇稻」(javanica)。

 
印度型稻(indica) 又稱「秈稻」,分糱多、穀粒細長、逆境抗性較強,多栽培熱帶地區,和日本型稻雜交較不親和   
日本型稻(japonica) 又稱「溫帶型稉稻」,分糱少、穀粒短圓、低溫耐性較佳,多栽培溫帶地區   
爪哇稻(javanica) 又稱「熱帶型稉稻」,分糱少、產量低,穀粒較大(約1公分)呈短圓、多有稻芒,具耐旱、耐瘠及逆境較強,多栽培馬來半島、印尼、泰國及菲律賓等熱帶山區,和日本型稻雜交比較親和

註4:台灣東部山區灌溉水源不足,交通不便,農機具難以引進。原住民保有旱作、直播陸稻的栽培,一年一期,五月播種、九月收割,屬爪哇型稻,分糱少、產量低。然原生陸稻有大量珍貴的遺傳資源,例如:乾旱耐受性、抗氧化能力和特殊成份。

花蓮農改場2001年起到原住民部落田間蒐集生長型態不同者,分別單穗引種,針對植株及穀粒外觀調查,在試驗場繁殖、分析並進行純化,共收集206個陸稻種原系。2007年合盧虎生老師合作分析白米蛋白質含量,選拔17個高蛋白質含量的品種,再經多年分析選拔,2012年選育新品種「花蓮24號」,具產量穩定、高蛋白含量、高抗養化力和半糯性。

「花蓮24號」的特性:
(1)具有爪哇型稻二次枝梗,二次梗的意思是水稻莖上的高節位分枝,並非一般所說穗的二次枝梗。直接從主莖上發生的分蘗稱一次梗,由一次分蘗上節位再發生的分蘗稱二次梗。
(2)花蓮24號育成,並沒有和其他品種雜交,僅是針對高蛋白及良好株型進行選拔及純化。
(3)花蓮24號在一般水稻栽培模式會比原來的旱作具有更好的產量品質。
(4)一般都說高蛋白質稻子雖營養、卻不好吃,「花蓮24號」特別選高蛋白質,本品種選拔目標並非以一般食用米為主,而是希望「高蛋白」及「紅種皮的花青素」作為食品加工用之品種,例如嬰兒對麥麩質蛋白過敏,希望該品種米榖粉可替換麥粉,以及即時沖泡飲品等加工。

資料來源:花蓮農業改良場稻作研究室林泰佑老師、以及2013年3月、花蓮區農業專訊第83期,林泰佑、黃佳興、潘昶儒、宣大平,「原鄉部落高營養的紅寶石-水稻花蓮24號之育成與特性簡介」

註5:
(1)「生物多樣性」指生活在地球上的不同種類生命,其相互交替、影響,使地球生態得到平衡。
(2)「福爾摩莎」與「寶島」的美譽的台灣,因地形、氣候、洋流、北迴歸線以及多樣的棲地環境等因素交互作用,孕育著形形色色、多樣化的生物物種。台灣陸地僅佔全球萬分之2.5,目前已知的物種數量達全球2.5%,為所有國家平均值的100倍。台灣海洋生物的物種數更高達全球總種數的1/10,是全球平均值的400倍。還有許多特有種生物,大約有1/4是台灣特有的,其餘3/4物種的遺傳特徵也往往非常獨特,台灣可說是「生物多樣性之島」。
資料來源:http://www3.nstm.gov.tw/2006science/green.html

註6:瑞士聯邦理工學院的英格包崔克斯(Ingo Potrykus)和德國福來堡大學的彼得貝爾(Peter Beyer)轉殖一個來自細菌、兩個來自黃水仙花的基因到稻米中,使得含黃水仙花基因的稻米製造出胡蘿蔔素,因此稱之為「黃金米」。這種米提供充足的維生素A,希望幫助非洲貧窮國家改善兒童營養不良的問題。「黃金米」的母本是「台北309號」稻米,台灣珍貴的稻米遺傳資源對世界的貢獻。
資料來源:http://www3.nstm.gov.tw/2006science/green.html

盧虎生老師研究生時代曾在台大的磯小屋裡住宿三個月(育種研究室邊),和當年許多曾住宿磯小屋的農藝系系友一樣,對磯小屋有獨特的情感,他們都希望磯小屋越走越寬,影響力越深、越廣。磯小屋列入市定古蹟,因米商糧行的第二代對蓬萊米歷史比較沒感覺,盧虎生老師鼓勵他們應幫忙磯小屋發揚米文化。

2014年台灣從6月起,各地溫度飆破36度,陸續測出高溫新紀錄,整個台灣的氣溫圖就像紅通通的烤番薯。十大經典好米得主莊有志老師說:「活了60幾年,從沒看過這樣的天氣,9月應該早晚要開始涼爽」。24節氣的「大暑」當天不熱、沒有太陽(陰),還有中度麥得姆颱風,而8月則創下沒有颱風發展的歷史紀錄。10月全球平均溫度創下「有現代分析以來最熱的10月」,比20世紀平均溫度整整高出0.74度,全球均溫包括5、6、8、9月皆創下歷史最高溫。

長期參與、觀察國際稻作趨勢,研究環境變異對於稻作生長影響,盧虎生老師說:「依2014年初國際氣候組織(IPCC)最新的觀測及預測資料,台灣『暖化』、『日夜溫差縮小』現象的頻率只會持續增加,可能在同期作內還會伴隨著異常性的『低溫』或『乾旱』交替發生,稱為『複合式逆境』。此外,氣候變遷及異常氣象也會改變作物田間之病、蟲、及雜草的發生型式,亦即為『生物性逆境』,造成對無論常規或有機栽培上更大的衝擊及挑戰。氣候變遷,是很殘酷、面臨生存的事實,需要及早準備,請大家多多的由各方面呼籲、支持相關的科技研發與調適行動,掌握因應的關鍵技術,創造具有適應氣候的能力,確保台灣稻作產業的競爭力。」

2014年9月30日中央氣象局預報中心主任鄭明典提醒,近年來氣候變化快,良好舒適的氣候狀態可能回不去了,民眾一定要思考如何適應未來的氣候環境,無論是農漁業、公共衛生等,都要及早做好準備避免災害衝擊。未來一季中南部將進入枯水期,各界都要善用水資源,才不會面臨無水可用的困境。2014年12月1日,因寶二水庫缺水,新竹地區開始限水。

2014年11月20日訪問盧虎生老師談氣候變遷對水稻影響的當天,自由時報刊登「台灣面臨10年來最嚴重乾旱」,經濟部長杜紫軍昨赴立法院備詢時表示,未來一年(2015年)台灣面臨乾旱,可能是十年最嚴重,因集水區沒有明顯降雨,全台水庫水位拉警報,將針對非民生用水進行限用,反映盧虎生老師呼籲的重要性,盧虎生老師說:「或許這時應重新看八田與一先生提出的『三年輪作給水法』,在水資源缺乏時,仍能夠維持足夠的自給糧食」。

在古川勝三著的「嘉南大圳之父、八田與一傳」,八田與一先生認為:「不顧上司的反對而再三呈報,表示當事人十分有自信,是深思熟慮的結果,他的熱忱應該被讚揚。雖然不致於完全贊同,但還是會被認可。有自信的工作者不能因上司一、兩次的反對,便失去勇氣而撤回意見。」提到八田與一先生,我請教盧虎生老師面對不一樣看法衝突時,他如何處理。他語氣誠懇地說:「努力多次解釋,即使未獲得共識,依然肯定對方是好意。」他露出信心笑容說:「真是誤會,很希望有機會能澄清,彼此可因更認識而加深合作。」盧虎生老師的心胸,我可以好好學習。

盧虎生老師與研究團隊,建議氣候變遷下多元因應策略:
(1)改變糧食消費結構:改變糧食消費結構及飲食習慣,降低對進口糧食依賴。
(2)加強作物育種及栽培科技:育成各種耐逆境的作物,積極發展與生態融合式的永續型農業。例如花藥裂口長的品種,在高溫下有較高稔實率。調整插秧期或栽培密度,一期作提前插秧、二期作延後插秧,有效降低開花抽穗的高溫威脅。另外栽培密度低時,單株營養生長旺盛,可能會延後開花抽穗時間,建議一期作需提早插秧,避開風險。此外,各區域皆宜重新檢討稻作與其他作物的輪作制度,發展出對水資源更有效利用的糧食作物生產系統。”less drop, more grain”的栽培制度是國際各地區因應氣候變遷積極發展的趨勢。

註7:『三年輪作給水法』嘉南大圳區域內的土地以五十公頃為一小區,一百五十公頃為一大區,每個小區域三年內輪流種水稻、甘蔗,雜糧,種水稻充份給水,種甘蔗只在種植期給水,雜糧則不給水。目前民生和工業用水增加,農業生產用水相對受到壓縮,日據時代『三年輪作給水法』栽種有政府收購、運銷,如今若需農民因應新的栽種方式,很需要完整的配套措施。

註8:不同逆境對水稻的影響
 
低溫 抑制發芽、幼苗生長受阻、植株矮化、葉片黃化、幼穗尖端退化、延長生長期、空穎、不正常成熟,均會影響產量   
雨水 三、四月春雨高溫多濕容易感染稻熱病
五、六月梅雨延遲收穫或容易穗上發芽
六~十月颱風或大雨,稔實率降低,容易植株倒伏、穗上發芽或感染白葉枯病   
高溫 品種及不同生長期表現不同,田間放水可減緩
營養生長期:葉尖白化、白色帶狀與斑點、分糱數減少、株高降低
生殖生長期:白色小穗、小穗數目減少
開花期:不稔
成熟期:米粒充實減少、心腹白增加。   
風 風速高提高光合作用,過高則導至葉片損傷
抽穗後:倒伏、不稔、加速白葉枯病
焚風:溫濕空氣越過山嶺下降成為高溫、乾熱、無雨、強風,造成不稔、白穗、影響品質和外觀   
缺水 葉片捲曲、焦黃,分糱不足、矮化、延遲開花、不稔或充實不完全 
資料來源:2008年7月、豐年第58卷、第13期,台東區農業改良場丁文彥博士著「氣候環境劇變、不利水稻生育」

註9:2013年莊豐鳴、盧虎生老師「高溫對水稻產量及品質之影響:從生理環境到田間環境之探討」提到,異常高溫對於農民大田區的水稻稔實率並沒有發生預期傷害,僅評估高溫對水稻的衝擊未盡周延,田間濕度是另一個重要的因子。2014年下半年異常高溫,本預期對水稻的生長會有影響,但因為沒有颱風和寒風,稻作產量不減反增。苑裡徐能發有機栽種台稉9號增加15~20%,彰化社頭農會收購,一分地平均濕穀約 15卦(一卦100台斤、1070元、往年同期不超過1卦) ,台南後壁崑濱伯說一分地平均濕穀一般品種 16~17卦、香米14~15卦(往年一般品種 13~14卦、香米11~12卦),菁寮國小自然栽培的台南16號產量接近第一期12卦。不曉得是否預期未來可能缺水對水稻產量的影響,這一期糧商收購的價與量都增多。

註10:氣候變遷對農業環境重大影響:(1)氣候暖化(2)CO 2濃度增高(3)極端氣候頻率增加(4)水資源。大氣中 CO 2 濃度升高有利於光合作用,可提高碳水化合物轉化效率,作物產量。增加CO 2 濃度升高時,雖有助於水稻澱粉含量增加,但對人體營養很重要的 Fe 及 Zn 濃度則降低,且溫度和 CO 2 濃度同時升高時,穀粒蛋白質含量將減少。
資料來源:2001年農糧署蘇宗振「氣候變遷下台灣糧食生產因應對策」

註11:美國紐約大學科學家湯姆斯,專門研究氣候變化對生物影響的專家,他領導的研究小組發現,約2000種動物正在離開赤道的老家,躲避一天天升高的氣溫,向著北邊較陰涼的地方移動。另外,氣候變遷下溫度上升,可使得北方地區每年只種植一期稻作的區域提升至兩期作,因而提高產量。近年來中國大陸東北地區(如黑龍江)的水稻生產面積因氣候暖化而顯著增加,已成為中國大陸的稻米主要生產區,糧食作物生產供應形勢也由過去的「南糧北運」轉而為「北糧南運」。資料來源:《科學少年》2014年10.11月號、2013年9月陳泓如研究生、盧虎生教授「氣候變遷對糧食生產之影響」
註12:2008年國際發生糧食危機,一些大國因天災而限制出口糧食,一些小國則因不能外購糧食,為求自保也限制出口糧食,形成惡性循環,造成穀物價格上漲近百分之四十,全球食品儲備量告急。當時全球第二及第三大稻米出口國越南、印度,也紛紛加價及減少出口海地沿,海地貧民區甚至以泥土餅為三餐主食。近年來氣候異常現象造成的糧食作物減產,在許多國家中發生的頻率呈現增加的趨勢,衝擊全球的糧食安全狀態,威脅到社會經濟及政治的安定。

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林如貞

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