2012年6月5日 星期二

穀類生產 與溫室氣體有何關係?

 圖/稻米是台灣的主要農作物。(台達電子文教基金會攝)
 文/柯佳吟 (史丹佛大學博士後研究員)

 球農田面積約為15億公頃,而穀類(如稻米、小麥和玉米)的種植面積占了約5億4千6百萬公頃,估計為36%的全球農田面積(表一),這些穀物提供人體熱量的最大來源,不管是直接食用,或是間接就透過餵食家畜生產其他食品,據估計60%的人體熱量便是或多或少從穀類取得。

穀物需求提高 環境亦承受更大壓力

 隨著人口的增長,對於這些穀物的需求將會持續的增加,預計到2025年會出現有每年大約1.3%的需求量增加,面對這樣的穀物生產需求增加,部分專家提出了兩種主要的可能選擇:

(1) 擴大農田面積,也就是將現今非農田區轉換為農田區,目前可增加區域尤其以非洲與南美洲地區較具此類發展潛能;

(2) 強化現今農地的生產力,提高單位面積生產量。

 不幸地是,不管是哪種方法,預計都將對環境造成負面影響並且降低未來的生態系統服務功能。執行(1)的結果將導致負向衝擊於棲地的生物多樣性上,原有的森林或草原區轉換為單一化而較無生物負載力的農田,勢必影響原有生物的生存以及遷移;執行(2)的結果則可能使單點汙染量以及溫室氣體排放量的增加。就目前的評估來看,確實執行(2),但在提高產量的同時減少或降到0的環境破壞將是必要的實現,以滿足保護環境和確保全球糧食安全的雙重目標。

 過去對溫室氣體排放量的檢驗結果顯示,農業大約占10-12%的全球溫室氣體排放量,其中主要排放的溫室氣體乃為N2O(一氧化二氮)與CH4(甲烷),也就是分別約60%與50%的全球排放量來自農業。歷來的研究也偵測出,N2O的二氧化碳潛勢,為CH4的12倍。而在穀類中,種植小麥和玉米將產生較多的N2O排放,種植稻米則主要導致CH4的產生。(註)

 近來由於施加氮肥量的影響,種植稻米也被排放愈來愈多的N2O。只是有趣的是,在種植稻米的過程中,CH4和N2O大致呈現相反的關聯性,也就是說N2O的排放量增加時,CH4的排放量往往會降低,因此,選擇不同的耕作管理方式,將改變稻米種植過程所排放的溫室氣體。

氮肥愈用愈多 真的有更高的生產量嗎?

 有鑑於上述糧食需求的增加以及農田區增加的限制,續加上溫室氣體排放量主要驅動於氮肥與碳肥使用的增加(也往往增加了作物收益率,提高作物生產量),van Groenigen等人在2010年提出,檢驗穀物的產量可用來評估N2O的可能排放量,而非僅利用作物種植面積進行估計。然而氮肥也只是一個溫室氣體排放的其中一個主要因子,究竟提高多少的產量會導致相當的溫室氣體排放?我們又如何能在穀物種植中進行取捨呢?

 最新的研究數據顯示,平均單位穀物產量下的總溫室氣體排放量以稻米最高 (每季每公頃約3757公斤二氧化碳當量)是為小麥的5.7倍(662公斤)和玉米的2.7倍 (1399公斤)(圖一),且種植稻米的單位產量產生的溫室氣體排放量顯著高於小麥和玉米。種植稻米之所以排放量高的原因大部分取決於CH4的排放量,在N2O的淨排放量則是以稻米最少,小麥次之,玉米最多。而不論選擇任一穀物的種植,施肥氮(N)量確實與N2O的排放量有顯著相關。

 溫室氣體的排放就像是聚沙成塔,人類生活的一點一滴都顯著影響著大氣循環以致整個地球,對於糧食的需求,我們製造了化學肥料以提高生產量,無形中卻傷害了原始的環境,並一點一滴改變大氣組成,最後還是衝擊人類的生活。我相信你也和我一樣,看完了上面的數據,突然出現了一種「那我該吃甚麼?」的疑問盤旋腦中,眼前的食物原來也是導致溫室氣體排放的重大來源。除了最基本的不要浪費以外,農業部門或許應該針對相關的數據計算對環境傷害最小的化肥規定,以真正取得環境與糧食的平衡。


表一 2009年全球穀類總生產量與平均產量(資料來源: http://faostat.fao.org)。


圖一. 三種作物於土讓中的N2O(一氧化二氮) 與CH4(甲烷)淨含量分析。 (柯佳吟編輯)


參考資料:
van Groenigen JW, Velthof GL, Oenema O, van Groenigen KJ, van Kessel C (2010)
Towards an agronomic assessment of N2O emissions: a case study for arable crops. European Journal of Soil Science, 61, 903–913.
Linquist B, van Groenigen KJ, Adviento-Borbe MA, Pittelkow C, Kessel, CV. (2012) An agronomic assessment of greenhouse gas emissions from major cereal crops. Global Change Biology, 18, 194–209.

【註釋】
註:由於施放越高的氮肥可以使得小麥和玉米具有較高的生產量,因此使得種植小麥和玉米時,產生較多的N2O排放,然而相較於傳統或是免耕的耕作方式,採取有機或低能量系統投入的耕作方式並未能確實降低N2O的排放量,傳統或是免耕的耕作方式透過增加土壤的含水量,反導刺激了反硝化作用,同時降低N2O的生成。雖然目前使用何種耕作方式以降低溫室氣體的排放仍具爭議,然而多數的研究仍然建議可以以有機或低能量系統投入的耕作方式為主,但更需焦點於如何最佳化氮肥的被利用效率,以及考慮作物的季節交替輪種。而在種植稻米時,由於稻米本身的植物特性,不論來自土壤或是肥料的碳,於植物呼吸作用時,透過孔隙的開闔將其從土壤中吸收然後釋放至大氣中,產生由植物本身CH4的排放而非來自土壤的排放。

作者簡介
柯佳吟,台大生態學與演化生物學研究所博士,為已故氣候學者史奈德(Prof. Stephen H.Schneider)與其遺孀泰瑞茹(Prof. Terry L.Root)共同指導的學生,曾於史丹佛大學研修氣候變遷調適與減緩策略,以及生態系服務等議題。目前正處博士後研究期間,希冀透過國際合作方式,多面向探討氣候變遷議題。

【延伸閱讀】
農業對環境與人權的影響及其成因》譚偉恩 13-Mar-12 低碳生活部落格
再思台灣低碳飲食推動策略》趙家緯 25-Jun-11 低碳生活部落格
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