氣候變遷糧食危機 C4計畫展露曙光

記者 林佑峻、林伶潔、蔡佳芸/採訪報導

伴隨著被肆虐殆盡的地球環境,極端的氣候變遷時常在世界各地引起水災、旱災等異常現象。這影響到人們的生活、改變農作物的生長狀況,也讓日漸嚴重的糧食危機浮上檯面,被各國政府所重視。對此,中央研究院分子生物研究所特聘研究員院士余淑美、新竹農民、氣候研究團隊等人,透過自身所學反饋農業,開闢另一條新路。

全球重視糧食危機

極端氣候導致的旱災水災並不利農作物生長。在台灣,頻繁的颱風會導致部分地區淹水 ; 有時卻因長期不下雨而嚴重缺水,出現各產業爭相搶水的現象,其中農業受到最直接的影響。

全球目前有78億人口且正在不斷提升,而糧食的產量卻無法增加。現今全世界有接近十億的人口處於飢餓狀態,未來若是無法解決糧食產量的問題,處於飢餓狀態的人口將會愈來愈多。

農業研究單位皆致力於作物的品種改良,期望能透過良好的作物品種,解決糧食危機。攝影/林佑峻

余淑美長期關注國際農業計畫,在2010年開始帶著中研院的團隊加入國際C4水稻計畫。期望透過此計畫,提升主要作物的產量以及對旱災水災的耐受性,進而減少飢餓人口的危機。

C3 C4大不同

余淑美說明國際C4水稻計畫目的就是要將C3型農作物改良為C4型農作物C3C4型作物最大的不同在於光合作用的場所與效率。光合作用是植物產生醣類澱粉等養分的主要來源,若是能提升光合作用的效率將能直接影響植物產生醣的能力。

余淑美解釋C3型作物的光合作用發生在葉肉細胞,處理的是三碳分子。葉肉細胞中含有較多的氧,氧氣濃度高不利光合作用的卡爾文循環,導致固定氧的效率降低。

C4型作物的光合作用則發生在束鞘細胞,處理的是四碳分子。束鞘細胞的細胞壁較厚,較能夠阻隔氧氣干擾。且束鞘細胞當中含有更多的葉綠體,有些能夠幫助植物代謝加速的酵素,因此在光合作用的卡爾文循環上有較高效率,能產生較多醣類。

C3、C4光合作用比較圖。資料來源/余淑美、製圖/林伶潔

C3型作物改良為C4型作物,需要改變植物的葉肉構造與代謝酵素。重點在讓C3型植物原先的束鞘細胞產生卡爾文循環的功能,以創造一個有用的束鞘細胞。

余淑美表示這是很困難的一個過程,因為當中牽涉到很多基因作用。其實C4型的作物本來就是從C3型的作物演化而來。因此現在研究目的也在於透過基因改良的方式加速演化過程。

計畫中的成就與困境

談到余淑美帶領團隊參與國際C4水稻計畫,曾擔任台灣農業資訊科技發展協會理事的阮明淑表示,要讓C3作物有C4作物的特徵,不但符合植物本身特性,也能以學術理論完整解釋,是個很棒的研究成果。

現今的米品種類多元,阮明淑鼓勵民眾能多多關注台灣在地農作物的栽培與研究。攝影/蔡佳芸

國際C4水稻計畫大約在2010年開始,目前全球僅有七個實驗室能參與這項計畫,而台灣也是其中一員。余淑美表示能夠與國際上頂尖的實驗室共同參與計畫是莫大的榮幸,這讓全世界知道在農業技術的研究,台灣並沒有缺席。

為了更好的利用時間與金錢,目前計畫目標正將基礎研究轉換到應用研究,期望在應用層面上看到成果。但余淑美表示這正是困難所在之處,如果對於學理基礎的研究不足,在實際應用方面也會遇到許多不確定的因素。

余淑美解釋C4水稻計畫:

研究望五年內有進展

談到目前國際C4水稻計畫的進度,余淑美說這個計畫得花很長的時間,但現在仍在初期。因為還無法掌握應用面,現下無法那麼快實行應用的部分。目前目標已朝著實際應用前進,期待能在五年後有所突破。

余淑美認為世界人口數在2050年可能會突破95億,屆時若無法提升糧食產量,飢餓人口的比例會大幅增加。若是能夠成功將水稻改良成C4作物,除了能夠解決人類對糧食的需求,也能將C3改良為C4的技術應用在其他糧食作物上,在人類農業技術上是一大里程碑。

直播新方法 省水省錢產量好

除了C4水稻計畫能解決糧荒外,一名新竹稻農劉政祐,因父親種稻,從小常在田間幫忙,加上大學就讀農藝系的緣故,於是透過自身對氣候變化的敏銳與長時間的觀察,發明水稻旱田直播,此方法使水稻在整個周期內減少近20~30%的用水量。

2013年起,劉政祐便意圖降低水稻的用水量,「我劃分一塊地去試,不計任何成本、不管投入多少人力、有沒有賺錢,只要知道這次怎麼失敗,這些時日的代價就值得了。」前後經歷長達近五年的失敗,才讓他找到成功的解決之道。

劉政祐將播種期提前,配合曳引機整地,取代水稻所需的育苗及插秧程序。照片提供/劉政祐

台灣的氣候每年可種兩期水稻,然而兩期稻作因氣候條件的不同,進而影響作物產量。劉政祐選擇將第一期稻作的播種時間提前,透過冬季的溼冷與氣候雨,配合事前的曳引機整地,將種子直接播種於田並覆土三公分,直接取代水稻所需的育苗及插秧程序,並且使用大面積直播,補足產量上的差異。

根據農業試驗所比較水田與旱田用水量統計資料顯示,旱田足足節省近26%的用水量。

劉政祐說:「台灣田間雖然有灌溉系統,但農民擁有的土地面積越大,水資源問題相對小農而言就更為嚴重。」一般水稻在抽穗與成熟期時,所需的用水量最大,而旱田直播就是直接將這兩段時間省去,讓秧苗自己深入土壤吸取水分,也因播種期的關係,蟲害鳥害較少,農藥的用量相對減少。

劉政祐透過數據、實驗與自身經歷,將旱田種稻從不可能變可能,對於口感上的疑慮,也尋出適合的水稻品種,在節水護環境之餘,維持在地人的口味。此法對於大農而言,或許為可參考的做法之一。

劉政祐認為不該做這行望那行,盼能將自身經歷傳授給需要的農民,為農業找出路。照片提供/劉政祐

作物可轉型 天機靠儀器

根據中央氣象局統計,這五年來的氣溫高點相對往年較為頻密,降雨量也較少。劉政祐認為缺水危機會日益嚴重,故正在著手嘗試作物轉型,農業研究員江采蔚也認為以未來政策來說,豆類的作物似乎是適合的轉型作物。

其中青刈玉米是劉政祐目前著手的一大重點,青刈玉米會減少雜草數量進而減少除草劑用量,且劉政祐與酵素公司配合,作出牛吃的飼料、發酵出活菌豬所需要的菌物,再開發出人吃的酵素,這一連串的加工鏈環環相扣,故也減少了施肥與農藥的使用。

回歸至最根本的水稻三大要素——溫度、土壤、水源,有氣候團隊開發儀器,希望讓人們不在田區也能掌握天機。透過土壤感測器掌握土壤酸鹼值、含水量、濕度溫度與電導度。在地氣象站掌握更精確的氣候變化,更有縮時攝影幫助農民直接觀看作物的生長速度,透過智慧化、機械化、自動化的三大要點,快速滿足農田需求。

苗栗稻農小潔說,儀器可以偵測很多突發的天氣變化,讓他知道該怎麼預防與準備,也能避免農損。數據分析無庸置疑能幫助農民更加掌握天氣及作物的生長情況,農業科技仍不斷改善及強化,盼能掌握更多環境的不定性。

氣候變遷時常造成災害。農業發展要如何因應環境變化,是人類的一大挑戰。攝影/林佑峻

C4水稻、旱田直播、儀器掌握天機的方式或許都還有進步與改善的空間,但也因此看見許多人的重視,而這些方法對於台灣的農業來說,相對節省許多資材成本,也有助於提升國內稻作產業競爭力,盼這些方式在未來能解決全國糧食飢荒的問題。

 

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