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。
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。C3與C4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。
而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。
將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。
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。
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。
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。
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饑荒的問題。
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