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電子報

基礎試驗研究
農村發展及水土保持署
氣候變遷下韌性思維的調適策略
-科學家們如何讓水稻無懼於乾旱與洪水的風險
期數 / 第25期
發布日期 / 2021.09.30
主筆 / 施佩昱
責任編輯 / 陳振宇

氣候變遷的調適策略,基本可分為「避開風險」及「降低風險」二大類;前者係優先迴避高風險區域或行為,免於遭受氣候變遷的影響,後者則主要透過提升韌性來降低風險及衝擊。前幾期電子報我們已分別介紹氣候變遷的預測模式及最新的AR6預測結果等,以進一步思考如何迴避風險;本期電子報,我們將介紹在農業領域,如何藉由強化韌性的角度,來降低氣候變遷帶來的衝擊。

圖1、乾旱時美國加州薩克拉門托谷的閒置稻田(左上)(圖片來源:CALIFORNIA RICE COMMISSION/BRIAN BAER)
圖1、乾旱時美國加州薩克拉門托谷的閒置稻田(左上)(圖片來源:CALIFORNIA RICE COMMISSION/BRIAN BAER)
稻米生產區域面臨旱澇不均的問題

近年來,全球許多國家的農民接連遭遇極具破壞性的乾旱,水庫和河流中的低水位迫使農民削減用水量。今年4月媒體報導知名的稻米生產基地台東池上,因降雨稀缺導致灌溉水源不足,需鑿井引水灌溉以穩定收成。加州是美國第二大水稻生產州,僅次於南方的阿肯色州。加州95% 以上的水稻都生長在距離薩克拉門托 (Sacramento)約160公里範圍內,春季時東部內華達山脈融化的積雪流入河流和水庫,通過錯綜複雜的灌溉渠道及排水系統到達稻田,讓農民在4-10 月間進行水稻種植及灌溉。根據加州水資源管理單位 (California Department of Water Resources,CDWR) 數據顯示,提供當地稻農灌溉用水的奧羅維爾湖 (Lake Oroville) 水位,於2020年8月創下歷史新低。

類似的場景,近年來在中國、南亞、以及非洲最大的水稻生產國奈及利亞也時有所聞。事實上,全球超過 35 億人每日20%或甚至更多的熱量來源就是由水稻等穀物獲得,不禁讓人擔心氣候變遷會影響水稻的產能,並造成全球糧食危機。為了節省水源及提高產量,農民、工程師和研究人員合作研究例行節水灌溉程序和水稻基因庫,這些水稻基因庫儲存了數十萬種品種,並隨時可以分配或培育成具有氣候調適能力的新品種。

圖2、2018 年全球稻米生產量(圖片來源:OURWORLDINDATA.ORG)
圖2、2018 年全球稻米生產量(圖片來源:OURWORLDINDATA.ORG)
氣候變遷衍生的稻米生產問題

在越南的湄公河三角洲,平坦肥沃的土地非常適合種植水稻,但當乾旱導致湄公河水位低於南海海平面,南海海水則會倒灌並滲入三角洲稻田的土壤和灌溉渠道。越南近期2次乾旱中,鹹水入侵至內陸 90 公里,約46幾萬公頃的稻田受到影響。2020年亞太經社會 (U.N. Economic and Social Commission for Asia and the Pacific,ESCAP) 的報告更指出,隨著該區域氣溫升高,這意味著乾旱的嚴重程度和影響範圍只會隨著氣候危機的加深而繼續擴增。

圖 3、越南湄公河三角洲被海水侵入的稻田(圖片來源:HOANG DINH NAM/AFP VIA GETTY IMAGES)
圖 3、越南湄公河三角洲被海水侵入的稻田(圖片來源:HOANG DINH NAM/AFP VIA GETTY IMAGES)

高溫多濕的環境提供植物細菌性病害的溫床,並導致水稻白葉枯病(Xanthomonas oryzae pv. oryzae,Xoo)引起的植物病害,而這種病害在東南亞最為流行;類似的情形在非洲,也曾因細菌性病害造成單季稻米產量減少 70%。科羅拉多州立大學的植物病理學家 Jan Leach指出,當氣溫升高時,水稻體內對抗細菌性枯萎病的基因將無法發揮其效用。

抗旱水稻耕作法

乾濕交替法(或稱間歇性灌溉法) 是一種被廣泛研究的抗旱方式,以10天為一週期進行灌溉,取代一般稻田必須保持10公分的水位;好處是在不犧牲產量的情況下,可減少約38%的灌溉用水量。此方法能讓更多的氧氣被帶入土壤裡,除了穩定稻米收穫量之外,也能抑制降低水稻中的砷含量。加州大學合作推廣處水稻專家Bruce Linquist提醒,此種抗旱方法用於高透水性土壤 (highly permeable soils) 效果最好,但如阿肯色州和美國南部,加州的薩克拉門托谷 (Sacramento Valley) 等地區就不適用。

圖 4、乾濕交替法(Riaz et al,2020)
圖 4、乾濕交替法(Riaz et al,2020)
氣候適應型的水稻

總部位於菲律賓的國際水稻研究所(International Rice Research Institute,IRRI)在全球13萬多種水稻種子發現解決氣候方案可能隱藏在有著傳統DNA的稻米裡,並據以改良出新型水稻品種可以抵禦洪水和旱災。幸運地是他們發現了Sub1 (Scuba rice,又稱潛稻) ,而Sub1基因能夠使水稻在完全淹沒的情形下存活兩週以上,並成功通過育種且納入南亞和東南亞洪水好發區域栽培的品種。

圖 5、潛稻對遭受洪水地區的糧食供應有著重要的貢獻。(IRRI/FLICKR (CC BY-NC-SA 2.0))
圖 5、潛稻對遭受洪水地區的糧食供應有著重要的貢獻。(IRRI/FLICKR (CC BY-NC-SA 2.0))

除此之外,有些研究人員將目標放在由其他物種(包括植物和細菌)中尋找有用的基因,例如將A物種的基因植入B物種或基因改造,但此種方式仍然存在著爭議。基因轉殖的稻米品種最著名的例子為富含β-胡蘿蔔素的黃金米(Golden Rice) ,此項研究的目的係改善許多貧困地區人群維生素A缺乏的狀況。研究人員將水仙花和土壤細菌的基因拼接到亞洲水稻品種中,讓β-胡蘿蔔素在人體內轉化成維生素A,但目前只有少數國家批准可安全食用。

圖 6、第二代的黃金米(右)較第一代(中)富含更多β-胡蘿蔔素,稻米的胚乳呈褐色,左為野生型水稻。(匡麟芸, 2011)
圖 6、第二代的黃金米(右)較第一代(中)富含更多β-胡蘿蔔素,稻米的胚乳呈褐色,左為野生型水稻。(匡麟芸, 2011)
氣候變遷下展望未來

面對氣候變遷帶來的威脅,在降低風險的角度上,不論是接受基因轉殖水稻(Golden rice) ,亦或是科學家未來研發出更多耐乾旱 (Sahbhagi Dhan) 、耐洪水 (Scuba rice) 與耐鹽 (Salt-tolerant rice) 的水稻,氣候變遷已經是一列過載又失速的高速火車,衝擊著世界的每個角落。但無論如何,解決問題的第一步永遠是必須正視問題,接下來透過各界的溝通與合作,才能藉由各項的調適策略循序漸進地解決問題。

參考文獻

1. Ogasa, N (2021 September 24). Rice feeds half the world. Climate change’s droughts and floods put it at risk. Science News. Retrieved from https://www.sciencenews.org/article/rice-agriculture-feeds-world-climate-change-drought-flood-risk

2. 客家電視台(2021),池上2區供3停3輪灌 農民申請鑿井補灌溉水(https://m.news.sina.com.tw/article/20210416/38250790.html)

3. Riaz, A. Khaliq, A. Fiaz, S. Noor, M.A. Nawaz, M. M. Mahboob, W. Ullah, S. (2017). Weed Management in Direct Seeded Rice Grown under Varying Tillage Systems and Alternate Water Regimes. Planta Daninha. 36. 10.1590/S0100-83582018360100059.

4. DeFlorio, M. J., F. M. Ralph, D. E. Waliser, J. Jones, and M. L. Anderson (2021). Better subseasonal-to-seasonal forecasts for water management. Eos, 102, Retrieved from https://doi.org/10.1029/2021EO159749

5. 維基百科. 黃金米. 資料檢索日期:2021年9月28日. Retrieved from https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%BB%84%E9%87%91%E5%A4%A7%E7%B1%B3#cite_note-2

6. 匡麟芸(2011),黃金米的故事,科學發展期刊,459期。

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