第三章 研究方法與材料
第二節 研究方法
二、 估算綠水足跡
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到重視之原因為其可以避免計量模型的過度配適（over-fit）或是資料開發 之濫用（data-mining）（陳旭昇，2013）。
二、 估算綠水足跡
單一製程水足跡根據 Hoekstra et al.（2011）定義，均以單位產品為標 準，及單位質量產品的水資源量。通常在作物或樹木產品的製程水足跡單 位為 m3/ton。作物生長過程的綠水足跡等於作物耗水中的綠水量（𝐶𝑊𝑈𝑔𝑟𝑒𝑒𝑛, 𝑚3/ℎ𝑚2）除以作物產量（𝑌, 𝑡/ℎ𝑚2）：
𝑊𝐹𝑝𝑟𝑜𝑐,𝑔𝑟𝑒𝑒𝑛 =𝐶𝑊𝑈𝑌𝑔𝑟𝑒𝑒𝑛（體積／質量） (3. 7)
作物耗水（𝐶𝑊𝑈, 𝑚3/ℎ𝑚2）的綠水部分等於整個生長期每日蒸發散
（𝐸𝑇, 𝑚𝑚/𝑑）的累積加總量，即：
𝐶𝑊𝑈𝑔𝑟𝑒𝑒𝑛 = 10 × ∑1𝑔𝑝𝑑=1𝐸𝑇𝑔𝑟𝑒𝑒𝑛（體積／面積） (3. 8) 其中，𝐸𝑇𝑔𝑟𝑒𝑒𝑛為綠水蒸發散量，係數 10 是將水深（𝑚𝑚）轉換為每單 位面積之水量（𝑚3/ℎ𝑚2），1𝑔𝑝表是生長期的長度、以日計量。不同作物生 長期的長度差異甚大，對作物耗水的影響非常明顯。
然因直接測量蒸發散量的成本較高，故多透過經驗公式模型估算蒸發 散量。而蒸發散量卻又難以將藍水蒸發散和綠水蒸發散個別量測，因此可 採用聯合國農糧組織的 CROPWAT 模型來估算（FAO, 2015）。該模型提供 了兩個模擬作物生長時期之藍水蒸發散和綠水蒸發散的估算方案，其一為
「作物需水量（𝐶𝑊𝑅）」：假設作物生長過程不受水分的限制，須計算：(1) 在特定氣候條件下生長期作物需水量（𝐶𝑊𝑅）、(2)同期有效降水（𝑃𝑒𝑓𝑓）、 (3)灌溉需水；其二為「灌溉制度法」，其不採用𝐶𝑊𝑅之有效降水的概念，而 以土壤水分平衡取代，此方案則要求土壤類型數據。本研究採用前者不需 土壤類型數據且為多數學者所採用的「作物需水量（𝐶𝑊𝑅）」方案（Bulsink et al., 2009; Aldaya et al., 2010; Chapagain et al., 2011；張元馨，2011；姚姵 萱等人，2013），進行綠水蒸發散的模擬估算。
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(一) 作物需水（𝑪𝑾𝑹）
作物需水量（𝐶𝑊𝑅）是在理想的生長條件下，作物從種植到收穫所需 的蒸發散量。「理想條件」指降水或灌溉能保證充足的土壤水分，而不會因 為水分限制而影響作物生長或作物產量。作物需水量由參考作物蒸發散
（𝐸𝑇0）乘以作物係數（𝐾𝐶）計算而得：𝐶𝑊𝑅 = 𝐾𝐶× 𝐸𝑇0 = 𝐸𝑇𝐶。假設作物 需水量得到充分滿足，作物的實際蒸發散將等於作物需水量：𝐸𝑇𝐶 = 𝐶𝑊𝑅。
其中，參考作物蒸發散量（𝐸𝑇0）來自不缺水參考地表的蒸發散，參考 地表是假設具有特定標準點的廣大綠草覆蓋面，故影響𝐸𝑇0的因素僅有氣候 參數，因此須再乘上作物係數（𝐾𝐶）才會等於某作物之蒸發散量（𝐸𝑇𝐶）。 而本研究中採用的 MOD16 蒸發散監測資料，已經土地分類成果、採用皆為 稻作地區所相對應的蒸發散監測資料，即不須再乘上作物係數、而為稻作 之實際蒸發散量、亦為作物需水量，即𝐸𝑇𝑀𝑂𝐷16 = 𝐸𝑇𝐶 = 𝐶𝑊𝑅。
(二) 有效降水（𝑷
𝒆𝒇𝒇）於農業領域中指的是總降水的一部分，它留存於土壤中，為作物提供 潛在的有益或可利用水分。有效降水通常小於總降水，係因不是所有的降 水都會被作物利用，部分雨水不可避免地會被浪費掉，部分甚至會帶來破 壞性，而僅有部分降水可轉化為地表逕流或土壤入滲；隨著總降水隨天氣 型態產生變化，有效降水亦隨之變動（Dastane, 1978）。有許多不同的方法 可根據總降水來估計有效降水，CROPWAT 模型提供四個可選方法供有效 降水的估算，其中常被使用的是美國農業部土壤保護局所提供的美國農業 部土壤保持法（USDA soil conservation service, USDA SCS）方法（Smith and FAO, 1992）。
然而有效降水一名詞、在多個學科中具重疊但多元的解釋意義，除前 述農業領域之定義外，如氣象學中從降水頻率、數量、強度等評估有效降 水；水文學中更是將有效降水定義為既不保留在地表上、亦未入滲土壤的 降水，甚至與農業領域對有效降水的解釋意義恰好相反。上述顯示不同領
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域對於有效降水的具各自獨立解釋、量測方法也將因領域而異，而本研究 將根據水足跡評價手冊中之說明及水足跡評估對象為農業之稻作，將以農 業領域之 定義進行 有效降水 的估算（ Dastane, 1978; Chow et al., 1988;
Hoekstra et al., 2011）。
(三) 灌溉需水（𝑰𝑹）
灌溉需求（𝐼𝑅）由作物需水和有效降水之間的差值算出。若有效降水 大於作物需水量，灌溉需求即為 0。故𝐼𝑅 = 𝑚𝑎𝑥 (0, 𝐶𝑊𝑅 − 𝑃𝑒𝑓𝑓)，假定灌 溉需求得到充分滿足。因此綠水蒸發散（𝐸𝑇𝑔𝑟𝑒𝑒𝑛），為被作物所吸收利用之 降水的蒸發散，在有灌溉需求時將等於有效降水、無灌溉需求時將等於實 際的蒸發散量；換言之，綠水蒸發散等於總作物蒸發散量（𝐸𝑇𝐶）與有效降 水（𝑃𝑒𝑓𝑓）的較小值。藍水蒸發散（𝐸𝑇𝑏𝑙𝑢𝑒）為農田灌溉用水的蒸發散，等 於總作物蒸發散減去有效降水（𝑃𝑒𝑓𝑓）；但當有效降水超過作物蒸發散時，
其值為 0。
𝐸𝑇𝑔𝑟𝑒𝑒𝑛 = min (𝐸𝑇𝐶, 𝑃𝑒𝑓𝑓)（長度／時間） (3. 9) 𝐸𝑇𝑏𝑙𝑢𝑒 = max (0, 𝐸𝑇𝐶− 𝑃𝑒𝑓𝑓)（長度／時間） (3. 10) 故根據前述，稻作綠水足跡𝑊𝐹𝑟𝑖𝑐𝑒,𝑔𝑟𝑒𝑒𝑛（𝑚3/𝑡𝑜𝑛）定義如下式：
𝑊𝐹
𝑟𝑖𝑐𝑒,𝑔𝑟𝑒𝑒𝑛=
10×𝑚𝑖𝑛{𝐸𝑇𝑌𝐶,𝑃𝑒𝑓𝑓}×𝐴 (3. 11)本研究將以 MOD16 資料和前述逐步迴歸模型推估值作為作物總蒸發 散量（𝐸𝑇𝐶）進行計算，取代過去使用的氣象因子估算之參考作物蒸發散量 與作物係數之積；有效降水則以美國農業部土壤保持法（USDA SCS method）
來估算（Hoekstra et al., 2011），以降雨量 250 mm 區分：
𝑃𝑒𝑓𝑓 = {𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 × (125 − 0.2 × 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙)}/125, 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ≤ 250 𝑚𝑚
𝑃𝑒𝑓𝑓 = 125 + 0.1 × 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙, 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 > 250 𝑚𝑚 (3. 12)
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「產品中所含水份」因所佔比例甚低可忽略不計外，因此式（3. 11）計 算之成果即為稻作生產所需之綠水足跡。
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