陳琦玲1,4 蔡正國1 吳旻晃1 江志峰1 蔡志濃1 陳純葳1 陳健忠1 余志儒1 石憲宗1 陳淑佩1 蕭巧玲1 楊純明1 何佳勳1 姚銘輝1
張哲瑋1 吳泓書1 孫文章2 王瑞章2 吳文哲3
摘要
本研究之目的為探討氣候變遷對農業生態系之影響。由氣象資料顯示，雲林分場 1988 年至 2013 年呈現增溫之現象，而 2000 年至 2013 年各研究站平均氣溫並未呈現增 溫趨勢；雨量方面顯示在2010 年四月、2011 年四月及 2011 年 11 月之雨量有明顯高於 往年之情形。水稻產量部份，雲林分場與溪口農場之水稻產量與平均氣溫、生長積溫 之間無顯著相關，但可看出產量隨平均氣溫與生長積溫上升而下降的趨勢；全台15 個 試驗點之水稻產量亦與平均氣溫、生長積溫並無顯著相關，但仍可看出水稻產量隨平 均氣溫與最低氣溫上升而下降，反之隨最高氣溫上升而上升；DNDC 對水稻生產模擬 結果，未能呈現實際調查之南部產量高於北部之現象。水稻病害以稻熱病及紋枯病發 生最多，在慣行農耕與永續農耕間無顯著差異；甘藷僅發生白絹病，在慣行農耕試驗 田發生較輕微；落花生葉斑病在兩處理間發生情形相近，但銹病在慣行農耕發生率較 低；荔枝酸腐病僅在慣行農耕試驗田發生輕微。在指標昆蟲方面，兩處理均以六條瓢 蟲為優勢種，在年度間與多樣性方面則無明顯差異性。在雜草部份，永續農耕處理之 平均雜草密度、平均雜草生質量以及每株雜草生質量皆高於慣行農耕區；輪作區之平 均雜草生質量及每株雜草生質量高於連作區，而平均雜草密度則相反之。
關鍵詞：長期生態研究、慣行農耕、永續農耕、指標昆蟲。
前言
臺灣在自然生態系之研究以持續多年，在長期推展我國長期生態研究的學者金恒 鑣博士的推動下，於2006 年開始農業生態系之長期生態研究，並且與美國密西根州立 大學Kellogg Biological Station (KBS) 長期農業生態研究站維持合作關係。長期試驗之 目標在於探討符合生態觀念之農耕操作能否減少亞熱帶之主要作物系統化學物質之投 入。長期試驗之第一階段（95−100 年）在探討台灣幾種不同耕作制度之投入對生物多 1 行政院農業委員會農業試驗所。
2 行政院農業委員會臺南區農業改良場雲林分場。
3 國立台灣大學昆蟲系。
4 通訊作者 電子信箱：[email protected]；電話：04-23317407。
樣性之影響、生態系生產力維持之機制及其對環境之衝擊，並探求最佳管理模式；而 第二階段（101−106 年度）主要目的為長期觀測氣候變遷對病菌與害蟲族群生態及農 作罹病度之影響，及其對農作（水稻、花生與荔枝）生產之衝擊等，並獲悉農耕方式 之投入多寡是否影響氣候變遷之衝擊，以了解各對策對氣候變遷之可調適程度。
台灣長期農業生態研究站包括：(1)農試所嘉義分所荔枝原生種保存園 (2.5ha)：果 園生態研究；(2)嘉義分所溪口農場 (8.0ha)：雙期作水田與水旱輪作田生態研究；(3) 臺南場雲林分場(7.0ha)：雙期作水田與水旱輪作田生態研究。三個研究站的氣象資料 自2007 年起，加入美國長期生態研究網之 ClimDB 的氣象資料庫，成為 LTER 研究網 之一員。農業生態系有別於自然生態系，其試驗運作與管理均較自然生態研究站複雜，
美國26 個長期生態研究站，在農業方面亦只有 Kellogg Biological Station 一個站，該站 係屬於溫帶農業生態研究站，臺灣若能建立另一完整的亞熱帶的農業生態研究站，未 來除了了解我國農業生態系並提出管理法則外，亦可以與美國或其他溫帶者進行比 較，提供更多元的生態系資訊，以減輕人類活動對生態造成的衝擊。
全球暖化將會衝擊農作物的生產量，造成糧食安全問題。根據IPCC 第四次評估報 告 (IPCC, 2007) 指出，1906−2005 年以來每年全球平均上升 0.74˚C。為探討氣候變遷 對農業生態系之影響，本研究藉由台南區農業改良場雲林分場（以下簡稱雲林分場）
與嘉義農業試驗分所溪口農場（以下簡稱溪口農場）LTER 2007−2013 年研究站及全台 15 個試驗點 2012 年一期與二期作水稻生長期之平均氣溫 (Tave)、最高氣溫 (Tmax)、最 低氣溫 (Tmin)與生長積溫(GDDs)，進行長期氣象資料與南北部度差異對水稻產量間之 相關性評估。基於過往的氣候資料有限，本研究除了以 LTER 研究站資料評估多年氣 溫變化對水稻台南11 號產量之影響。此外，利用預測模式來預估在氣候變遷下水稻之 產量變化模型。
Denitrification-Decomposition (DNDC) 模式是在農業生態系統下，建立碳 (C) 與氮 (N)的生物化學流程的基礎模式 (http://www.dndc.sr.unh.edu/)。模式分為兩大部 分：第一部分，包含土壤氣候、作物生長、分解作用的模式，並且預測土壤的溫度、
含水率、pH 值、還原電位(Eh) 和各物質的濃度分佈；第二部分，包含硝化作用、反硝 化作用、發酵作用的模式，並且預測土壤與植物中二氧化碳 (CO2)、甲烷 (CH4)、氨 (NH3)、一氧化氮 (NO)、一氧化二氮 (N2O)、氮氣 (N2)的釋放量。模式本身透過物理、
化學定律和實驗下的經驗方程式合併並參數化出特別的地質化學或生物化學反應，而 整個模式的形成包含有碳 (C)與氮 (N)的生物化學循環與生態機制；土壤中之碳與氮含 量在植物體的成長中扮演很重要的角色，其會直接影響土壤中一系列的生物化學或地 質化學的過程。在DNDC 模式中藉由作物的參數，例如：最大產量、部分基質、碳氮 比、水稻需求溫度、水的需求、固氮含量，模擬出植物體每日的光合作用、呼吸作用、
碳分配、水與氮的攝取等，藉此驗證其與觀測值是否相符。
在作物重要病害部份，本研究於本所嘉義分所、溪口農場及台南區農業改良場雲 林分場設立長期農業生態園，針對水稻、落花生及荔枝等3 種作物，在不同耕作制度 (水 田, LL、水旱輪作田, LU)、不同施肥及施藥 (高投入, CA、低投入, SA) 處理下，長期 調查、分析關鍵病蟲害及天敵發生之動態，本研究除了可瞭解在農業長期生態系中病 蟲害及天敵之發生動態，並可探討在不同耕作制度下之生態系統中各主要因子間之交 互作用，以瞭解永續維持生態系生產力之機制及其對環境之衝擊。
在指標昆蟲部份，由於昆蟲 (包括作物害蟲與天敵) 為農業生態系中重要的成員之 一，其族群消長與農業生產息息相關，亦為農田生態系變異程度的重要指標 (Naeem &
Li 1997; Altieri 1999)。其中，害蟲天敵的生物多樣性與豐度更是評估農業是否能夠永 續經營的關鍵因子 (Schmitz 2007; Obrist & Duelli 2010)。簡言之，害蟲天敵在自然環 境下可以發揮抑制害蟲族群的功能，高投入(如大量施用農藥)的作物管理破壞了這項功 能，使得現今的作物生產模式陷入惡性輪迴的泥淖中。農業長期生態研究期望回溯至 以往的農業管理模式，並且找到一個平衡點，可以滿足人類對農產品的需求，亦幫助 農業得以永續經營。本研究參考美國密西根州立大學W. K. Kellogg Biological Station (KBS) 長期生態研究有關指標昆蟲調查之經驗，基於 (1)符合減少使用農藥的研究目 標 ；(2)已經確知瓢蟲為試區多種害蟲的重要捕食性天敵並且具有良好的搜尋獵物 (prey) 及遷移能力；(3)在研究人員能力所及與合理花費下進行調查工作，乃選定瓢蟲 為指標昆蟲 (indicator insect)，在農業試驗所溪口農場及台南區農業改良場雲林分場試 區之各處理區進行長期調查，建立基線資料 (baseline data) (Iperti & Paoletti 1999;
Zahoor et al. 2003)，期了解農業生產體系肥料與農藥的投入以及氣候等因子對害蟲天敵 族群的影響，幫助未來建立符合農業永續經營的作物管理模式。
在雜草相變遷部份，農田的管理措施將使農田內雜草相發生變化及變遷，造成原 因相當的複雜而多樣，因此在不同農耕體系或制度下的經營管理措施，不僅須考慮對 作物的效應，亦需關注對當時雜草相的影響。例如未經耕作與曾經耕作的水稻田將有 不同組成的雜草群落，有學者認為雜草相的改變並非作物耕種的次數增加所造成，而 係整地或水分管理不同引起(Kent et al., 2001)；又如亞洲某些地區當以直播方式種植 時，可使水稻田中的芒稷 (Echinochloa colona)、千金子 (Leptochloa chinensis)等一年 生 禾 本 科 雜 草 成 為 優 勢 草 種 ， 取 代 移 植 稻 田 經 常 出 現 的 鴨 舌 草 (Monochoria vaginalis)、細葉水丁香 (Ludwigia hyssopifolia)等闊葉草 (Ho & Itoh, 1991)。因此，對 於不同的農耕生態系及農耕操作，應當長期調查農田的雜草相，以施予合適的雜草管 理措施並避免生態環境的劣化。農耕的多種操作措施將對農耕生態系造成深遠影響，
所涉及的層面十分廣泛，對於週期循環變化的雜草而言，可能直接或間接影響雜草種
類及密度的發展，而對農田的經營管理層面，則將牽涉作物與雜草間的競爭關係，並
慣行農耕 (Conventional Agroecosystem；CA) 以現行之推薦管理方法進行耕作，
肥料用量如表2 所示；永續農耕 (Sustainable Agroecosystem；SA) 之肥料用量約為推 表1. 農業長期生態研究站基本資料。
Table 1. Information of three LTER stations on agriculture system
雲林分場 溪口農場 嘉義分所