全球溫暖化趨勢對臺灣地區溫室氣體排放量之影響Impact of Global Warming Trend on Greenhouse Gases Emission in Taiwan
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(2) 53. 全球溫暖化趨勢對臺灣地區溫室氣體排放量之影響. 一、前言. 二、溫室氣體特性. 2005 年因氣象災害造成全球經濟的損失 高達二千億美金，約等於我國 5 年的政府總 預算額度，若加上人員傷亡部份，是災害頻 傳和損失慘重的一年。雖然氣象災害不全然 是因為氣候變遷(其定義為因人類活動而導 致氣候異常改變)所導致，但越來越多證據顯 示，氣候變遷和氣象災害發生頻度(或強度) 有關。一般對氣候變遷的觀念，是因為排放 溫室氣體(greenhonse gas)，造成地球表面反 射之長波輻射無法排出蓄積於大氣層內，而 使全球氣溫昇高。依據統計，全球百年來陸 地溫度約上昇 0.5℃(IPCC 2001) ，此趨勢和 大氣溫室氣體濃度(尤其是二氧化碳)上昇趨 勢相一致。基於此原因，引發國際社會對此 議題的重視，1997 年在日本京都召開國際會 議，會中訂定”京都議定書”，希望以國際力 量共同防止或減緩溫室氣體的排放，同時訂 有各國減量負擔及經濟制裁，此措施將衝擊 我國經濟發展及農業生產。 農業生產過程中，溫室氣體有吸存及排 放兩種角色。由於農作物相較於森林作物有 較多人為耕作部分，包括作物選擇、種植方 式、施肥及水分管理等，較具增加吸存及減 少排放的潛力，以下簡介與農業有關之溫室 氣體特性、量測技術與限制，排放潛勢估算 模式，以及未來暖化對溫室氣體排放的影 響，特別探討農業生產如何減少溫室氣體排 放，及耕作制度改變以吸存更多大氣中二氧 化碳等，希望藉此介紹有助於讀者對此議題 的瞭解。. “溫室氣體”顧名思義即是造成“溫室效 應” (greenhouse effect)之氣體。但溫室效應 原為地球之所以適合人類居住的重要原因之 一，因為依據黑體輻射理論所計算之地球平均 溫度為-18℃，但就是因為大氣中含有 0.035％ (即 350ppm)的二氧化碳氣體(CO2)，吸收地球 反射的長波輻射，使熱能保存在大氣，使得地 球維持人類適合居住之+14.5℃。但至 18 世紀 工業革命以來，大量使用石化原料及森林砍伐 結果，使大氣 CO2 濃度大幅增加，同時其他 溫室氣體如甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)及氟氯 碳化物(CFCx)等能吸收長波輻射之氣體也大 量增加。其中，和農業有關的氣體包括 CO2、 N2O 及 CH4 三種，這些溫室氣體之特徵資料 如 Table 1 所列。表中所謂『生命周期』是指 溫室氣體在大氣中消減所需時間，CO2 在大 氣、土壤、海洋及植物以不同形式存在或轉 換，因此在大氣中生命周期較難定位；CH4 為 12.2 年，即目前排放一分子 CH4 至大氣中， 必需經 12.2 年後才會分解消失；N2O 更需 120 年(IPCC 1995)。濃度是比較目前(2005 年)和 工業革命前(1800 年)的差異，CO2 由工業革命 前 278 ppm，到目前 378 ppm，即兩百年來增 加 100 ppm，CH4 增加 1075 ppb，N2O 增加 44 ppb。而 CO2 如果不加以有效控制，每年 將以 1600 ppb 的速度成長，到本世紀末將高 達 530 ppm (IPCC 2001) 。 輻 射 作 用 力 (radiative forcing)是指溫室氣體截取輻射能 的能力，其中以 CO2 之 1.56 Wm-2 最高，CH4 為 0.47 Wm-2 居次，N2O 為 0.14 Wm-2 最低 (IPCC 1995)。. Table 1. The characteristics of greenhouse gases from agricultural fields. Species Carbon dioxide (CO2) Methane (CH4) Nitrous oxide (N2O). Life cycle (yr). Concentration (ppb). variable. 278000. 378000. 700. 1775. 12.2 120. 1800. 275. 2005. 319. Growth rate ppb. yr-1. Radiative forcing W ppb-1. W m-2. 1600. 1.8×10-5. 1.56. 8. 3.7×10-4. 0.47. 0.8. 3.7×10-3. 0.14.
(3) 54. Crop, Environment & Bioinformatics, Vol. 5, March 2008. 三、農業生產之溫室氣體釋放 全球溫室氣體排放之輻射作用力，農業 約占五分之一，如果加入土地改變則達到三 分之一(IPCC 1995)，其中 CH4 約佔 45 ~ 50%，N2O 約佔 20 ~ 70% (Mosier et al. 1998)。 溫 室氣 體 釋放 量可 由 不同 尺度 作 評 估，尺度大小涉及評估方法和精確度。目前 以大區域估算較為重要，因這可直接作為溫 室氣體估算基線與動態監測體系的建立，本 文即由區域估算模式及驗證方法作探討。. 二氧化碳 (carbon dioxide; CO2) 農作物吸收大氣 CO2 行光合作用生產碳 水化合物，是供給人類糧食最重要生化反 應。面對未來 CO2 濃度昇高，由作物生理觀 點是可增加生質量(biomass)累積，但是否增 加糧食生產則看法紛歧，原因即在於評估尺 度大小的差異。如果由單一葉片而論，因 CO2 和 O2 同 時 競 爭 Rubisco (ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase)酵素，氣孔內 腔 CO2 通量增加自然使固碳作用增加而呼吸 作用減少。但以單株尺度而論，則多增加之 碳水化合物不全然累積在經濟產量上，這涉 及植體對營養分配的機制。而若以田間產量 而論，則涉及之影響因素更多，如氣象災害 發生頻率，雜草競爭(同樣會因 CO2 增加而促 進生長)、病蟲害等。由目前田間提高 CO2 環境之模擬評估試驗結果，因 CO2 濃度增加 而 增 產 之 所 謂 ”CO2 肥 料 效 應 ”(CO2 fertilization effect)，可能會因其他因素而抵 消(Sasaki et al. 2007)。由上述說明可知氣候 變遷影響是全面性，需由不同層面作綜觀性 探討，所得到結果才能符合未來實際情景。 根據估算生態系每年經由光合作用固定 大氣 CO2 約為 61 Pg，但呼吸作用及由植體 殘 株 的 分 解 而 排 放 至 大 氣 之 CO2 約 為 60 Pg，因此植物僅 1 Pg 的積存，雖然這種估算 存 在 著 極 大 的 變 異 性 (Houghton et al. 1999)。所以若將 CO2 視為溫室氣體的角度，. IPCC 將農田釋放量視為零。但近年來有些研 究認為，農田經由土壤有機碳的累積，是碳 封 存 (carbon sequestration) 的 重 要 積 存 (sink)(Lal and Kimble 1997)。尤其將傳統耕 犁改變為最小或不耕犁方式，可增加土壤有 機碳含量(Lal 2001)。West and Post (2002) 估算由耕犁改為不耕犁，每年可增加有機碳 積存 57 gm-2，而輪作僅能增加 14 gm-2，由 此可知減少耕犁對於碳吸存的重要性。以美 國為例，農田不耕犁比例由 1995 年之 14.7% 增加至 2002 年 19.6% (Fawcett and Towery 2003)。同時，將邊緣土地或休耕地改種草地 或牧草，對於碳封存的潛力最大(Lal et al. 1999)，依據調查可耕地轉為牧地，碳封存可 達每年 1.01 Mg C ha-1，同時可使土壤有機碳 增加(Uri and Bloodworth 2000)。Mensah et al. (2003)調查農地轉種草地 5-12 年後，表土 (0-5 公分)碳含量增加 52.7%，而種植 30 年之 苜蓿地較附近農耕地之土壤碳素增加 114%。Su (2007)比較土壤質地對碳封存的能 力，作物改種苜蓿在表層土壤(0-20 公分)砂質 性 土 壤 增 加 碳 22.6-28.9% ， 砏 質 壤 土 6.08.2%，此結果是因為粗質地土壤起始碳含量 較低，有較大碳封存潛力。而將休耕地或受 污染之農地改種多年生草地或林地，可增加 農地之碳封存，但如果改種多年生農作物則 更有經濟價值，依據報載加拿大正進行培育 多年生小麥的研究，可減少耕犁頻率，使土 壤有機碳累積。另改種多年生能源作物，利 用宿根方式永續栽培也是可思考的方向。以 我國為例，種植甘蔗即是可思考之方式。. 甲烷 (methane；CH4) 甲烷主要產生於湛水環境的土壤內，包 括水田及沼澤地，而畜牧業也是甲烷排放主 要來源，不過本文並不討論此部分。潮溼土 壤 中有甲烷菌 (methanogens)分 解土壤 有機 物而使甲烷釋放至大氣中。水田中甲烷釋放 速率會隨季節、作物種類及氣候條件有不 同，目前臺灣耕地面積仍有約 30 萬公頃水稻.
(4) 全球溫暖化趨勢對臺灣地區溫室氣體排放量之影響. 田，因此甲烷釋放是農業溫室氣體排放重要 來源。水稻田甲烷的主要釋放途徑有三種： (1)由水面進行的擴散作用釋出，此途徑的逸 釋量最少；(2)水田土壤中以氣泡方式逸釋甲 烷，此種途徑約佔全部釋放量 50~70%，通常 在粗質地土壤中較為明顯；(3)經由水稻植株 傳輸將甲烷逸釋至大氣中，此途徑亦為重要 的逸釋途徑，其中大部分甲烷是由水稻的氣 胞組織中釋出(Aulakh et al. 2001)。 至於如何減少水稻田甲烷的排放，有多 種栽培技術可供嘗試。(1)改進供水方式。由 於氧氣在水中傳送速率僅為空氣中之萬分之 一，長期湛水使氧化還原電位下降，經由甲 烷 菌 作 用 而 將 土 壤 有 機 物 去 胺 化 (deamination)及去羧化(dacarboxylation)過 程進行而釋放出甲烷。因此，依據 Cole et al., (1997)評估水稻田水分管理，若縮短湛水時間 可減少約 50%之甲烷氣體排放，但水稻排水 前應避免施肥，以減少 N2O 的釋放。(2)種 植低甲烷釋放之水稻品種，這部分約可減少 20%之排放量(Sass et al. 1999)。(3)使用甲烷 生成抑制劑，如 Xu et al. (2000)以盆栽水稻試 驗 證 實 常 用 於 田 間 之 硝 化 抑 制 劑 hydroquinone 與 dicyandiamide 亦具有抑 制甲烷生成之效果。(4)使用直播栽培以減少 耕犁頻率，亦可降低水稻田溫室氣體之排放。 水稻田雖然是甲烷重要釋放來源，但以 碳封存的角度而言，卻能較旱田儲存更多有 機碳(Cai 1996)。主要原因為厭氧環境使有機 物分解不完全，厭氧菌大約分解 2-5%的碳， 但在通氣環境 30-40%的碳被分解(Alexander 1991)。Guo and Lin (2001)估算中國過去 600 年，將旱田轉為水田所儲存有機碳達 120-584 Tg。因此，水稻田對於碳封存具有極大潛力， 但與甲烷釋放間如何取得平衡則需要對耕作 系統作整體性規劃。. 氧化亞氮(nitrous oxides；N2O) 根據統計在 1972-1992 年間，全球肥料 施用量由 74 增加到 133 Tg，在此同期 NOX、. 55. N2O 和 N2 也 增 加 35%(Desjardins et al. 2007) 。 其 中 氮 肥 使 用 量 約 佔 肥 料 用 量 的 2/3，在 1990 到 2000 年間增加 10 Mt。氮肥 因肥料配方之故，使用效率常低於 50%，因 此 Oenema (1999)認為兩種農耕策略可減少 N2O 在農田的釋放。(1)減少氮肥的投入及增 加氮肥使用效率。這包括與豆科作物的輪 作，增加有機氮的使用，相對也減少化學氮 肥的施用。事實上，綠肥或有機肥可因土壤 細菌緩慢分解，有助於土壤品質及肥力，而 氮肥釋放速率常因施用時間、地點及氣候條 件而異，因此精準施肥也是重要減量措施。 (2) 減 少 肥 料 在 硝 化 及 脫 氮 過 程 所 產 生 之 N2O。這部分與農田水分管理有關，例如在 乾旱環境應避免使用尿素及無水氨 (anhydrous ammonia)，都是可減少農田氧 化亞氮的釋放。. 農業溫室氣體量測及估算 由於農作物和 CO2 之間有吸存(固碳作 用)和釋放(呼吸作用)二種，相關可供利用之 估算模式甚多，但模式大多是以作物生長估 算居多，需另作計算才可得到 CO2 之淨值。 模式所預估結果需經田間實際驗證才有意 義，但國內缺乏完整且連續性之實測資料， 這部分是目前溫室氣體監測執行的限制因 素。就量測技術而言，CO2 之吸存量以田間 通量(flux)量測作為實測值的來源，其原理是 利用統計學上共變異數(covariance)觀念，由 量測 CO2、水汽、垂直風速及溫度而得到各 種通量。這種方式以大面積田區為量測範 圍，具有非破壞性及長期監測的特性，為 CO2 監測或驗證的重要工具，此種方法同時是政 府 間 氣 候 變 遷 委 員 會 (Intergovernmental Panel on Climate Change；IPCC，為聯合國 下之研究組織，對氣候變遷議題具有權威性) 所推薦。 由於兩種氣體在大氣中濃度甚低(2 - 0.2 ppm)，CH4 及 N2O 實際田間排放量之量測 較受到限制。過去田間氣體實際量測是採用.
(5) 56. Crop, Environment & Bioinformatics, Vol. 5, March 2008. 靜置箱法(static chamber method)，即以不鏽 鋼製上下開口之鐵盒插入土壤中，深約 5 至 10 cm，上端開口嵌有一圈水槽，另以壓克力 製一面開口向下的五面密閉集氣槽，適嵌入 水槽內。取樣時開啟風扇攪拌，所採集氣體 樣 品 以 氣 體 色 層 分 析 儀 (gas chromatography)分析。這種方式優點為取樣 方便及成本低，缺點為點資料，同時取樣過 程容易影響觀測環境，即以密閉方式量測無 法反應大區域之實測值。目前 IPCC 建議以 氣象通量方式較適合，如上述 CO2 通量監測 方式，微量氣體偵測儀(trace gas analyzer) 以開放性及長期性監測所得到數據較能得到 正確之量測值以驗證模式的估算值，但缺點 是儀器購置成本偏高，且操作及維護不易。. 農業溫室氣體估算模式 針對溫室氣體排放 IPCC 曾提供一套估 算的公式，但過於粗略，僅以水旱田耕地面 積直接估算，未考慮各地之氣候及土壤之特 異性，因此有學者自行開發模式以供區域性 估算之用。有關於農田溫室氣體排放估算模 式之發展，早期是以廻歸關係建立排放量與 作 物 生 質 量 (Kern et al. 1997) 及 產 量 (Anastasi et al. 1992) 之關係式，後來以機制 型模式為發展重心，如 MERES (Matthews et al. 2000)、CENTURY (Parton 1996)及 DNDC (Li 2000)。以下簡述三種模式之特性。 MERES (Methane Emissions from Rice Eco System)模式是由英國 Cranfield 大學與 國際稻米研究中心(IRRI)共同開發之模式，特 別適用於水稻田甲烷釋放量的估算。MERES 模 式 開 發 部 分 係 依 據 CERES-Rice 模 式 而 來，該模式包含土壤有機物分解路徑、水分 管理和有機或無機肥料的施用等。水田甲烷 釋放主要是甲烷菌分解土壤有機物而來，有 機物分解包括前期作物殘留物、根分泌物及 現植作物死亡根的分解等。這些受質供給速 率的比例，由離子氧化態濃度測定，而這也 是受質甲烷化的潛勢值。甲烷釋放之動態模. 式即利用潛勢值，配合土層剖面根長分佈， 以計算氧氣和甲烷的通量。MERES 所需土壤 資料包括土壤 pH 值、有機碳濃度、土壤質 地、土壤鐵含量、土層容積密度(bulk density) 的平均值及各土層剖面可用水分的容量。 CENTURY 模式著重於作物-土壤間之營 養循環，包括計算碳、氮、磷及硫在土壤之 動態變化。同時估算各種溫室氣體之釋放量 外，特別適用於土壤有機物之估算，例如不 同耕地或栽培制度之碳封存能力即可透過此 模式作潛力分析(Hill 2003)。 DNDC (De Nitrification and De Composition)模式較適用於我國農田溫室氣 體之排放估算，主要原因是該模式普遍運用 在區域排放量估算上，特別是東亞有水稻生 產之國家。Cai et al. (2003)利用 DNDC 模式 探討東亞(包括日本、中國及泰國)耕作系統之 溫室氣體的排放。雖然，有些地區因特殊土 壤條件及水稻品種導致預測稍差外，但以較 長時間尺度(季或年)的估算則可符合各地的 實測值，可由相關評估結果也說明 DNDC 模 式是估算生態系溫室氣體釋放一項有效工 具。同時，Smith et al. (2002) 由加拿大不同 土壤和氣候環境作評估，發現 DNDC 模式所 作預測值較 IPCC 推薦之 N2O 釋放估算方法 準確。 建立適用於我國的農業溫室氣體推估模 式對於排放基線及氣體減量是相當重要。主 要原因為農業生產環境相當複雜，且受限於 時間及空間上之差異，模式可將各項因素加 以數值化或加權評估對環境影響，而得到面 化的數據。同時估算結果可作為減量策略及 作物栽培管理決策依據，因農業生產過程受 氣候、土壤、病蟲害及管理技術等所影響， 溫室氣體排放量同樣受到環境影響，因此減 量策略必須依據實際環境條件及栽培管理上 可行才足以推廣。畢竟農業生產直接影響農 民生計，模式所提供減量策略需符合現行耕 作制度，且在時間及資源有限下找出各種方 案之限制因素及因應對策。另一方面，建立.
(6) 全球溫暖化趨勢對臺灣地區溫室氣體排放量之影響. 模 式 所 得 到 推 估 值 可 和 地 理 資 訊 系 統 (GIS) 連結，作為動態資料更新之平台，並運用地 理統計之時間及空間分析技術，繪製農業生 產區溫室氣體排放潛勢圖，提供作為氣候變 遷衝擊評估、農業永續經營及農地利用規劃 等公共政策研究的基本資料。. 四、暖化對溫室氣體排放量之影響 IPCC 於 2007 年 2 月 2 日發布第四次氣 候 變 遷 的 摘 要 報 告 (summary for policy maker)，認為全球暖化現象有 90%以上的機 率是來自於人類活動的結果，並且預估在本 世紀末全球平均溫度將上升攝氏 1.1-6.4 度。 而所謂人類活動主要為溫室氣體的排放，但 相對的，暖化的結果也加速溫室氣體的排 放。IPCC 依據不同氣候情境預估未來溫室氣 體排放情形，以甲烷排放而言，南北極冰山 及深海有一甲烷巨大來源，由於甲烷與水分 子結合以低溫高壓方式存在，但若地球持續 暖化導致冰山溶解而將大量甲烷釋放於大氣 中，預估這將近有 107 Tg 甲烷的存量(Milich 1999)。依據 IPCC 預估若能由不同國家及部 門共同執行減量策略，在 2040 年甲烷排放量 將減緩，否則依目前每年增加速率成長，將 由目前約 570 Tg 達到本世紀末的 1150 Tg。 氧化亞氮排放量若不控制，將由 18 Tg 增加 至 26 Tg，但若透過國際共同力量減量則可恢 復至 1990 年水準。因此未來溫室氣體的排放 或氣候變遷的速度，依賴人類的努力程度而 定。 以農田溫室氣體排放而言，升溫使將土 壤中有機物加速分解，包括 CO2、CH4及 N2O 大量釋放。另暖化將使作物葉片之呼吸作用 增加，事實上呼吸量對作物影響極大，有文 獻指出氣候變遷對作物生長影響主要因夜間 溫度昇高，使作物呼吸速率加速，消耗作物 日 間 所累 積之 碳 水化 合物 所 致(Heinemann et al. 2006)。而甲烷來自於水稻田部分，由於 人類對稻米的需求，全球將以每年2.5%的稻 田增加速度(Bachelet and Gay 1993)。雖然增. 57. 溫使部分地區之水稻減產，但也減少緯度限 制，使水稻種植向寒冷地區延伸，尤其是中 國大陸及日本。另一方面，增加大氣二氧化 碳濃度有助於作物根部生長，根部滲出液 (exudates)增加，及增溫加速根圈微生物之活 性，間接使土壤的甲烷釋放量增加。事實上， 土壤甲烷的釋放和土溫有密切關係，溫度越 高 則 釋 放 量 越 多 ， 但 當 溫 度 高 於 35℃ 以 上 時，則釋放量減少(Parashar et al. 1993)。. 五、結語 京都議定書於 2005 年 2 月 16 日正式生 效，我國行政院於同年 4 月成立『氣候變遷 及京都議定書因應小組』 ，同時研提『溫室氣 體減量推動方案』 。依據該方案所規劃之第一 階段是與國際經驗接軌，並建立農業及森林 部門溫室氣體清冊估算、排放基線、減量情 境模擬、及成本與潛力估算等工作。目前國 際上評估農業溫室氣體排放及驗證方法如上 述說明，但農業溫室氣體評估是一件複雜工 作，因農業包括吸存及排放兩種角色，此問 題思考方向是應由大面積農田作週年觀測， 以輻射作用力淨值作為指標，配合排放估算 模式的利用，才能精準評估農業溫室氣體排 放量及氣體相互轉換的循環，以建立本土性 資料作為減量策略規劃依據。如何加強農業 對於溫室氣體吸存的潛勢，則是另一項重要 工作，尤其是對於土壤碳封存的研究及應 用，透過長期性作物選擇，減少耕犁頻率及 土壤施肥等耕作制度的改變，將大氣中二氧 化碳氣體轉換為土壤有機質。未來努力的方 向係將農業由溫室氣體排放源轉為吸存源， 以祈找出減緩氣候變遷及永續農業經營之雙 贏策略。. 引用文獻 Alexander M (1991) Introduction to Microbiology. Wiley. New York. 360 pp.. Soil. Anastasi C, M Dowding, VJ Simpson (1992) Future CH4 emission from rice production. J..
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聯合國（UN）氣候小組 9 日發佈指標性報告，表示全球暖化瀕臨失控邊緣，就算 各國極力減少碳排放，20 年內地球溫度仍將提高
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因受到太平洋高壓影響，全臺氣溫炎熱，各地氣溫屢創新高， 7 月 24 日更 在花蓮測得 40.2° C 高溫，亮起高溫紅燈。根據國民健康署統計，自 2022 年
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