國立宜蘭大學自然資源學系 碩士論文 Department of Natural Resources National Ilan University Master Thesis

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國立宜蘭大學自然資源學系 碩士論文

Department of Natural Resources National Ilan University

Master Thesis

應用能值分析方法評估台灣水田多樣性功能之價值

Emergy analysis on the multi-functional values of paddies in Taiwan

指導教授:阮忠信博士

Chung-hsin Juan Ph. D.

研究生:羅雅鈴

Lo Ya-ling

中華民國 95 年 6 月

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謝 誌

完稿在即,一時間百感交集。感謝業師阮忠信教授的多方指導及盡心 付出,令我得以一窺系統生態學之奧妙,帶領我進入生態經濟的新領域。

感謝口試委員施慈魂博士於百忙當中抽空對論文細心檢閱及修改建議,令 我在最後的修改階段不致手足無措、更有豐富收穫;譚智宏博士對水田相 關資料的提供及建議為論文內容的充實助益良多;王兆桓主任提供的寶貴 意見及補充建議為論文架構提供更完整的呈現;林亞立老師對論文格式的 細心指導。研究所就讀期間更是承蒙所上老師的悉心教導,家愷、阿蕾及 諸位同窗好友的相互勉勵,給了我這段日子的勇氣及熱情繼續奮鬥。

更感謝羅東國中所有教學夥伴的配合,尤其是學務處的同仁及眾家姊 妹們,感謝你們在我修課期間的諸多包容及配合,使我得以學業及工作兼 顧。最要感謝的是我的外婆、媽媽和爸爸,有你們的信心和無怨無悔的付 出,我才能勇往直前往夢想前進,感謝謝益、雅婷和謝慶,我最親愛的弟 妹們,為我分攤這兩年來家中的事務和分享我所有的喜怒哀樂。我願將完 成此篇論文的喜悅,與我最摯愛的家人共享。

羅 雅 鈴 謹誌於 宜蘭大學自然資源研究所 中華民國 九十五年 六月

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摘 要

水田除了能供應糧食生產外,亦同時有著多樣性的功能,它可以提供 棲息地、防洪蓄水、調節氣候、提供文化與心靈上之寄託與科學研究。然 而,由於時代的變遷與經濟型態的改變,水稻田的存續維護已成為政府與 全民共同之責任依歸。正確且全面的為水田價值進行評估,為投入維護水 田系統之主要依據。為達此目的,本研究以能值分析方法為主,進行水田 生態價值評估,並收集數種生態經濟分析方法之評估結果加以比較。

使用能值分析方法所建立的能值指標顯示台灣地區水田耕作系統之能 值產出比大於 1,同時比較勞務投入對水田系統之貢獻,顯示水田生態系統 之能值來源結構以勞務所佔比例最高。本研究中水田生態系統之環境負載 比為 1.00。代表水田系統對環境影響較低。環境永續性指標中顯示水田系 統之值為 1.10,代表其資源運用方式仍有待研究及改進之空間。同時,當 前一般水田系統之經濟收益僅 235 億元,而國民對水田生態系統願付價格 高達 1755 億元,以能值投入的角度分析水田系統投入能值為 474 億元。這 顯示政府如需兼顧經濟與環境生態之平衡,只要再投入部分經濟挹注於水 田系統,例如協助規劃休耕計劃、輔導農民發展有機農業如鴨間稻農法等,

本研究計算之鴨間稻農法耕作之系統,其不論是在能值產出比、永續指標、

經濟收益各項目,均優於目前一般水田耕作系統,對維持水田生態系統而 言,不但能使其達到與能值投入匹配之地位,更能同時維持生態系統及農 民生計,也同時完成國民七倍以上之期待。顯示能值分析對政策擬定實有 其實際上之價值。

關鍵字:水田生態環境、生態經濟、能值分析

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Abstract

The paddies can offer diverse ecological functions other than the food production. However, the values on their ecological functions are not directly appreciated by the economic market. Because the changes of times and

economy attitude, the sustainable using of paddy field are already becoming common responsibility of government and the whole people. Therefore, the purpose of this thesis is to evaluate the functions of paddies from all aspects, through the emergy analysis and the comparison of the results from the emergy analysis with those from the other ecological economic methods.

The results demonstrated the Emergy Yield Ratio (EYR) of Taiwan rice cultivation systems is greater than 1, and labor service is the highest in the proportions of the source structure for the paddy systems. The Environmental Loading Ratio (ELR) of the paddy systems was more than 1.00, which presented that the paddy systems were relatively low to the environmental impact. The index of Environmental Sustainability (ESI) is 1.10, which implied that the uses of its resources can be more efficient. In addition, the economic income of the present general paddy system is only 23.500 billion NT dollars, and the

Willingness-To-Pay (WTA) of the multiple functions of paddies in Taiwan is up to 175.500 billion NT dollars, but the total emergy investment in the paddy system is around 47.4 billion emergy NT dollars. The results from different methods shows that to balance with economy and environment, the government only needs to promote or compensate the economical income value to match the emergy investments, which will satisfy the public for that their willingness (to pay) is seven times higher than the investment (from the emergy view point).

The new comparative approach combined with different ecological economic methods can provide quantitative structural information for environmental policy to maintain the ecosystem, help the higher quality of the peasant's livelihoods.

Keywords:paddy ecological environment, economic, emergy analysis..

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目 錄

摘 要 ... i

Abstract ... ii

圖目錄 ... v

表目錄 ... vi

壹、前 言 ... 1

一、研究目的 ... 1

二、研究目標 ... 5

三、研究方法及流程 ... 5

貳、文獻回顧 ... 9

一、水稻田基本資料 ... 9

二、水田生態價值之研究 ... 13

二、能值分析相關研究 ... 23

參、材料與方法 ... 35

一、研究區域 ... 35

二、研究方法 ... 37

肆、結果與討論 ... 46

一、2004 台灣地區水田能值分析... 46

二、與其他生態經濟方法計算之水田價值之比較 ... 52

三、其他耕作方式之水田能值比較 ... 57

伍、結論 ... 63

一、研究結論 ... 63

二、研究建議 ... 65

參考文獻 ... 68

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附 錄 ... 73

附錄一 本研究中能值分析名詞定義 ... 73

附錄二 台北縣市水田資源能值評估表暨能量流動估算示例 ... 75

附錄三 宜蘭縣水田資源能值評估表(每公頃) ... 78

附錄四 桃園縣水田資源能值評估表(每公頃) ... 79

附錄五 新竹縣市水田資源能值評估表(每公頃) ... 80

附錄六 苗栗縣水田資源能值評估表(每公頃) ... 81

附錄七 台中縣市水田資源能值評估表(每公頃) ... 82

附錄八 彰化縣水田資源能值評估表(每公頃) ... 83

附錄九 南投縣水田資源能值評估表(每公頃) ... 84

附錄十 台南縣市水田資源能值評估表(每公頃) ... 85

附錄十一 雲林縣水田資源能值評估表(每公頃) ... 86

附錄十二 嘉義縣市水田資源能值評估表(每公頃) ... 87

附錄十三 高雄縣市水田資源能值評估表(每公頃) ... 88

附錄十四 屏東縣水田資源能值評估表(每公頃) ... 89

附錄十五 台東縣水田資源能值評估表(每公頃) ... 90

附錄十六 花蓮縣水田資源能值評估表(每公頃) ... 91

附錄十七 2004 宜蘭地區鴨間稻農法水稻耕作案例之能值分析表(每公 頃) ... 92

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圖目錄

圖 1-1 能值評估流程示意圖...6

圖 1-2 研究流程...8

圖 2-1 水田的經濟價值...18

圖 2-2 生態系統研究之階層...24

圖 2-3 由 Odum 定義的能量轉換層級...29

圖 3-1 台灣地區稻米產區分布圖...36

圖 3-2 一般水田生態系的系統圖...38

圖 3-3 能量流動三臂圖示例--巴西的蔬菜種植系統...43

圖 4-1 水田系統再生資源分配比例圖...47

圖 4-2 水田系統輸入資源分配比例圖...48

圖 4-3 台灣地區一般水田系統能量流動示意圖...50

圖 4-4 水田經濟價值比例分配...53

圖 4-5 台灣地區 2004 水田系統能值投入與經濟收入比較...55

圖 4-6 不同評估方法之水田價值比較...57

圖 4-7 2004 宜蘭地區鴨間稻農法水田耕作案例之系統圖...58

圖 4-8 2004 宜蘭地區鴨間稻農法水田耕作之能量流動示意圖...60

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表目錄

表 2-1 系統生態學的系統語言示例...27

表 3-1 能量流動計算示例-以 2004 台北縣市水稻田系統為例...42

表 3-2 本研究所使用之生態能值指標估算與意義...44

表 4-1 台灣地區 2004 年每公頃水田能值分析表...46

表 4-2 台灣地區 2004 年水田能量流動估算表...49

表 4-3 台灣地區 2004 年水田系統能值指標...50

表 4-4 台灣地區 2004 年水田經濟效益價值估計...53

表 4-5 台灣地區 2004 年水田經濟效益價值估計...54

表 4-6 2004 宜蘭地區鴨間稻農法水田耕作案例之能值分析表...59

表 4-7 2004 宜蘭地區鴨間稻農法水田耕作案例之能量流動表...59

表 4-8 2004 宜蘭地區鴨間稻農法水田耕作案例之能值指標計算...61

表 4-9 2004 台灣地區不同農法水田耕作案例之能值指標比較...61

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壹、前 言

一、研究目的

「An ecosystem is greater than the sum of its parts」。這段雕刻在紀念E. P.

Odum 雕像上的文字,正說明生態系統元件間彼此相依的重要性(Barrett, 2005)。地球上任何一種生態系統,均賴其內部元件間的交互作用而得以運 作,水田生態系統亦不例外。同時,系統所展現出來之功能,或曰價值,

就必須考量其內部元件間之能量流動及交互作用。

所謂價值,實為人類系統中對於事物評價之結果。一般而言,價值可 粗分為兩大類:使用價值與非使用價值。然而,實際要為自然環境之價值 進行評估,實難由傳統經濟市場中所謂之貨幣價格進行估算(Odum, 1996)。因為當自然環境之價值被評估時,必須綜合生態學理論與原則,生 態經濟學也就因應而生,生態經濟(Ecological Economics)為一跨領域學 門,由廣義角度,探討生態系統和經濟系統間的關係,並希望了解經濟系 統對生態系統之依賴與衝擊,以及生態系統對經濟系統反應之敏感度

(Costanza, 1989)。

一般在分析環境資源等非市場財貨(non-marketed)之經濟效益時,

會依據市場的有無分為三大類,若具有市場,則利用市場的資訊;若無市 場的存在,則利用替代市場建立一個假設的市場。因此可統計為下面三類:

(1)市場價值法(market valuation method):利用受到環境數量或品質改 變所影響之市場性財貨價格與數量變動的資訊來推估之;(2)替代市場價 值評估(surrogate market valuation method):因為衡量的物品並無直接的市 場,故觀察消費者在市場上消費與環境品質有關之財貨行為來推估環境數 量或品質變化所產生的福利變動,多用以推估使用價值;(3)假想市場價

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值評估法(Contingent Value Method,CVM):運用問卷建立假想市場,依受 訪者回應進行分析以了解其所具有經濟效益之方法(蕭等,2002)。

本研究將選擇其中的兩類評估方法,第一類,是偏向環境經濟觀點之 假想市場評估法,主要針對非經濟市場上的商品所採用的此種評估法中又 以付費意願程度(Willingness to pay)或接受意願程度(Willingness to accept) 法,最常被使用。此類型方法,主要是透過問卷詢問大眾的付費意願,並 加以統計分析,找到一個平均值以代表非市場價值物品或事件之價值(蕭 等,2002)。由於其建立的特定市場使以假設性的問題詢問受訪者之付費意 願或受補償程度,因此被稱為假想市場評估法或假設性市場價格法(汪等,

1999)。

第二類型,將採用偏向傳統經濟觀點,著重在使用價值中之工具價值 部分的替代價值法,這個方法主要原理是當某個生態系統被破壞時,該生 態系統原本具備的功能若欲以其他的方式補償,所需的花費(蕭等,2002)。 例如:水田如果消失,其防洪功能必須要另行設計滯洪池或是加蓋堤防等 方式以彌補,那麼這些工程的花費即是水田生態的功能價值,假設水田生 態有五項功能,就必須把這五項功能的替代方法一一找出,並計算替代方 法的價值,加以整合,即是水田的價值(阮等,2005)。

第三類型,也是本研究主要採用的方法,是著重在系統觀點與生態能 量的評估上,又稱之為「能值分析」,這個方法主要根源於生態學中的能量 流動分析,發展自系統生態學。這個方法的特色,是將生態系統與人類系 統置於同一個系統中思考,同步考量系統中所有的生產者-消費者-分解 者之間與系統外整體之能量流動。此方式不僅適用於自然系統,更適用於 人類社會等複雜系統,因為此法能將所有因子放在相同的單位(能值)上 加以評估衡量(黃等,1991;阮等,2005)。

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將三種方法作簡單之比較後不難發現,第一個方法容易顯現出人類的 心理上對於生態認同的程度,然而所提出的付費金額卻很容易受到問卷提 供之誘答資訊影響,而有所誤差。第二個方法所描述的是一旦生態失去後,

可能得付出的代價,但是事實上大自然有許多情況是不容易找到替代方案 加以計算的,而且其損失不僅僅在經濟方面,例如水稻自其他國家進口或 許更為便宜,然而損失的社會傳承功能及生活功能卻不易找出替換品。第 三個方法能將系統中的多方要件一起考量,或許更能清楚描述出生態功能。

亞洲季風盛行地區如台灣、日本、韓國,由於夏季高溫、雨水充沛,

水稻均屬主要糧食作物。在千年的栽培驗證下,已充分證明水稻在此種氣 候、環境下是最適合的一種農業型態。而支持水稻田生態系統的主要環境 除了能提供糧食之生產功能外,更蘊含有防止土壤沖蝕、防洪蓄水、減少 地層下陷、淨化水質、淨化空氣、調節氣候、生物多樣性保育、景觀與美 學的提供,以及參與文化、社會及宗教之學習、教育與成長之功能(蔡等,

2005)。因此,水稻田所能提供之服務,並非僅於提供糧食而已。其與溼地 同等之重要性,於國際上早已被認同。

濕地之重要性,或稱溼地之價值,可參考Mitsch & Gosselink合著之 Wetlands,書中說明,若欲以簡單的分類說明濕地之價值,可由以下三個觀 點出發-提供族群棲地、生態系統價值、區域與全球價值(Mitsch and Gosselink, 2000)。濕地除了能提供仰賴該環境生長之生物所需養分及棲息 空間外,亦可提供延緩暴雨災害、補助地下水等生態系統功能。若同時考 慮到維護水及空氣品質之功能,則溼地更可為所在區域甚至全球提供服務。

根據1971年2月2日,由IUCN(International Union for Conservation of Nature and Natural Resources)發起,於伊朗小鎮拉姆薩(Ramsar)簽署之 (Convention on Wetlands of International Importance especially as Waterfowl

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Habitat) --【世界重要濕地公約─特別是水鳥棲息地】中定義,水深6m以下 的區域,包括草澤、林澤、泥澤及水域,無論是自然的或人為的、永久的 或暫時的、其水為靜止的或流動的、抑或淡水、半鹹水或鹹水所構成的地 區;且包含低潮時水深不及6m的海域。此公約並於1975年獲得聯合國教科 文組織(UNESCO)認可接受。按照這個定義,濕地將包括沼澤、泥炭地、濕 草原、湖泊、河流、蓄洪區、河口三角洲、淺灘、水庫、池塘、水稻田以 及低潮時水深不超過6米的海域地帶等地區(Ramsar, 2006)。

足見水田除了能供應糧食生產外,亦同時提供多樣生態的功能。今日,

生態之重要性已經普遍被認知。水田如同溼地,除了能供應糧食生產外,

更有著多樣性功能,它可以提供棲息地、防洪蓄水、調節氣候、提供文化 與心靈上之寄託與科學研究。這一點,可由聯合國大會宣布2004年為國際 稻米年,並由國際農糧組織FAO擔任主導工作,整合並主持多項國際稻 米研究計劃(國際農糧組織第三十一次大會通過之2/2001號決議)之舉而 知其重要性。

台灣的農業屬於小型精緻農業,人力的投入甚高,以往政府單位對水 田農業的政策多為關稅保護及直接補助(廖,1994)。然而,在我國加入世 界貿易組織WTO(World Trade Organization)之後,未來我國必須履行WTO 諮商之承諾,調降農漁畜產品之進口關稅,消除目前所採管制進口、限地 區進口及削減境內補貼等保護措施,短期內,將對國內農業產生不利之影 響。然而完全由市場機制決定我國農業之未來發展,尤其是水稻田系統,

放任其自然消失或移為他用,其所具有的生態及社會功能將一併消失。因 此,吾人如何定義水田之價值,又如何在現今人類發展政策中考慮其價值,

而做出最正確的評估,便成為本研究主要方向。

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二、研究目標

(一)以 2004 年台灣地區慣行農法耕作之水稻田為例,利用能值分析 方法建立水田之能值評估結果。

(二)根據所收集之水田生態系統能量流動情形建立能值指標,進行 相關討論。

(三)收集以其他生態經濟方法針對水田多樣性功能之評估結果進行 比較。

(四)計算採用其他耕作方法施作之水田系統之能值分析結果,並建 立相關指標後,與慣行農法耕作之水稻田參照分析,並提供建議。

三、研究方法及流程

本研究將以台灣地區 2004 年水田耕作系統為研究範圍,採用生態經濟 學家 H.T.Odum 的能值分析方法進行評估。並收集利用其他生態經濟方法進 行水田價值評估之相關研究,與能值分析方法結果進行比較,以求更多面 向的了解水田價值。

(一) 能值分析研究方法及流程

Odum 提出的能值分析流程包括:

1.文獻資料收集-以了解歷史紀錄中系統的投入與付出。

2.系統圖的繪製-以完整了解研究區域的影響因子。

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3.建立能值分析表-將能值流動情況加以量化。

4.建立能值指標-以進行政策的評估與建議。

圖 1-1 能值評估流程示意圖(Odum, 1996)

(二) 相關水田生態經濟評估資料收集

將針對水田非使用價格部分所作的研究進行收集,以了解除市 場經濟價值之外水田所具有的生態價值所轉換之市場價值範圍及 其重要性。

(三) 研究內容

1.資料收集及文獻回顧內容:

4.4. 建立建立能能值值指指標標 ...

...

...

1.1.文文獻獻資資料料收收集集

2.2.系系統統圖圖的的繪繪製製

3.3.建立建立能能值值分分析析表表

5.5. 進進行行公公共共政政策策應應用用評評估估

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本部份將收集有關水田的基本資料、前人關於水田的生態經濟 評估成果、系統生態學發展沿革及應用能值分析的相關研究。

2.能量系統圖的繪製:

依收集依不同耕作方式施行之水田背景資料包括資源及成本 投入、產品輸出等繪製系統圖。

3.製作能值分析表及能值指標:

根據系統圖及收集之資料進行能值分析,將能量流動轉換成太 陽能值統一單位進行比較。並建立相關的能值指標進行分析。

4.結論與建議:

利用能值指標所建立的結果,評估水田系統對自然環境的影 響,並建立其經濟價值。同時與其他生態經濟評估法之結果進行比 較後提供建議。

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(四)研究流程圖

圖 1-2 研究流程 研究動機與目的

資料收集

文獻回顧

繪製能量系統圖

製作能值分析表

選擇相關能值指標進 行分析探討

相關研究比較 水田相關生態

經濟研究回顧

能值分析相關 研究回顧

結論與建議

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貳、文獻回顧

本研究之研究目標為了解水稻田耕作系統所具有之生態經濟價值,並 建立水稻田耕作系統之能值分析及其指標。因此,本章重點將分成兩個部 分,第一部份將收集有關水田生態價值之相關研究,包括生態與經濟兩面 向。第二部分將針對以系統生態學為主的生態能量分析研究及應用於農業 之相關文獻回顧。在生態能量分析的探討部分,並將收集有關系統生態學 的起源與發展、應用於農業系統的實用性、能值分析方法及應用指標的建 立。

一、水稻田基本資料

(一)水稻之基本資料

稻(Oryza spp.)是草本類稻屬植物的統稱。為一年生,禾本科植物,

單子葉,性喜溫濕,成熟時約有 1 到 1.8 米高,葉子細長,約有 50 到 100 公分長,寬約 2 到 2.5 公分。稻米的花非常小,開花時,主要花枝 會呈現拱形,在枝頭往下 30 到 50 公分間都會開小花,大部分自花授粉 並結種子,稱為稻穗。一般稻穗的大小在 5 到 12 毫米長,2 到 3 毫米 厚度(吳,1994)。

稻生長的最北限是中國的黑龍江省呼瑪。但主要的生長區域是中國 南方、台灣、日本、朝鮮半島、東南亞、南亞、歐洲南部地中海沿岸、

美國東南部、中美洲、大洋洲和非洲部分地區,中國北方沿河地區也種 植稻。也就是說,除了南極洲之外,幾乎大部份地方都有稻米生長(呂 等,2005)。

根據聯合國農糧組織農業統計資料庫 2003 年統計資料,全世界的

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稻作產量達 5 億 8900 萬噸,其中亞洲占 5 億 3400 萬噸的產量。

(二)台灣水稻田之耕作特性

1982 年世界稻米研究者為統合稻米生產的型態,並便利以後的育 種與研究,擬將水稻的生產型態進行劃分,於是在國際稻米研究所的主 導規劃下,於 1984 年依照稻米生產環境中水分的多寡劃分成五大生態 系統,後經多次修改現將其規劃為四大生態系統,分別是

1.灌溉稻生態系統(Irrigated rice ecosystem)

2.降雨低地稻或看天田低地稻生態系統(Rainfed lowland rice ecosystem)

3.陸稻生態系統(Upland rice ecosystem)

4.深水稻生態體系(Flood-prone rice ecosystem)。

台灣屬於灌溉稻生態系統,特徵是以土堤邊界作田間區隔,田間整 地成泥漿狀後進行栽植,栽培期間並有水源進行灌溉者。另外此生態系 統的大部分區域均有充足的水源供應,高日射量、較少的病蟲為害且較 高的勞務投入,也因此單位產量較高。全世界約有七千九百萬公頃的水 田屬於此種生態系統,約佔全球稻作面積之 55%,多數集中於東亞地區 (43%),平均公頃產量約為 3~9 噸,而有 75%的世界稻米供應由灌溉稻 生態系統所生產。由於台灣氣候特性涵蓋熱帶及亞熱帶,水稻一年可種 兩期,部份地區甚至可達三期稻作。根據整理自台中區農業專訊資料,

一般而言台灣地區的水稻栽培過程如下(許等,2004;廖,2004;賴,

2004;呂等,2005):

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1. 選種

品種影響產量及品質甚大,因此,必須先了解稻田環境條件(例 如氣候、土壤肥力、病蟲害發生…等)並熟知各品種之特性,然後 才能做適當之選擇。目前栽培的優良品種,例如梗稻有台農六十七 號、台梗八號、台粳九號等品種;秈稻有台中秈十號、台中秈十七 號等品種。

2. 育苗

一般而言機械化栽培技術發達之國家通常採用直播,優點是省 工省時、效率高,但生育較不整齊。台灣採用的是移植栽培,即先 於室內進行秧苗培植,第一期作播種後 18~20 天,第二期作播種後 10~12 天,可以育成移植用之 2.5 至 3 葉適齡秧苗。此法優點是移 植成活率高、生長旺盛、初期分蘗能力強,進而促進抽穗整齊,但 所需人工花費較高。

3. 整地

前期作物收穫後應立即實行初耕翻犁曬田,以促進土壤風化,

有機物之分解及有毒物質之釋放;初耕後表土需保持乾燥狀態才能 達成風化效果。並於插秧前七至十天灌溉浸水,前三天施基肥,再 進行第二次耕耘,使土壤成為泥漿,並予耙平。

4. 插秧

為避免影響水稻之成活株數、抽穗及成熟整齊度。會挑選所謂 的插秧適期,意指在此時期插秧能避開低溫冷害,或將來水稻抽穗 及成熟時能避開梅雨、寒流或東北季風等影響,以穫得較高產量;

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插秧適期一期作為一月中旬至三月下旬,二期作為六月下旬至八月 上旬。插秧之行株距一般為 30*16 或 28*16 公分(視插秧機的種類 而定),插秧深度約 1~2 公分。

5. 施肥

水稻在生長過程中必須於適當時期施用適量肥料以增加水稻 產量及提高稻米的品質。因施肥時期不同可分為基肥、追肥及穗 肥。施用時期大致如下︰

(1)整地前施基肥。

(2)第一次追肥:第一期作於插秧後 12~15 天施用、第二期作 於插秧後 8~10 天施用。

(3)第二次追肥:第一期作於插秧後 25~30 天施用、第二期作 於插秧後 15~20 天施用。

(4)穗肥:第一期作於插秧後 60~65 天施用、第二期作於插秧 後 40~45 天施用。

6. 田間管理

(1) 灌排水管理:

配合水稻的不同生育階段,給予適當灌排水管理不但可以 節省用水量,又可提高養分的有效性及稻根活性,進而促使水 稻生育健旺,具有增產及改善品質之效果。一般來說,在插秧 初期及分蘗期間,一般是保持淺水的狀態約 3~5 公分,以促進

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根群之發育與早期分蘗。有效分蘗終期至幼穗形成始期應讓田 土乾燥而略為龜裂狀態,以供給氧氣及促進稻根向下生長,以 利稻株後期養分吸收及抗倒伏,所以採輪灌或間歇灌溉。幼穗 形成始期至幼穗形成終期,因對養分與水分之需求量較高,故 應採行 5~10 公分之深水灌溉。孕穗期時為使土壤通氣良好,促 進根系強健,採用每 3~5 日輪灌一次。開花期至充實期,約需 5~10 公分的水深,以利水分將稻株所吸收氮素及養分轉移至稻 穀,以澱粉型態儲藏,促使稻穀充實飽滿。直至收穫前 5 至 7 天排水,以利收割作業實施。

(2) 雜草防治:

台灣地區由於農村勞力不足、工資昂貴,目前稻田很少用 人工除草,大多採用殺草劑除草。

(3) 病蟲害防治:

水稻生育期間受到病蟲害侵害,而影響稻米產量及品質,

所以除選擇抗病蟲害品種外,目前台灣地區一般水稻田耕作為 節省人力以使用農藥滅蟲為主。

由此可看出,稻米的種植形成了特別的水管理方式,並產生了對環境 有益的結果。例如山區的梯田是使用造池技術的典型結果,此技術可以有 效防止水土流失和邊坡滑動。此技術的另一優勢是其防洪能力,梯田的圍 埂具有很高的蓄水能力,可以減少暴雨的洪峰流量。稻田常年蓄水的狀態,

還可以使得水分滲透並補充地下水,甚至有利於其他類型的水資源利用。

二、水田生態價值之研究

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濕地是整個地球上生產力最豐沛的生態系,涵蓋了所有河口、灘地紅 樹林、沼澤林、沼湖等高產量的區域。除了豐沛的生產力外,濕地在整個 地球環境中,更提供了許多重大功能如:調節洪流、提供水源、補充地下 水、防止地表及地下水的海水入侵、保護海岸、保留養份、保育沖積土、

清除毒物、產生能源、蘊育並生產天然資源、水上運輸、基因庫、棲所及 野生動物保育、自然景觀、研究機構、休閒旅遊、區域生態系調節等(Mitsch and Gosselink, 2000)。

根據 1971 年 2 月 2 日,由 IUCN(International Union for Conservation of Nature and Natural Resources)發起,於伊朗小鎮拉姆薩(Ramsar)簽署之 (Convention on Wetlands of International Importance especially as Waterfowl Habitat) --【世界重要濕地公約─特別是水鳥棲息地】中定義,水深 6m 以 下的區域,包括草澤、林澤、泥澤及水域,無論是自然的或人為的、永久 的或暫時的、其水為靜止的或流動的、抑或淡水、半鹹水或鹹水所構成的 地區;且包含低潮時水深不及 6m 的海域。此公約並於 1975 年獲得聯合國 教科文組織(UNESCO)認可接受。按照這個定義,濕地將包括沼澤、泥炭地、

濕草原、湖泊、河流、蓄洪區、河口三角洲、淺灘、水庫、池塘、水稻田 以及低潮時水深不超過 6 米的海域地帶等地區(Ramsar, 2006)。

根據資料顯示,米是世界上一半以上人口的主食。僅在亞洲,就有 20 億人從稻米及其副產品中攝取 60%- 70%的所需能量;在非洲,稻米是增 長最快的糧食來源,對越來越多的低收入又缺乏糧食的國家極為重要。稻 穀生產系統及相關的收穫後經營,為發展中國家農村地區的近 10 億人提供 了就業,世界稻米的五分之四是由低收入國家的小規模農業生產者種植 的。因此,有效、高產的稻穀生產系統對經濟發展、改善生活品質至關重 要,對農村地區尤其如此。(IYR, 2006)

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1999 年,國際稻米研究所(International rice research in statutes,IRRI)的 科學家對稻米發展中存在的嚴重問題日益感到擔憂,這些問題包括稻穀生 產正面臨嚴重障礙,其中包括個別生產增長率下降、自然資源消耗增加、

農村從業人口下降和環境污染。提高稻穀生產系統的可持續性和生產效 率,並同時保護環境,需要民間社會做出承諾和政府及政府機構間採取行 動,於是請求與聯合國農糧組織(FAO)合作,共同發起國際稻米年。

聯合國大會隨後在 2002 年 12 月 16 日宣佈 2004 年為國際稻米年。為 一種單一作物設立國際年,是聯合國大會史無前例的舉動。FAO 並應邀與 其他相關組織一起,協調稻米年的實施工作,共同為水稻田的未來努力,

足見其重要性。

另外,在經濟合作發展組織(OECD)1999 年舉行之農業部長級會議

(Meeting of the Committee for Agriculture at Ministerual Level)中,日本提 出農業多功能性的具體功能包括(林,2005):

(一)國土保育(Land conservation)

1. 防洪:水田具有涵養水源的功能,可預防與減少洪水損害。

2. 防止土壤流失:透過田壟的修補與有機物質的投入,可使土 壤更為肥沃且較不易流失。

3. 防止土石崩塌:水田使灌溉水均衡的流入下層土壤進而維持 地下水水位的穩定;水田廢耕將導致上述功能喪失,雨季時 大量降水將引發土石崩塌。

(二)糧食安全(Food security)

維持農業適當生產水準,將可避免無法預期的意外或臨時性的國

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際供需失調。此外,亦可藉由消除民眾對糧食缺乏感到的憂慮,確保 社會的安定。

(三)涵養水源(Fostering of water resources)

多數水田的灌溉水將滲入地底,其中部分將流入河川,六一部分 則流入地下成為地下水,當農業無法涵養水源時,將需另外花費經費 取得水源。

(四)自然環境保育(Preservation of the natural environments)

1. 處理有機廢棄物:食物殘餚與人體排泄物可作為肥料提供給農 業系統作為種植作物之有效用途。

2. 分解與消除污染物質:透過土地耕作,大量的有機物質可被土 壤中的微生物所分解、轉換,減少對環境之污染。

3. 淨化空氣:植物的生長可吸收污染的氣體,進而淨化空氣。

4. 維護生物多樣性及保育野生動植物:水旱田中可孕育各種動植 物,並可透過食物鏈維持穩定的生態系統。

(五)維持及活化鄉村地區(Maintaining and revitalizing rural community)

在以農業為主或工商業發展不易的地區,農業發展可促進該社區 與地方的繁榮進步,並促進城鄉發展的平衡。

(六)文化傳承(Transmitting culture)

鄉村地區不僅從事農業生產,同時也保存與傳承耕作文化,包括

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衣服、飲食、生活習慣、科技、教育、藝術、道德規範、宗教及政治 等,都可妥善的被保留下來。

(七)鄉村休閒(Rural amenity)

都市居民可到農村地區欣賞景觀與親近大自然,享受都市地區缺 乏的豐富休閒景觀。

(八)地理景觀的形成(Formation of landscape)

由於農村地理景觀、歷史及文化經由農民長期的經營與演變,形 成具地方特色的鄉村景緻與地理景觀,進而形成國家之景觀特色。

若我們對水田的多樣性功能進行分類,可以將其經濟價值分為使用價 值(use value)與非使用價值(non-use value),其中的使用價值又包括直接使 用價值(direct use value)與間接使用價值(indirect use value),非使用價值包 括選擇價值(option value)、存在價值(existence value)和遺贈價值(bequest value)。整理如圖 2-1。

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圖 2-1 水田的經濟價值

直接使用價值包括消費性的生物資源商業價值,如作為糧食、建材、

柴薪等,以及非消費性的價值如休閑遊憩效益。間接使用價值包括生態資 源提供棲息地、防洪蓄水、調節氣候、提供文化與心靈上之寄託與科學研 究等。而在非使用價值中,存在價值指的是保留生態資源所需付出的代價,

也有人稱為倫理價值(ethical value);遺贈價值是指保留子孫對生物資源的 水田的經濟價值

使用價值 非使用價值

直接使用價值 間接使用價值 選擇價值 存在價值 遺贈價值

消費性價值 非消費性價值

糧食、建材、材薪 休閒、遊憩、健康 功能性價值 生態功能調節氣候防洪蓄水 保有未來使用權利所需付出的代價 保留自己未來使用生物資源之選擇權所需付出的代價 亦稱為倫理價值 保留子孫對生物資源之使用權所需付出的代價 亦稱為遺產價值亦有人將之歸類在使用價值

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使用權所願付出的代價,亦稱為遺產價值(heritable value);選擇價值則是 指保留自己未來使用生物資源之選擇權所需付出的代價,因此也有人把這 部分價值歸類在使用價值內(施,2000;蕭等,2002;鄭,2005)。

經濟市場中均以貨幣為媒介,價格變成了價值的外在評估單位。事物 的價值透過價格而市場化,對於不具市場價格的功能性價值,如空氣、溼 地、水、自然景觀等非市場價值(non-market value)之產品,生態經濟學家 莫不竭盡所能為之貼上價格標籤以利了解其價值。然而,生態系統與人類 活動間的相互關係並不只是單純的制定價格過程那麼簡單,雨林中的甲蟲 因為市場價格趨近於零而絕跡、森林卻可以因為富含礦產而受到保護(施,

2000)。但不具市場價格的甲蟲卻是生態系中的一環,對維持生態系統平衡 有所貢獻,因此,價格不能單純的代表其所具有的價值。如何正確的為這 些具有非市場價值特徵之產品進行經濟上的評估,以協助農業政策訂定,

便成為重要課題。一般說來針對非使用價值部份的效益,生態經濟學家較 常採用的方法有假想市場評估法 (Contingent Value Method,CVM)及替代 價值法(Replacement Value Method)。

(一) 假想市場評估法(Contingent Value Method)

假想市場評估法最常運用付費意願程度(Willingness to pay;WTA) 或接受意願程度(Willingness to accept;WTA)。支付意願與接受補償意 願的概念為環境資源價值的貨幣評估提供了基礎。意願調查法通常以 家庭或個人為樣本,通過建立假想市場,以調查問卷方式或直接訪談 方式詢問被調查物件對一項環境改善措施或防止環境惡化措施的支付 願望或忍受環境惡化的接受補償意願,然後通過統計處理方法,得出 環境資源的貨幣價值評估(蕭等,2002)。

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因為假想市場評估法可以同時估算使用者和非使用者的使用價值 和非使用價值,因此適用範圍廣泛,舉凡景觀遊憩價值、空氣品質、

河川水質、以至於野生動物保護價值之估算都有許多實際運用的實證 研究。然而假想市場評估法的研究也會受到問卷的設計、訪談者與受 訪者間引導對答影響而有所偏誤,因此在設計問卷前必須針對議題進 行完整的調查及謹慎的設計並輔以良好的推估模型,方能提高研究成 果之有效性與可靠性(蕭等,2002)。

然而在進行假想市場評估法的付費意願評估時必須注意,如果被調 查者相信他們的標價會被收集作為實際支付的依據,他們通常會低估 其支付意願。因為只要其他人願意支付更多的價格,“搭便車"者總 能分享環境改善所帶來的利益。這種動機將會誘使所有人都降低其標 價。相反,如果被調查者相信他們的標價純粹是假想性的,並認為這 樣的調查結果會影響實際決策進程,那麼,他們就很可能會高估其支 付意願。因為,他們認為這會增加環境品質改善的可能性。同時,當 被調查者在假想市場進行評估時,如果其評估價值與真實價值有著系 統差異,那麼就產生了假想市場偏差。假想市場偏差是意願調查法中 比較普遍出現的問題。畢竟假想市場不可能再現真實市場的所有重要 特徵。因此,當要求被調查評估一個並不熟悉且不在市場上交換的產 品價值時,其偏差容易出現,必須注意。

(二) 替代價值法(Replacement Value Method)

由於環境品質之惡化將會造成某些自然資源或財貨、服務及資產需要 更新或修護,故可藉由這些更新或修護的支出額推估環境品質之經濟成本

(蕭等,2002)。例如:水田如果消失,其防洪功能必須要另行設計滯洪池 或是加蓋堤防等方式以彌補,那麼這些工程的花費即是水田生態的功能價

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值,假設水田生態有五項功能,就必須把這五項功能的替代方法一一找出,

並計算替代方法的價值,加以整合,即是水田的價值(阮等,2005)。 此法的優點在於替換成本之計算容易,於環境品質評估中結果之說明 亦易於說明,因此適用範圍廣泛。然而此法亦有其限制性,例如新替換之 財貨、資產或服務,必須與原來的財貨有相同的功能或是替代品;所替換 的財貨必須是基於環境品質改變而不是正常損耗所造成的。另外,更新財 貨或資源之替換成本只能衡量人類為了延續其享用特定環境品質而願意支 付的最低額度,因此,替換成本通常只能當成願付價格的最低估計值(蕭 等,2002)。

(三)運用此兩種方法於水田功能的相關研究資料 1.水田的生產效益

(1)黃宗煌(1991)運用條件估法進行之研究,研究如果糧食 自給率由目前的 82%下降至 60%、30%、0%時,為使糧食自給率 維持在目前的 82%的水準,每人每年所願意付出的選擇價值分別 為 474 元、790 元、948 元。比較此一條件下自產稻米的價值分別 為每公斤 6 元、10 元和 12 元。

(2)陳明健、闕雅文(2000)利用假想市場評估法,評估當糧 食安全程度由降低 1%到 4%再回復到目前的水準時糧食安全效益 為每月 99,561,612 到 180,962,357 元間、同時進行環境保育效益 評估,其價值為 180,384,342 到 311,113,936 元間。

2.水田的生態效益

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(1)嚴宗銘(1994)運用替代評估法進行評估,得到民國 81 年水稻田防洪量為 10.7 公噸,價值為 110.3 億元。同年涵養水資 源價值為 224.32 億元。淨化大氣效益約為 291.61 億元。

(2) 吳淑麗等人(1996)運用替代成本法評估發現水田每期每 公頃水源涵養效益約為 22 萬元、防洪效益約為 2.8 萬元、吸收熱 能約為 134 億元。

(3) 吳淑麗等人於 1999-2000 針對水田外部經濟效果,運用假 想市場評估法進行問卷調查。得出台灣地區居民為維持水田調洪蓄 水功能願付金額為 26.4 億元,為維持水田防止土壤流失的功能願 付金額為 25.3 億元。約為台灣地區該年度稻米產值的 1.12 倍。

(4)陳鈞華等(2003)針對桃園地區進行深水灌溉對地下水涵 養貢獻之願付金額,每年每家庭為 2208.1 元,將此金額乘以該區 家庭總戶數得出總評價為 10.627 億元。約為該區稻米年產值之 0.493 倍。

3.生活效益

(1)李宏育(2001)利用假想市場評估法進行,保留台中彰化 地區農村公益機能之研究,得出每人每月支付意願總額為 10.7 億 元。未來台中彰化地區保留一半(約 6 萬公頃)農地的公益機能每 年每月支付意願總額約為 9.1 億元。台中彰化地區五萬公頃的農地 造林轉為生態保育用途每人每年支付意願總額為 11.2 億元。

(2)鄭蕙燕(2005)經由假想市場評估法進行相對於水稻田廢 棄之景觀,評估水稻田景觀價值介於 12.8 億元至 19.5 億元之間。

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相對於農田改建房舍之景觀經濟價值則為-1.8 億元至 27.3 億元。

二、能值分析相關研究

(一)生態能量分析回顧

本節將整理以 Odum 於生態經濟理論中所發展的能值分析方法為 主,進行一般性研究之相關論文。包含系統生態學之發展沿革及其重 要組成、Odum 的生態經濟理論、應用於農業系統分析之適用性。

1. 系統生態學的發展沿革

在提到系統生態學的發展沿革之前,不可避免的,要先了解 生態學所指為何。生態學(Ecology)的定義眾家說法不一,所著 重之處亦多有不同。生態一詞一般相信起源於希臘字(oikos)意 指居家、家常之意。而生態學就可以解釋為研究生物與所在環境

(家)間的科學(童,2004)。而關於生態學正式的定義,目前以 Elton(1927)的定義最廣為接受-生態學為一研究動、植物之習 性與其棲地間關係之學問(金,2002)。其後在許多科學家的努力 之下,生態學的研究進化的不僅僅只是生物與棲地之間的關係而 已,還包含了能量及營養鹽流動間交互作用。因此,二十世紀中葉,

E.P. Odum 綜合近一世紀對生態研究之內容後,將生態學定義成「研 究生態系統及功能之學問」(童,2004)。

Odum & Barrett(2005)進一步釐清生態的結構主要由生物性

(biotic)與非生物性(abotic)兩部分因子構成。生物部分包含的 是,生態主要這些研究生物組成與環境間的科學,在闡述生物組成 與生存環境間的交互作用時同時說明了生態系統(ecosystem)的

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功能,例如生物利用能量的過程(光合作用、呼吸作用等)、生物 的適應方式、以及生地化循環(biogeochemical cycle)的過程。

因此而衍生出的生態學即是為了解自然界(nature)各種變化 的科學,其研究範圍甚廣。可以是只研究單一個體與環境間的個體 生態學(autoecology),也可以是研究群體與環境間關聯的族群生 態學(population ecology),甚至是推展到數個群落與其生存環境 間的群落生態學(community ecology)。這些生態學的分支彼此之 間更有著尺度上的關聯(如圖 2-1)。也就構成了生態系統中的階 層性(hierarchy)。

圖 2-2 生態系統研究之階層

在研究系統的階層關係時,一開始是先由組成系統的各階層間 生物的互動為主,接下來才將生物間互動關係之結果套入到與周圍 環境的依存關係,最後將整個系統合而為一,也就是包含所有生態 系統的生物圈(biosphere)。所以在生物圈的這個系統中可以見到 環環相扣的本質。換言之,生物圈這樣的系統就是由各種不同的組

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成份子所構成許多子系統間相互作用產生鏈結的系統(Odum, 1983)。這些系統組成份子之間有一個特色就是,由於交互作用的 關係,彼此結合之後所產生的效果,往往是大於他們每一個個體所 單一呈現的。例如溼地生態系中,每一種植物除了提供初級生產量 之外,它們所形成的草澤也將提供生物棲息、淨化水源等功效。

生物圈這樣的系統還有一個很大的特色,就是生物圈並非是一 個封閉的系統,而是一個開放的複雜系統。雖然其中物質的循環有 可能因時因地而暫時中止而封閉,但一但將尺度放大,就能夠發 現,其實地球上所有系統與系統間都有輸出及輸入的行為不斷的在 進行著。

同時在觀察整個生態系的交互作用時,也能歸納出一個重點,

那就是能量的進出,是在每一個生態系中都存在的。尤其是以地球 而言,甚至能歸納出所有能量都來自太陽能這樣的結論。地熱、風、

雨、生質能、化石燃料這些能量都是千百年來太陽能的轉換所致。

這些能量就這樣隨著生物圈中營養層級間的轉移而傳遞,各級消費 者間再依序從被消費者處得到所需的能量,這種傳遞方式就形成生 態系統中不同生物組成的能量階層(energy hierarchy)關係(童,

2004)。

在能量傳遞的過程中,都必須遵守熱力學三大定律-能量守恆

(封閉系統中能量不會無中生有亦不會突然消失只是在不同的狀 態間轉換);所有的轉換過程中必產生熱的耗散(沒有功是能完全 轉換的,必有空熱損耗,所有轉換過程都會趨向最大亂度 entropy 熵);當溫度接近絕對零度時,分子呈現晶體狀態時就不會有任何 耗散能量的動作,此時的熵值定義為零。因此生態系中所有能量的

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傳遞過程裡,來自太陽能的部分被低營養層級的初級生產者所固定 後,只有極少數的能量可以被轉換在較高的能量層級裡,這也就是 Odum 所提到的能量品質(energy quality)的概念。(Brown et al, 2004;Hau et al, 2004)

為了要發展出一套適合描述系統的模式,以方便對生態系統有 更進一步的研究。Odum 提出一套依據一般系統原則及遵循熱力學 定律的學說,亦即系統生態學(Systems Ecology)。並發展出系統 語言及圖示,以界定系統間能量進出及交換的過程。提出最大功率 原則、自我組織、及回饋、脈衝等機制,以完整了解關於系統間的 動態平衡的概念。

2. 系統生態學的重要概念

(1)系統語言(systems language)

所謂系統語言,是一套用以解釋及說明系統間物質與能量 流動的過程與系統間相互關係之圖示。因為要了解生態系統所 有元件間的關係,透過具有制度化的圖示加以說明不但清楚,

更能幫助使用不同文字的研究者了解其他系統所代表之意 義。表示方法主要是以不同之符號及顏色區分其所代表之元件 及相互間關係,其符號示例請參考表 2-1。另外在顏色部分-

黃色代表資源投入,例如太陽、風、雨水等;綠色代表生產者;

藍色代表儲存;紅色代表消費者、都市或其他高能換率之元 件;紫色代表金錢(Odum, 1996)。

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表 2-1 系統生態學的系統語言示例(整理自 Odum,1996)

包 含 物 質 及 能 量 的 來 源 source

producer

熱 耗 散 heat sink

consumer

儲存 storage

能 量 去 向 energy circult

交 互 作 用 interaction

交 易 價 格 transaction

金 錢 流 動 money flow

(2)能值(Emergy)

能值指的是形成產品或服務過程中直接或間接投入應用 的有效能的總量。也可以說是能作功一焦耳的某物質其歷史過 程中所需的能量,代表的是能量的品質。單位:emjoule。前 面提過,在地球系統中最重要的能量來源就是太陽能,許多現 今使用的能源均是累積太陽能的結果,例如燃煤來自古代厥 類,而厥類之生長需仰賴太陽行光合作用,因此能值在絕大多 數的情況下都是轉換太陽能的歷史過程,我們稱之為太陽能值

(solar emergy),其單位以 sej(solar emergy joule)表示。以 太陽能值表示的好處在於,當所有的能量都轉以相同的太陽能 值在表達時,可以用同樣的單位作比較(阮,2004)。

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(3) 能換率(Transformity)

可以做功的一焦耳能量所使用的能值,稱為能換率。也就 是同一物質的能值與能量比。單位:emjoule/joule。同時,由 於地球上所有的能量都來自於太陽,因此 Odum 將太陽能的能 換率定義為 1。例如,在牧場中,假設有 1E+4 J 的太陽能參 與植物之光合作用,此時牧場系統中使用的太陽能投入能值就 是 1 × 1E+4 sej,形成的青草被牛食用後最後形成牛肉,這些 牛肉在估算完其脂肪及蛋白質所佔比例後,再轉換得熱量單位 J;joule,若此例中牛肉之能量貢獻為 100 J,那麼牛在這個系 統中的的能換率,也就是在每焦耳牛肉所使用的太陽能值為 1E+4 sej / 100 J 等於 100 sej/j。

我們也可以發現,生態系裡,不同食物網階層中的生物其 轉換太陽能值的比值不同,越是在生態系統中越高階的消費 者,其每單位能量所使用的太陽能值就越高,能換率也就越 高,常常相鄰兩單位就可以相差數十倍。因此,Odum 將其取 對數之後可以很明顯的看出不同階層之間的級序,也就是所謂 的能量階層理論(Energy Hierarchy Theory)。指的是在地球系 統中所有的能值流動都來自太陽能是相同的,但是能量的流動 卻會因為階層的增加而遞減,也就是說不同的層級的能量流動 其所具有的能量品質是不同的(Odum, 1996; Brown et al, 2004)。

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圖 2-3 由 Odum 定義的能量轉換層級(改繪自:Abel,2003

說明:(A) 單元和範圍的空間觀點,(B)包含能量轉換和回饋機制的 網絡,(C)在網絡中能量集中而成能量的鏈結,(D)在能量層級不同層級 上能量流的長條圖,(E) 在相同層級上的能值流,能值流在每一個路徑

上都是一樣的,但是能量流動是隨著不同階段而遞減的。

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(4) 自我組織(self-organization)

系統會利用能量發展結構和組織的過程。也就是說系統會 發展出最有用的能量轉換過程,以達到最大效率。在組織的過 程中會不斷的能量或物質的流出與流入,在動態中尋求平衡 點,這一點在許多開放的動態系統諸如包涵環境和社會經濟系 統的都市、農村、溼地和其他生態系統獲得證明(Cai et al, 2004)。同時在這本書「從繁榮到沒落」(A Prosperous Way Down)中, Odum 並提出一套推論,說明我們當前的社會將 如何進行自我組織使得有效能源在未來的減低(Tilley, 2004)。

另外,在系統自我組織的過程中,通常也會伴隨著回饋

(feedback)機制的發生。發展良好的回饋機制可以將系統中 的耗散降到最低,這樣的過程就容易達到系統中最有效利用的 情況(Tilley, 2004)。

(5) 最大能值功率原則(Maximum Em-Power Principle)

所有系統都有傾向較前一個系統更有效率使用環境能量 的趨勢,就是所謂的最大能值功率原則。從達爾文的進化論 起,就提到物競天擇及適者生存的論點。然而天擇從何而始?

誰又才是最適者呢?Lotka 在觀察湖泊生態系統後提出,系統 若要能演替到極盛相,就必須有最有效的利用環境能量的方 法,稱之為最大功率原則(Maximum Power Principle),類似 於達爾文所說的物競天擇中的適者。然而,最有效率或曰最佳 化之情況,在現實生態系統中並不復見,也就是並沒有一個生 態系統會達到所謂的最盛相,通常當生態系統發展到一定程度

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後會有所謂的發展限制,在此限度之前,其所具有之系統我們 稱之為極盛相。之後 Odum 提出以太陽能值取代能量的最大能 值功率原則,說明系統在利用太陽能值時會有趨向最佳利用的 趨勢,以趨向極大化取代所謂的完成最大化更適於說明如生態 系之複雜系統(Odum, 1996; Brown et al, 1996; 2004;Cai et al, 2004)。

同時 Odum 也觀察到當系統趨向最大能值功率時,將有能 值匹配(emergy-maching)的現象發生。亦即當系統的自我組 織在發展適當的回饋以傾向保持系統的穩定,以達更有效率的 利用能源時,系統中的能量流動會和該系統所需求的能值相匹 配(Juan & Chang,2005)。

(6) 生地化循環(biogeochemical cycles)

Odum 指出,生物地球化學循環和能量位階轉換的連結解 釋了對於光線的不均質的分配或是物質流的收集。當自我組織 聚集結合出較高能階能量到中心時,物質也在生產過程中聚 集。因為可運用的資源在能源聚集中都會衰減,所以在能量轉 換的每一個連續步驟中能量流都會減少。同時要注意的是這些 物質與能量的循環,都會和生物利用有關,同時也隨著整個地 球生態系統的循環有關例如洋流、行星風系、板塊運動等,所 伴隨著就是一連串的化學變化。因此,Odum 認為要探討生態 系統的能量流動,不可避免的一定要了解關於生物-地球-化 學間的關聯。(Odum, 2001; Tilly, 2004; 阮,2005)

(二)運用能值分析方法進行之相關研究

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1.密西西比河流域之能值分析

Odum(1987)將能值分析方法用於評估密西西比河流域能量系 統。蒐集有關流域內之經濟流動如石油、燃料;自然資源如太陽、

雨、風等;及外部投入之勞力與服務等資料。繪製系統圖、製作能 值分析表,並加以探討變動前後的系統差異。同時也模擬分析自 1980 至 2280 密西西比河流域內資源的流通以作為政策建議。

2.瑞典溼地開發案之評估

Folke(1991)以能量流動的觀點,評估瑞典近年來對濕地開發 所造成的能量損失,並進一步計算人類為這些損失需付出的成本,

以反映溼地對人類系統的貢獻。

3.湄公河水壩建造計劃評估

Brown & McClanahan(1996)利用能值分析方法評估湄公河上 計劃建造的水壩對泰國整體經濟系統的影響。在研究中比較了以水 力發電為主的水壩雖然可以提供經濟系統中的能量輸入,但是其所 攜帶之泥沙沉積物對下游生態及經濟上的產生的影響卻不容小覷。

4. 集水區整治策略分析

郭祝瑛(2003)在「應用能值分析方法探討水庫集水區整治策 略-以德基水庫為例」研究中利用相關能值資料,針對水庫集水區 中點源與非點源污染的部分進行研究,以作為整治計畫之配套,包 括結構性與非結構性的設施提供管理政策上的考量。

5.都市發展與相關環境之關係

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林奕岑(2005)「應用能量分析探討都市發展變遷與河川之關係

-以淡水河流域為例」,透過能量觀點,建立淡水河流域中四個次系 統之河川-都市能量流動的型態、轉變,以了解河川與都市發展變 遷影響。

6.單一地區農業生態系統評估

沈善瑞、陸宏芳等人(2004)利用能值分析方法對廣東省珠江 三角洲三水市農業生態系統經濟能值的直接消耗系統和完全消耗系 統進行分析。分析結果發現三水市的主要農業生態系統基礎為種植 業,漁業和畜牧業都在種植業的基礎上發展,而林業子系統相對於 其他子系統,對三水市農業生態系統內部物質能量交流網路屬於相 對薄弱的環節。並提出調整農業子系統間利用方式之建議,以調高 整體系統的功能和效率。

7.區域性農業生態系統生產力能值分析

董孝斌、高旺盛等人(2004)以黃土高原丘陵溝壑區典型之小 流域紙坊溝為案例,應用能值方法了解自然生態系統與農業系統間 關係。說明紙坊溝流域經 20 年整治後自然環境之初級生產力上升,

並為農業生產系統提供生產的基礎。然而由於生態系統與農業系統 間配合程度不佳,使得能量無法有效轉移,導致農業生產系統能值 的潛在經濟價值及農戶的現實經濟收入低下。建議調整農戶種植結 構及產業配置以促進系統生產力效能轉化。

8.不同農法耕作系統之能值分析

阮忠信、羅雅鈴、及 Manual B. Vivas(2005)比較台灣與哥倫

(42)

比亞不同水田耕作方式包括台灣地區一般慣行農法、有機農田耕作 法、鴨間稻農法及哥倫比亞粗放式農耕方式之能值分析。結果顯示,

哥倫比亞因採粗放式輪作,對環境負荷較低,然其產值亦較低。台 灣的三種耕作案例中,則以鴨間稻耕作方式之產值最高同時對環境 負荷亦為最低。

(43)

參、材料與方法

一、研究區域

本研究以台灣地區傳統慣行農法施作之水稻田為主,台灣地區包 含本島及圍繞本島的島嶼。台灣島呈現紡錘狀外形,長軸南北走向,

長約三百八十五公里,東西最大寬度為一百四十三公里,全島面積約 為三萬六千公里。受新生代造山運動影響地勢崎嶇,中央山脈是台灣 本島的脊樑山脈,也是台灣島東西兩斜面間的主要分水嶺,同時將本 島分為東西兩部分,西斜面寬度約為東斜面的兩倍,因此造成自中央 山脈東下的河川短急。西斜面則自高聳的主要山嶺進入較低的麓山帶 後,再往西降為廣大的上升台地。西部麓山帶以西的廣大濱海平原緊 位在台灣海峽的東緣,南北長約二百四十公里,東西寬約四十五公里。

中央山脈東面為海岸山脈,與中央山脈間隔以一條狹長的裂谷稱為東 台灣裂谷(地理上稱為花東縱谷),此裂谷長約一百五十公里平均寬度 小於五公里(何,1997)。

根據中央氣象局 1971-2000 間統計資料顯示,台灣的氣候長年如 夏,年平均降雨量約為兩千五百公釐,年平均溫度約在攝氏 20 至 25 度之間。冬季時的東北季風、夏季時的西南季風以及六月至十一月的 颱風,為全島帶來豐沛的降雨。冬季溫暖、夏季炎熱、雨量多為台灣 氣候的三大特色。

並依據 93 農業統計年報資料,整理台灣地區各縣市稻米耕作面積 如圖 3-1,依圖中整理資料得出台灣地區主要稻米產區為分布於西部平 原、花東縱谷、以及位於東北部之蘭陽平原等地。

(44)

圖 3-1 台灣地區稻米產區分布圖

(45)

二、研究方法

本研究將利用「能值分析」此一生態能量評估方法進行水田經濟活動 之能量流動。同時與採用另外兩種經濟評估方法所計算出來之水稻田價值 作比較,以了解由能量觀點出發之評估方式與市場經濟價格為分析依據的 評估方法之間之歧異度。

(一)能值分析

本研究將採用生態能量評估方法,又稱之為「能值分析」進行水稻 田的能量流動估算。這個方法的特色,是將自然生態系統與人類系統 同樣置於一個系統中思考。在計算上,主要考慮的是能量的流動,在 系統生態學的理論基礎下,對於人類與自然共同永續發展之目的,可 以形成一個整體發展的架構。

(二)能值分析步驟 1.建立系統圖

在進行能值分析之前,必須先找出欲研究系統的主要元件,並 以系統生態學之圖像語言繪製系統圖。圖 3-2 為一般水田生態系的 系統圖。

(46)

圖 3-2 一般水田生態系的系統圖

以此圖為例,在一般耕作方式的水田生態系統中,最大的長方 形框架代表本系統範圍,左邊代表的是自然資源的投入,包括有太 陽、降水、風;上方代表的是系統外的投入,包含有灌溉、肥料、

農業機具、勞務投入等;系統內則有稻田扮演生產者的角色、土壤 負責儲存養分及水分、人類為主要消費者、銀行負責經濟面的流 動。箭頭代表能量流動方向,一般的表示方法為左進右出,彼此間 依真實情況或有交互作用、或有交會。人類經濟系統的貨幣流動則 用虛線表示。最後系統間所有元件間之作用都必定伴隨熱的耗散,

此部分用較細的黑線及箭頭表示。

2.建立能值分析表

根據系統圖,計算各項因子輸入之能值。參考 Odum(1996)環

(47)

境會計帳之方法,進行能值分析的步驟概述如下:

(1) 列出其主要能量來源,包括輸入之可更新資源(陽光、

風、雨等)不可更新資源(土壤、動力等)、貨物及勞務(器 材、人工等)。

(2) 計算各資源之流動量:能量以焦耳為單位;物品以質量 單位表示(公克、公斤);勞務以貨幣單位表示(NT$)。

(3) 將各資源轉換為共同之能值單位,以表示其在總體經濟 價值中之角色。

以本研究中的台北縣市水田能量流動計算為例加以說明。計算 出之能值分析表及計算方式如下列:

在可更新資源部分,從系統圖的整理中可以歸納出有太 陽、風、降水及灌溉水化學能等部份。分別收集並整理宜蘭地 區 2004 年之相關資料,計算方式參考 Odum(1996)年編製 之環境會計帳一書。

(1) 太陽能:因各地日照時數不同,計算方式為參考中央氣 象局日照時數統計數據以及每分鐘單位面積上累積之太 陽能(太陽常數)。

(1)

(2) 風力:風能的計算方式和台灣平均風速、空氣密度、阻 能量= (太陽常數)(面積)

= 1.96cal/cm2/min)(1614.3*60 min/yr

4.187 J/cal)(1E+8 cm2

= 7.95E+13 J

(48)

抗係數及摩擦係數有關。

(3)降水化學能:系統中水平衡是一連串的熱量平衡的過程,

而如此過程不會是完全的功能轉換,而會有熱的耗散發生

(亦即 entropy)。要描述如此的狀態轉換過程需計算其自 由能函數,在此我們採用的是 Gibbs free number 計算降水 所具有的化學能(Odum, 1996)。

降水化學能= (降雨量)(單位面積)(水密度)(Gibbs free number)

= 2829.8 mm/yr)(1E-3 m/mm)(10000 m2

1E+6 g/m3)(4.94 J/g

= 1.40E+11 J

(4)灌溉水化學能:計算原理同降水化學能,將降雨量改成 灌溉深度加以計算。

灌溉水化學能= (灌溉深度)(單位面積)(水密度)(Gibbs free number)

= 3.73 m)(10000 m2)(1E+6 g/m3)(4.94 J/g

= 1.84E+11 J

系統外投入部分針對肥料、種苗、各類藥品及農具農舍分 別計算,主要資料來源為 2004 農業統計年報及 93 年稻穀生產 統計。此部份均以價格作為計算基準,計算方式為一、二期稻 穀生產成本與兩期耕作之面積進行加權計算,其中面積部分因

風之動能= (空氣密度)(阻抗係數)(風速÷摩擦效應係數) 3(單位面積)

= (1.3kg/ m3)(1.0E-3)(4.8 m/s3) 3)(3.14E+7s/y)

= 2.09E+11 J

(49)

部分地區並非兩期均耕作,因此全年度收穫總面積以兩期中之 最大值為該縣市之收穫面積以避免重複計算(阮等,2005)。

例如:

肥料成本

第一期成本M1= 5212 NT$/ha 第二期成本M2= 5313 NT$/ha 第一期收穫面積A1= 574 ha 第二期收穫面積A2= 302 ha

兩期稻作平均肥料成本=M1 × A1+ M2 × A2)÷ Max(A1,A2)

=5212 × 574 + 5313 × 302÷574

= 8.01E+03 NT$/ha

其餘系統外投入,包括種苗、各類藥品、農具農舍及勞務 投入的計算方式均同。

經由上列計算方式,計算完個別資源之能量流動後,參考 Odum(1996)環境會計帳書中整理之不同能源之能換率並加 以計算,計算方法為資源流動量乘上能換率。例如,本例中灌 溉水化學能之能量流動值為 1.84E+11 J 乘上灌溉水化學能之 能換率 41068 sej/j 後,可得本例中之灌溉水化學能為 7.57E+15 sej。必須注意的是,系統外總自然資源投入能值部分,前述提 到地球上所有系統能源均來自太陽能,因此為避免重複計算,

上述能量流動取最大值。本例計算結果,可再生資源投入總能 值即為採用灌溉水化學能之 7.57E+15。

最後,將表 3-1 中自然資源投入最大值及其他輸入資源之 太陽能值加總,即可獲得該系統中之總能值產出,本例中台北 縣市總能值產出值為 1.10E+16 sej。

另外,本研究欲了解稻穀在台灣地區慣行農法耕作系統中

(50)

之能換率為何,將總能值產出除以總稻穀生產能量,得出本系 統中之稻穀能換率為 1.01E+05 sej/j。

欲了解系統中各項資源流動之貨幣價格單位,也就是將其 換算成台灣總體經濟價值之計算方法為,該項太陽能值除以 2004 年之能值貨幣比(EMNT$ ratio)。以灌溉水化學能為例,

其太陽能值使用為 7.57E+15 sej,則其轉換成能值新台幣

(EMNT$)等於 7.57E+15 除以 30000000000 等於 2.52E+05 EMNT$。

表 3-1 能量流動計算示例-以 2004 台北縣市水稻田系統為例

資源類別項目 資源流動量 太陽能換率 太陽能值 總體經濟價值 (單位/年) (sej/unit) ( sej/Y) ( 2004 NT$)

可更新資源

1 太陽;J 7.95E+13 1 7.95E+13 2.65E+03 2 風;J 2.09E+11 623 1.30E+14 4.34E+03 3 降水化學能;J 1.40E+11 15444 2.16E+15 7.20E+04 4 灌溉水化學能;J 1.84E+11 41068 7.57E+15 2.52E+05

系統外之資源投入

5 肥料;NT$ 8.01E+03 3.00E+10 2.40E+14 8.01E+03 6 種苗;NT$ 9.18E+03 3.00E+10 2.75E+14 9.18E+03 7 各類藥品;NT$ 7.42E+03 3.00E+10 2.23E+14 7.42E+03 8 農具農舍;NT$ 1.40E+03 3.00E+10 4.20E+13 1.40E+03

勞務

9 勞力;NT$ 8.72E+04 3.00E+10 2.62E+15 8.72E+04 能值產出

10 總能值產出 1.10E+16 4.44E+05

稻穀生產量與能換率

11 稻穀; kg 6.47E+03 1.70E+12

稻穀; J 1.08E+11 1.01E+05

數據

圖 2-1 水田的經濟價值  直接使用價值包括消費性的生物資源商業價值,如作為糧食、建材、 柴薪等,以及非消費性的價值如休閑遊憩效益。間接使用價值包括生態資 源提供棲息地、防洪蓄水、調節氣候、提供文化與心靈上之寄託與科學研 究等。而在非使用價值中,存在價值指的是保留生態資源所需付出的代價, 也有人稱為倫理價值(ethical value);遺贈價值是指保留子孫對生物資源的水田的經濟價值 使用價值 非使用價值 直接使用價值 間接使用價值 選擇價值 存在價值 遺贈價值 消費性價值非消費性價值糧食、建材、材薪休閒

圖 2-1

水田的經濟價值 直接使用價值包括消費性的生物資源商業價值,如作為糧食、建材、 柴薪等,以及非消費性的價值如休閑遊憩效益。間接使用價值包括生態資 源提供棲息地、防洪蓄水、調節氣候、提供文化與心靈上之寄託與科學研 究等。而在非使用價值中,存在價值指的是保留生態資源所需付出的代價, 也有人稱為倫理價值(ethical value);遺贈價值是指保留子孫對生物資源的水田的經濟價值 使用價值 非使用價值 直接使用價值 間接使用價值 選擇價值 存在價值 遺贈價值 消費性價值非消費性價值糧食、建材、材薪休閒 p.26
表 2-1 系統生態學的系統語言示例(整理自 Odum,1996)  包 含 物 質 及 能 量 的 來 源 source  生 產 者producer  熱 耗 散 heat  sink  消 費 者consumer  儲存 storage  能 量 去 向 energy circult   交 互 作 用 interaction  交 易 價 格transaction  金 錢 流 動 money flow  (2)能值(Emergy)  能值指的是形成產品或服務過程中直接或間接投入應用 的有效能的總量

表 2-1

系統生態學的系統語言示例(整理自 Odum,1996) 包 含 物 質 及 能 量 的 來 源 source 生 產 者producer 熱 耗 散 heat sink 消 費 者consumer 儲存 storage 能 量 去 向 energy circult 交 互 作 用 interaction 交 易 價 格transaction 金 錢 流 動 money flow (2)能值(Emergy) 能值指的是形成產品或服務過程中直接或間接投入應用 的有效能的總量 p.35
圖 2-3 由 Odum 定義的能量轉換層級(改繪自:Abel,2003 )

圖 2-3

由 Odum 定義的能量轉換層級(改繪自:Abel,2003 ) p.37
圖 3-1 台灣地區稻米產區分布圖

圖 3-1

台灣地區稻米產區分布圖 p.44
圖 3-2 一般水田生態系的系統圖  以此圖為例,在一般耕作方式的水田生態系統中,最大的長方 形框架代表本系統範圍,左邊代表的是自然資源的投入,包括有太 陽、降水、風;上方代表的是系統外的投入,包含有灌溉、肥料、 農業機具、勞務投入等;系統內則有稻田扮演生產者的角色、土壤 負責儲存養分及水分、人類為主要消費者、銀行負責經濟面的流 動。箭頭代表能量流動方向,一般的表示方法為左進右出,彼此間 依真實情況或有交互作用、或有交會。人類經濟系統的貨幣流動則 用虛線表示。最後系統間所有元件間之作用都必定伴隨熱的耗散,

圖 3-2

一般水田生態系的系統圖 以此圖為例,在一般耕作方式的水田生態系統中,最大的長方 形框架代表本系統範圍,左邊代表的是自然資源的投入,包括有太 陽、降水、風;上方代表的是系統外的投入,包含有灌溉、肥料、 農業機具、勞務投入等;系統內則有稻田扮演生產者的角色、土壤 負責儲存養分及水分、人類為主要消費者、銀行負責經濟面的流 動。箭頭代表能量流動方向,一般的表示方法為左進右出,彼此間 依真實情況或有交互作用、或有交會。人類經濟系統的貨幣流動則 用虛線表示。最後系統間所有元件間之作用都必定伴隨熱的耗散, p.46
表 3-1 能量流動計算示例-以 2004 台北縣市水稻田系統為例

表 3-1

能量流動計算示例-以 2004 台北縣市水稻田系統為例 p.50
表 3-2 本研究所使用之生態能值指標估算與意義

表 3-2

本研究所使用之生態能值指標估算與意義 p.52
圖 4-3 台灣地區一般水田系統能量流動示意圖  (三)能值指標探討分析  能值指標是指將生態系統中各種作用及能量流動轉換成共通性的 能值單位後,再針對其中項目進行分類計算。透過能值指標之計算, 可以了解系統中能量流動及使用之方式,整合生態與經濟系統,並評 估生態系統對經濟系統的貢獻。當針對同一種生產產品,可以設計不 同系統設計時,便可以用此能值指標比較不同系統的效率。  本研究針對以下能值指標進行探討:   表 4-3 台灣地區 2004 年水田系統能值指標  能值指標項目  計算方式  數  值

圖 4-3

台灣地區一般水田系統能量流動示意圖 (三)能值指標探討分析 能值指標是指將生態系統中各種作用及能量流動轉換成共通性的 能值單位後,再針對其中項目進行分類計算。透過能值指標之計算, 可以了解系統中能量流動及使用之方式,整合生態與經濟系統,並評 估生態系統對經濟系統的貢獻。當針對同一種生產產品,可以設計不 同系統設計時,便可以用此能值指標比較不同系統的效率。 本研究針對以下能值指標進行探討: 表 4-3 台灣地區 2004 年水田系統能值指標 能值指標項目 計算方式 數 值 p.58
表 4-4 台灣地區 2004 年水田經濟效益價值估計  價值  估計價值  (單位:億元) 佔總價值百分比(%)  資料來源  生產價值  275.11 15.67  2004 農業統計年報  生態價值  水循環控制  950.31 54.13  農工中心(2004)  環境負荷控制  351.26 20.01  農工中心(2004)  小計  1301.57 74.14  遊憩價值  實際支出  83.47 4.75  陳凱俐(2005)  遊憩效益  29.29 1.67  陳凱俐(2005)  小計

表 4-4

台灣地區 2004 年水田經濟效益價值估計 價值 估計價值 (單位:億元) 佔總價值百分比(%) 資料來源 生產價值 275.11 15.67 2004 農業統計年報 生態價值 水循環控制 950.31 54.13 農工中心(2004) 環境負荷控制 351.26 20.01 農工中心(2004) 小計 1301.57 74.14 遊憩價值 實際支出 83.47 4.75 陳凱俐(2005) 遊憩效益 29.29 1.67 陳凱俐(2005) 小計 p.61
圖 4-7  2004 宜蘭地區鴨間稻農法水田耕作案例之系統圖

圖 4-7

2004 宜蘭地區鴨間稻農法水田耕作案例之系統圖 p.66
表 4-6 2004 宜蘭地區鴨間稻農法水田耕作案例之能值分析表

表 4-6

2004 宜蘭地區鴨間稻農法水田耕作案例之能值分析表 p.67
表 4-8 2004 宜蘭地區鴨間稻農法水田耕作案例之能值指標計算

表 4-8

2004 宜蘭地區鴨間稻農法水田耕作案例之能值指標計算 p.69
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