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本期焦點

氣候變遷對作物產量的可能衝擊:以玉米為例

農業部農業試驗所 / 陳柱中 副研究員、王家偉 研究助理

一、氣候變遷風險評估
  氣候變遷的推估顯示台灣未來將面對夏季變長、高溫日數增加、連續不降雨日數增加等情境,需水量較少的旱作,在乾旱年度下是維持糧食生長和穩定供應的重要選擇之一,為確保氣候變遷情境下作物穩定生產,必須先進行區域作物生產之風險評估,分析氣候變遷情境作物生產的主要因子,並盤點相對應的調適策略。完整的風險評估必須考慮危害度、暴露度與敏感度,以氣候資料配合作物致災門檻可建立危害度與暴露度指標,但作物影響程度的敏感度尚需考慮其他相關因子。作物模式以數學公式描述作物與大氣、土壤環境的交互作用,在無法大量進行升溫實驗的情形下,是評估氣候變遷對作物影響的重要分析工具。
二、模式本土化驗證
  選用玉米生長模式MAIZSIM,模式的輸入包含土壤、氣象、田間管理(灌溉、施肥)與品種等參數,模式的輸出為每日之作物生育期、葉面積、各部位乾重等生長與發育指標,以及土壤剖面之氮素與水分動態。為了建立國內重要品種植物參數,使用台中霧峰、新竹新豐、雲林水林等地區收集之田間觀察資料,進行參數測試與驗證,試驗品種包括食用玉米(華珍)與硬質玉米(明豐3號)。比對模擬與田間實際量測的葉齡、葉面積指數、各部位乾重(葉、莖、穗),結果顯示模式能準確的模擬春作與秋作葉尖數和葉齡變化,並對於葉面積指數、地上部與穗乾重進行合理的模擬。未來情境的氣象則使用AR5氣象網格資料,選擇中度排放情境 (RCP 4.5) 下6個氣象情境,模擬2030、2040、2050年全台平地區域春作與秋作玉米產量,另使用歷史重建網格資料模擬2020年春作與秋作產量作為未來情境產量變化比較基礎,計算不同時序下產量變化相對百分比。
圖一、經本土化驗證的玉米生長模式模擬(實心線)與田間觀測(實心圓)的葉齡
圖二、經本土化驗證的玉米生長模式模擬(實心線)與田間觀測(實心圓)的地上部乾重
圖三、經本土化驗證的玉米生長模式模擬(實心線)與田間觀測(實心圓)的穗乾重
三、未來情境各區產量變化
  模擬結果顯示,未來情境下春作與秋作玉米生育期較目前縮短4-8天,因升溫情境導致發育速率增加與生育期縮短,將直接減少作物可累積光合產物的時間。在產量的變化上,不同期作、不同區域受到的衝擊皆有不同。春作模擬結果顯示,大部分的氣候模型皆顯示未來情境春作產量有下降的趨勢,大部分的減產幅度在10% 以內,在區域上則是南部的影響較北部劇烈,在最為不利的情況下,產量可能減少33%,造成產量大幅減少的主要原因為生長後期的高溫。在此情境下模擬提前播種時期15-30天可恢復產量23-29%。秋作模擬結果則顯示,中度排放情境到世紀中,秋作產量變化比率大多在-15%至+10%之間,變化幅度並不特別大,呈現北部區域有大多增產,中南部區域可能有減產,顯示秋作有部分區域得益於暖化,但升溫較高的氣象模型則可觀察到南部有減產的趨勢,雖日高溫尚未超出一般認為的高溫障礙門檻35°C,但升溫的幅度已對產量造成影響。 整體而言,在中度排放情境下,世紀中之前,玉米產量呈現春作產量減少、秋作產量可能增加的趨勢,主要的減產區域為南部。在不改變栽種區域可改變種植時間減少影響,如提前春作播種時期來避免生育後期高溫;在產區的調整上,建議北部區域如新竹、桃園一帶,尤其是靠海的原本較少灌溉的鄉鎮,是未來玉米可推廣的潛力生產區域,並須針對北部區域酸性土壤區域,施用石灰等鹼性資材調整土壤酸鹼值以提高生產潛力。
圖四、不同全球氣象模型全台各區域食用玉米春作之相對產量百分比,以2020年為基礎,由左至右分別為2030、2040與2050年,由上而下分別來自於MAIZSIM模式模擬bcc-csm1-1, canESM2, CCSM4氣象模型
圖四(續)、不同全球氣象模型全台各區域食用玉米春作之相對產量百分比,以2020年為基礎,由左至右分別為2030、2040與2050年,由上而下分別來自於MAIZSIM模式模擬MIROC-ESM, MRI-CGCM3, norESM1-M氣象模型
圖五、不同全球氣象模型全台各區域食用玉米秋作之相對產量百分比,以2020年為基礎,由左至右分別為2030、2040與2050年,由上而下分別來自於MAIZSIM模式模擬bcc-csm1-1, canESM2, CCSM4氣象模型
圖五 (續)、不同全球氣象模型全台各區域食用玉米秋作之相對產量百分比,以2020年為基礎,由左至右分別為2030、2040與2050年,由上而下分別來自於MAIZSIM模式模擬MIROC-ESM, MRI-CGCM3, norESM1-M氣象模型