子計畫十：農業溫室氣體減量
主持人：林幸助
團隊成員：莊秉潔、賴美津、邱志郁(中研院)、楊磊(中山)、袁中新(中山)
一、子計畫推動重點、成果與特色亮點
農業供應人類生存賴以為生的糧食，也能提供調節、支持與文化等生態系服務。然而，水稻田的溫室氣體排放為農業主要溫室氣體的來源之一，量化水稻田溫室氣體排放量，並找出影響環境因子是重要工作。本計畫藉由紀錄施行不同農法樣區的環境因子，監測溫室氣體排放量以及解析樣區中微生物族群組成與功能，期能找出溫室氣體排放減量、作物產量增加以及農民耕作經濟成本降低的永續農業之農耕方法；並持續擴大全臺灣尺度研究資料，以建立穩健、可行與永續的農業生態系模式，預測未來氣候變遷對農業生態系服務的影響，進而制定調適策略以減緩氣候變遷衝擊。同時整合農業部門之地真資料與本團隊產出之高解析度氣象模擬系統，提供農業部門耕作行為調整的依據，來減少耕作與災損產生之成本。108年計畫進行之重點如下:
1.監測嘉義、苗栗與宜蘭慣行與永續農法樣區之環境因子與溫室氣體排放量
完成嘉義溪口2018年第二期、2019年第一期以及宜蘭2019年第一期慣行農法與永續農法之溫室氣體排放通量之田間量測工作。結果顯示，在嘉義收割前因為排水使得二氧化碳大量溢出；而在施肥與灌溉期間，有大量的灌溉用水流入稻田，產生高濃度的甲烷。慣行農法的二氧化碳總排放量大致高於永續農法；然而在數個稻期中，甲烷的總通量在慣行農法與永續農法互有消長。在苗栗苑裡，二氧化碳與甲烷的變化趨勢與嘉義類似。大部分二氧化碳總排放量為負值，表示此區水稻田有固碳作用。在宜蘭，由於僅有一個稻期的數據，故難以探討慣行農法與永續農法溫室氣體的趨勢。此地區二氧化碳濃度最大值類似溪口與苑裡兩個地區。藉由全球暖化潛勢(GWP)轉化結果顯示，溪口的GWP高於其他稻米的主要生產國，而苑裡與宜蘭兩地區之GWP和其他國家類似。環境因子部分，土壤溫度與二氧化碳、甲烷排放有顯著性正相關，土壤含水量與二氧化碳呈負相關，並與甲烷呈正相關，顯示土壤的氧化還原狀態影響水稻田溫室氣體的排放量。
2.分析宜蘭慣行與永續農法樣區之古菌與細菌族群組成與功能
完成宜蘭樣區之採樣與微生物族群組成定序分析，包含礁溪、羅東、三星與壯圍等四個區域的慣行與永續農法共8塊水稻田，以高通量16S rRNA基因擴增子定序解析原核生物族群組成。結果顯示宜蘭水稻田中主要的古菌族群有Crenarchaeota、Nanoarchaeota與Euryarchaeota，主要的細菌族群有Proteobacteria、Acidobacteria、Nitrospirae、Bacteroidetes與Verrucomicrobia。其中，主要產甲烷的甲烷古菌族群有Methanosaeta、Methanosarcina、Methanolinea、Methanoregula、Methanocella與主要進行厭氧甲烷氧化的Candidatus Methanoperedens。初步分析結果顯示宜蘭區慣行與永續農法稻田中微生物菌相組成並沒有明顯差異，此結果與嘉義溪口長期生態研究水稻田(2018年第一季)以及苗栗苑裡水稻田(2017年第二季)的結果類似，推測可能是目前慣行與永續農法施灑氮肥總量的差異(160 kg/ha vs 120 kg/ha)不大所造成的。
3.建立高解析度農業氣象模擬與預報系統
近兩年與氣象局合作，成功於國家高速網路與計算中心的高速電腦-臺灣杉(Taiwania，Peta HPC) 上建構解析度為25公里/1公里的統合模式系統，既能直接讀取全球的初始資料，成為獨立的區域預報模式；也可嵌套於全球模式之內，扮演動力降尺度的角色。目前每日進行例行預報作業，但較著重於空品預報，對於非靜力版區域波譜模式較沒有進行驗證與精進。108年利用中央氣象局發展之1公里*1公里高解析度非靜力版區域波譜模式MSM，正在進行茶園週圍96小時預報場，並納入周圍氣象局測站資料進行校驗，配合高山茶園的現地測站校正模式，藉以提升模式預報品質。此研究計畫成果，期望可以成為台灣日後管理農業溫室氣體與調適氣候變遷的科學基石。
二、人才培育面向推動重點、成果與特色亮點：
林幸助教授團隊於2019年6月30日至7月5日，參加於新加坡舉行的The 5th International Mangrove, Macrobenthos and Management Meeting，有博後1名與碩士生2名參加並發表3篇壁報論文；林幸助教授團隊於2019年7月8日至14日至荷蘭參加The Effects of Noise on Aquatic Life Fifth International Conference並發表論文，有助理2名參加。賴美津教授團隊於2019年5月13日參加由台灣微生物生態學會主辦的第11屆亞洲微生物生態國際研討會，有博後、碩士級助理以及三位碩班生參與並發表五篇壁報論文，其中碩班生李冠誼的壁報論文獲得「優良壁報論文獎」的佳績。
三、學術研究面向推動重點、成果與特色亮點：
本子計畫今年度共發表11篇論文，其中有9篇屬於Q1論文，且有超過40篇以上的國內外研討會論文，以及數場的研討會演講；林幸助教授於今年分別於2019 Taiwan Ecological Research Networks Symposium (Hualien), The 4th Asian Marine Biology Symposium (Taipei) 擔任大會演講者(Keynote Speaker)，並於International Symposium on Aquatic Ecological Degradation and Ecological Remediation (Guangzhou, China)以及Society of Wetland Scientists (SWS)-Asia Chapter and Korean Wetlands Society Joint Meeting (Suncheon City, Korea)擔任受邀演講者(Invited Speaker)；團隊並持續與美國、德國、捷克與日本國外學者合作，算是成果豐碩。本計畫下一階段的計畫規劃以發表發表高品質頂尖論文(<10%)或15篇國際期刊論文為目標，並且嘗試提出更多國際合作計畫，同時也期許總計畫可更多多支持與獎勵團隊成員的發表。
四、產學合作面向推動重點、成果與特色亮點：
稻米為台灣的主要糧食作物，然而稻田是溫室氣體的主要來源之一，如何在稻米產量與溫室氣體排放量以及氣候變遷之間取得平衡，是本計畫最終想要達到的目標，也是與稻米生產產業息息相關的。然而，不同農法以及不同種類的肥料皆會影響溫室氣體的排放，需要足量的數據才能建立起穩定有效的模式。因此，本計畫規劃持續調查台灣北中南大尺度區域水稻田的溫室氣體排放量、環境因子以及微生物多樣性與組成，累積足夠數據的研究成果，方可提供水稻生產、環境因子與農業溫室氣體排放之間一個很重要的、可促成農業升級的科學研究基石。茶亦是台灣重要的經濟作物，本團隊與高山茶園合作，選定茶園幾個觀測點放置土壤感測器，並透過觀測值校正驗證模式後，每日預測小區域降雨時間，提供給農民做為栽種預警的作用，以減少耕作與災損產生之成本。
五、研究貢獻面向推動重點、成果與特色亮點：
本計畫一部分是進行調查台灣大尺度區域水稻田的溫室氣體排放量、環境因子以及微生物多樣性與組成，這部分的研究成果除了可以在水稻生產、不同農法與農業溫室氣體排放之間的關係提供一個很重要的科研基石，更可以做為量產其他農產品時，對於農法、溫室氣體排放以及氣候變遷之間的調整策略之參考。另一部分是以高山茶園為主要的高解析度氣象預報的情境設定，高山茶園經常出現臨近山峰產生不同之氣候型態的狀況，高解析度氣象預報特別適用於此類環境，故本團隊使用自行發展的高解析度氣象預報，將有效運用於茶葉耕作預警。未來可能將再多與不同農民合作，增加資料多樣性並做為台灣不同地貌之觀測值。
六、環境建置面向推動重點、成果與特色亮點：
本計畫的研究內容較偏學術性，較難爭取校內研發或產官學的資源，但其研究成果可作為國家農業政策執行時的科學基石。未來計畫將配合國家新農業政策及有機農業促進法，積極爭取農委會和科技部之科技計畫研究補助，並嘗試結合產官學界以增加學術研究協助產業升級之機會。
