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如何讓作物長得好,又對環境傷害少?農藥的發展與演進

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2019/08/01 ・3078字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 557 ・八年級
  • 文/林宇軒

許多人在新聞上看到「農藥超標」、「農藥殘留」這幾個詞出現的時候,往往都會嚇一跳,農藥可以說是一個多數人不想知道、不願聽見的事物。可能是因為太多關於農藥的負面新聞,使得我們每個人多少都對農藥產生疑慮,甚至擔心不知道哪天會被農藥毒害?每天都吃進不少殘留農藥,會不會哪天導致癌症發生?

但真的那麼可怕嗎?在開始聊農藥的影響之前,讓我們先換個角度想想:如果這個世界沒有農藥,會是什麼樣子?

在農藥出現之前:不想再重演一遍的愛爾蘭大饑荒

讓我們回到 170 多年前吧,在那個還沒有有效農藥的年代,馬鈴薯因為容易生長,又不像小麥需要繁複的加工才能吃,而廣受當時歐洲底層人民喜愛。

然而從 1845 年開始,歐洲各地接連發生馬鈴薯晚疫病,患病植物的莖和葉都會漸漸變成深褐色,看起來會像是要爛掉的葉子一樣,而且馬鈴薯的莖、葉和塊莖還會有發霉爛掉的臭味。我們現在知道這是一種真菌感染導致的馬鈴薯疾病,但在當年這種疾病的成因還不清楚。

馬鈴薯晚疫病曾在歐洲造成大幅的飢荒。圖/pixabay

因此在那個年代,當馬鈴薯晚疫病發生後,許多以馬鈴薯為主食地區的人民受到的很大的傷害。這場饑荒被愛爾蘭人稱為「大饑荒 The Great Famine」,影響之大甚至成了一句愛爾蘭俗諺:

“Only two things in this world are too serious to be jested on, potatoes and matrimony.”

「世界上有兩種東西開不得玩笑:一個是馬鈴薯,另一個是婚姻」

雖然說當年歷史的災難還有許多複雜的因素牽涉其中,但要是能夠像現在一樣,有農藥可以避免真菌感染馬鈴薯,那麼是不是就很有機會可以避免掉飢荒呢?

還沒有有效農藥的年代,饑荒可是一種無法避免的天災,說來就來,擋也擋不住。圖為愛爾蘭首都都柏林的「饑荒紀念銅像」。照片來源\Dublin Visitor Map

農藥發展進行式:在效用和環境間摸索平衡

現代農業使用農藥能有效維持農產量,對於糧食供應有很大的貢獻,但在不同階段也面臨了不同的挑戰。從新型農藥的合成開發,到期待能有選擇性、專一性,再到和環境友善共存,這之間又經歷了哪些事呢?

當時 DDT 發明時,宣稱其殺蟲效率好,對於動、植物也不會有顯著影響。圖/maxpixel

在 20 世紀初期,化學合成工業發展成熟後,各種新農藥如雨後春筍般大量合成出來,但仍然有個使用上的問題:無論是否為目標害蟲,接觸到農藥的昆蟲通通都會死掉,或是噴完藥之後影響作物生長甚至一起死亡。直到 1940 年代 DDT 的發明,打破了農藥「選擇性」的問題:殺蟲效率好,對於多種害蟲都有效,對於植物基本上沒有影響,對哺乳類動物急毒性很低。在上市後,很快就攻佔市場。

有了這麼好用的農藥,接下來就過著幸福快樂的日子了嗎?事情沒有那麼簡單,1962 年瑞秋.卡森出版了《寂靜的春天》這本書,讓人們重新審視農業技術發展不能只專注在其好處和優點,同時也必需審視其對環境的長期影響。當年瑞秋・卡森的研究調查發現 DDT 持久性好的特性,反而會使它藉著生物放大作用,危害食物鏈高階的生物。

後續美國於 1970 年成立了環境保護局,並且在 1972 年取消了 DDT 的許可證,各國政府和大眾逐漸意識到,環境是一個整體,必須要更全面的評估農藥帶來的影響。各大藥廠以及大學,也一直不斷的研究,想要開發出更安全、對環境危害更小的農藥成分。

隨著科技的發展,新菸鹼類農藥考量的不再只是效率,而是還有環境友善。圖/pixabay

1990 年代新菸鹼農藥的出現,讓農業技術的發展對環境的影響有了更多面向、更細緻的討論。這一類殺蟲效率極高,又不太會影響人體的新農藥,一推出即在美國和歐洲市場大受歡迎,在 2007 年時全球市佔率高達 25%。

然而隨著越來越多人使用,也開始出現疑似新菸鹼類農藥造成的問題,例如讓蜜蜂迷航。然而要確定是否真的是新菸鹼類農藥所造成的影響其實非常不容易,因為其效應短時間內並不明顯。有許多科學家投入相關研究,想了解新菸鹼類藥物對蜜蜂的影響。

這場研究論戰持續至今仍有許多待討論的空間,也凸顯了隨著科技的發展,所要考量的不只有效用,同時還要能與環境永續共存。那麼農業的未來會是什麼樣子呢?

農業的未來:更安全、更精準的農藥使用

回頭看看過去的歷史,我們可以發現各國對於農藥的監管,在一次又一次的事件之後,越來越嚴謹。以 DDT 來說,1940 年代根本沒有做長期毒性的相關研究,就已經核准上市了。

以DDT為例,當時未經檢核即上市,如今我們更應慎重對待新農藥的危害問題。圖/wikipedia

就台灣目前的法規,農藥如果要核准上市,都需要事先進行物理化學性試驗、毒理試驗,以及田間試驗,再將評估資料提交給農委會審查,只要有可能會致癌,或是有較高的人類和環境風險,都不會被允許使用。經過幾十年改善過後的核准機制,能盡量減少對我們人類和環境的傷害。

以新農藥種類避免害蟲產生抗藥性

其實,長期使用化學農藥使害蟲產生抗藥性,對於農民來說是個越來越棘手的問題。抗性對農業造成最直接的影響,就是在農藥的品質不變、施用方式也正常的情況下,效果卻越來越差甚至失效。

所以這幾年各國政府都開始推廣「抗性管理」計畫,推廣農藥使用的重要觀念。具體的作法包括在農藥施用前就仔細調查確認是哪種病害、蟲害,選擇合適的農藥種類施用;另外在施用農藥時須注意使用規範。對於漸漸產生化學農藥抗藥性的病蟲害,可使用不同作用機制的藥劑輪替使用,以減少抗藥性的產生。

另外一種解決抗藥性的方法為「生物農藥」。這類方法是利用自然界已經存在的生物或是天然的成分,來抑制害蟲或真菌,比如有名的蘇力菌,就是一種生物農藥,透過被昆蟲吃進體內,進而導致昆蟲死亡的方法。

從土壤環境到作物健康 數位農業精準作物管理

而對於還沒有產生抗藥性的農藥,進一步則可透過科技與農業結合的「數位農業」來精準控制作物生長發育所需的一切,包括水、肥料以及農藥的用量。數位農業不僅省時省力,且能更精準管理病蟲害模式,進而降低抗藥性發生的風險。

回到我們最前面擔心的問題:農藥會不會破壞生態,或是對人體有負面影響?從整個農藥發展歷程來看,我們可以想見,未來農藥對於人體和環境的影響,都將會越來越可控、風險逐漸降低。

本文由作物永續協會及泛科學合作企劃執行

參考資料:

  1. Great Famine (Ireland), Wikipedia
  2. 《番茄與馬鈴薯晚疫病》,台南區農業專訊第37期:13~16頁(2001年9月)
  3. History of Pesticide Use, International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC).
  4. HISTORY OF PESTICIDE USE, Oregon State University.
  5. Cressey D., The bitter battle over the world’s most popular insecticides, Nature, Vol. 551, pp. 156–158, 2017, doi:10.1038/551156a.
  6. Butler D., EU expected to vote on pesticide ban after major scientific review, Nature, Vol. 555, pp. 150–151, 2018, doi: 10.1038/d41586–018–02639–1.
  7. 《我國農藥管理及其展望》,農委會動植物防疫檢疫局,2018.10.24。
  8. Olson, Sara. “An analysis of the biopesticide market now and where it is going.” Outlooks on Pest Management 26.5 (2015): 203-206.
  9. 《農藥抗藥性指引管理——基礎篇》

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保留海洋中的絢麗色彩——海科館陳麗淑博士專訪

科學月刊_96
・2021/09/30 ・5120字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文由海洋保育署廣告企劃,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 作者:採訪撰稿 ∕ 謝育哲 ∕ 本刊主編

大海中美麗的珊瑚礁是許多海洋生物的棲地,但由於海洋環境汙染及氣候變遷等問題,珊瑚的生存不斷受到壓迫,珊瑚白化問題更是屢見不鮮。為了讓一般大眾也能保育珊瑚,由海科館陳麗淑博士等人團隊從澳洲引進的「珊瑚觀測」,用簡單色卡上的顏色與觀測珊瑚進行比對,就能評估該珊瑚的健康狀況。此外,海科館及海保署也進行更多的計畫與推廣,讓全民一起守護海底美麗的珊瑚。

圖/Pexels

海中有著形形色色的生物,如果要挑選出一種外觀最令人印象深刻的,肯定是色彩斑斕綺麗的珊瑚了!許多人常會誤認珊瑚是一種植物,但牠其實是不折不扣的動物。事實上,珊瑚是由許許多多的珊瑚蟲(coral polyps)所形成的群體。目前全世界共有 800 多種的珊瑚,而由珊瑚組成的珊瑚礁(coral reef)更是許多海洋魚類生存的家園。

但由於珊瑚生長速度極慢,每年僅增長約 10 公分,且十分脆弱,近年來又因氣候變遷與海洋汙染等問題,造成珊瑚的生存出現危機。因此,保護珊瑚人人有責,但身為一般人的我們又該如何保育這些美麗又珍貴的海洋生物呢?本次《科學月刊》專訪了國立海洋科技博物館(以下簡稱海科館)的研究員陳麗淑博士,看看有哪些保護珊瑚的方式,以及介紹從澳洲引進的珊瑚觀測(coral watch)方法吧!

珊瑚遇到了什麼危機?

關於珊瑚,我們最常聽到的是「珊瑚白化」(coral bleaching)。但珊瑚白化代表什麼?又是什麼造成了珊瑚白化呢?

白化的軸孔珊瑚(Acropora spp.)與背景中的健康軸孔珊瑚形成對比。圖/WIKIPEDIA

由於珊瑚對於生存環境的溫度十分敏感,一般來說,對珊瑚而言最自在的水溫環境為 23~28℃,而生存的極限溫度範圍則為 18~32℃,若超過這個溫度區間,對珊瑚來說即為太冷或太熱的環境。陳麗淑表示,一但海水溫度超過 32℃,珊瑚就會出現白化現象。當然不是所有的珊瑚都會同時白化,各種珊瑚因生長速度不同,白化現象發生的情形也會有所差異。一般來說,生長速度較快的枝狀珊瑚比較容易白化,而團塊狀珊瑚則比較有抵抗力。

不過珊瑚到底是怎麼「變白」的?其實珊瑚白化詳細原因,是因為當環境溫度出現劇烈變化時,珊瑚內部的共生藻數量就會下降。由於共生藻是珊瑚繽紛色彩的來源,因此在珊瑚內部的共生藻數量多時,顏色就會飽滿鮮豔,而當共生藻離開珊瑚後,珊瑚的顏色便會越變越淡,最後白化,若後續沒有適當保護與處置,珊瑚就可能會因而死亡。所幸珊瑚白化並不是不可逆的,只要海水溫度回到適合珊瑚生存的溫度,珊瑚就會逐漸穿上牠美麗的彩衣,恢復原本繽紛的色彩。

過去臺灣周遭海域曾出現過多次珊瑚大量白化的現象,陳麗淑表示,珊瑚大規模的白化的情形主要集中發生在夏季,甚至在去(2020)年夏季就曾發生珊瑚大量白化的現象,由於當時的海水溫度偏高,且維持時間較長,使得臺灣各地出現珊瑚白化的情形。不過好消息是,根據調查,今(2021)年還未發生大規模的珊瑚白化,且時節已進入秋季,海水溫度下降,至少目前珊瑚不會面臨溫度升高的生存壓力。不過,陳麗淑也語重心長地提醒:「近年來海水溫度過高的發生頻率相較以往提高了不少。」令人擔心的是,若海水溫度升高頻繁,將可能嚴重衝擊珊瑚的生存。因此,我們必須想辦法保護珊瑚。

圖/Pexels

一般人該怎麼保護珊瑚?老嫗能解的「珊瑚觀測」

對一般大眾來說,並不是所有人都具備珊瑚的相關知識,對此,陳麗淑一直在思考該用什麼方法,才能讓沒有專業知識背景的大眾能參與保育珊瑚的活動呢?在公民科學領域中,有個名為「珊瑚礁體檢」(reef check)的珊瑚監測計畫。但由於珊瑚礁體檢的入門門檻較高,需要先經過一定時數的課程訓練,且所費不貲,因此這並不是一項適合所有人的方法。

這時陳麗淑想到了「珊瑚觀測」。事實上,珊瑚觀測約莫在 2009 年就已有人引進臺灣,但當時並未受到大量關注。直到 2018 年,陳麗淑帶領的團隊開始重新研究珊瑚觀測的方式,發現其背後的科學大有學問,也可簡化成任何人都能理解並運用的珊瑚監測方式。

珊瑚觀測主要是透過一張卡片,上頭有 4 種由淺至深的色調。陳麗淑表示,這些色調涵蓋了約 70~80% 的珊瑚種類,即使無法囊括其他特殊顏色的珊瑚,但卡片上的設計對普通人來說已是綽綽有餘。而觀測方法也很簡單,任何人只要帶著這張卡片潛水至珊瑚旁,將卡片上的顏色與想觀察的珊瑚顏色進行比對與拍照即可。如果是前往水深 6 公尺以上的區域,則建議觀測時攜帶光源,以避免色差造成的誤判。前文有提到,珊瑚的顏色代表其內部共生藻早的數量,當共生藻數量越多,珊瑚顏色越深,也就代表越健康;反之,若顏色越淡則代表珊瑚的健康可能出現狀況了。

因藻類過度生長而造成的珊瑚白化 。圖/WIKIPEDIA

陳麗淑說明,珊瑚觀測背後的科學基礎十分紮實。這套由澳洲昆士蘭大學(The University of Queensland)學者馬歇爾(Justin Marshall)等人組成的團隊研發設計。團隊將珊瑚搬至實驗室中進行一系列實驗,觀察在各溫度區段中,不同溫度會如何影響珊瑚中的共生藻數量,並記錄珊瑚的顏色變化。在經過嚴謹的科學實驗後,馬歇爾團隊將其簡化並歸納成珊瑚觀測的色卡。陳麗淑表示,這套化繁為簡的觀測方式在經過推廣後,許多保育團體對於珊瑚觀測的接受度都非常高,能進而達到推廣珊瑚保育目的。

海洋公民科學知識報你知

珊瑚觀測

珊瑚觀測是一項由澳洲昆士蘭大學學者所辦理的非營利全球珊瑚礁監測計畫,將珊瑚的顏色變化標準化後,製作成珊瑚健康色卡,提供一種簡單的方法用以評估珊瑚健康,並為 CoralWatch 的全球數據庫做出貢獻。大家可以使用這些色卡協助科學家收及數據,支持珊瑚礁監測工作。

另外,珊瑚觀察也透過與世界各地的志願者合作,包括了潛水中心、科學家、學校團體、遊客參與其中,讓大眾更加了解珊瑚礁白化、氣候變化對於珊瑚礁的影響。

保育珊瑚面臨哪些困境?

雖然保育珊瑚是許多人的共識,但過程中依然面臨到許多的挑戰及困難。目前最常見的是海洋垃圾問題。由於珊瑚本身不會移動,當海洋垃圾在海中漂浮時不慎卡在珊瑚上,若沒有人為協助清理,則非常有可能造成珊瑚死亡。

圖/Pexels

陳麗淑舉例說明,由於今年 5 月起爆發 2019 冠狀病毒疾病(COVID-19)的本土疫情,位於基隆的潮境公園也為了防疫而禁止一般人下水。但當研究人員下水觀察後發現,因為沒人下水協助清理海洋垃圾,許多卡在珊瑚上的垃圾無法被及時移除,發現的當下已有許多珊瑚出現白化現象,這些珊瑚後續花了約一個月才慢慢恢復正常。

對此,陳麗淑曾與中研院學者邵廣昭等人討論,若保育區都沒有人進入可能並不是件好事,尤其當海洋汙染嚴重,垃圾很多的情況下,都還是必須定期有人去協助清理。因此,保育區在人為管理的情況下或許才是保育珊瑚好方法。

你我都可以為珊瑚盡一份心力

我們還有什麼方法可以保護珊瑚呢?陳麗淑表示,如果你是一個會下水觀測的人,使用珊瑚觀測是個好選擇。無須再多帶任何設備,只要準備珊瑚觀測的卡片,攜帶相機與光源,就可以拍攝並記錄珊瑚的健康狀況。不過若是沒有相關潛水經驗或半路出家的遊客,反而可能在潛水的過程中不慎踢到或傷害珊瑚,因此潛水者必須要具備一定的潛水技術。

海洋保育署(以下簡稱海保署)為推廣友善珊瑚礁生態旅遊,提出「珊瑚礁區你該注意的 8 件事」,包含不踩踏、不揚沙、合格玩家、保持適當距離、使用海洋友善防曬、不餵魚、不吃珊瑚礁魚、減塑行動。

即便沒有下水,在岸上也有許多可以保護珊瑚的方法。舉例來說,在我們常用的防曬乳中,多數含有可能傷害珊瑚的成份,因此在選購時可以優先考慮「海洋友善防曬」。此外,由於珊瑚礁魚類可以協助清理珊瑚礁之中的藻類,讓珊瑚順利生長,我們應盡量避免食用珊瑚礁魚類。所以最重要的,是希望大家一起落實節能減碳,全球暖化是影響珊瑚生存的主要原因之一,若減碳能從個人做起,也是保育珊瑚的積極作為。

「海洋友善防曬」 的成分較不會傷害珊瑚。圖/Pexels

出書、展覽、辦活動 海科館邀你一起守護珊瑚

除了上述的個人保育行為外,海科館也辦理了一系列保育珊瑚計畫。陳麗淑表示,海科館的研究人員會定期前往珊瑚礁進行監測,還會前往各地宣傳及教導大家如何使用珊瑚觀測。

至於在珊瑚復育方面,海科館內也有養殖珊瑚,研究人員會把這些珊瑚移植到野外,或是使用不同的材質,測試珊瑚附著生長的情形等。未來希望透過這些方法,協助加速珊瑚的生長。

在教育方面,去年海科館與行政院環境保護署及科技部等單位,共同主辦的「2020 海洋公民科學家行動計畫」中,包含了「珊瑚保育監測」的主題。對此,海科館團隊舉辦了一系列的「針織珊瑚」活動。「針織珊瑚」主要是前往各地的小學,除了教導珊瑚的知識,以及倡導珊瑚保育外,讓小朋友們藉由織毛線的方式,訴說一則關於珊瑚的故事。每所國小的作品都有自己的主題,也讓小朋友在織毛線的過程中,思考珊瑚對於生態的重要性,從小扎根珊瑚保育知識。並在後續收集作品後,舉辦「陸上造礁 針織珊瑚計畫特展」。

此外,海科館也曾於 2019 年出版《珊瑚很有事:珊瑚保育×環境藝術×手作針織×珊瑚教案》一書,並榮獲第 44 屆金鼎獎。今年更在海科館官網建置「海科館悠遊數位海洋行動學堂懶人包」,整合科普電子書、電子繪本、數位課程學習平台、海洋知識、動畫學習、影片等。陳麗淑表示,透過這些教材與教案的持續推廣,希望能讓更多人利用這些資源,一起守護海洋中的美麗珊瑚。

海洋保育署與臺灣珊瑚保育

海保署於今年透過「臺灣珊瑚監測交流網絡建立與保育策略規劃」計畫,建立珊瑚監測與保育示範點,以及珊瑚監測交流網絡,選訂全臺灣共 32 個地點進行水下珊瑚礁調查。調查結果截至今年 9 月底,澎湖、恆春半島、東部、北部珊瑚覆蓋率多呈現穩定狀態,但小琉球珊瑚礁卻多數已衰退,可見除了受到全球暖化影響,不當的遊憩踩踏行為也對珊瑚礁造成嚴重衝擊。

此外,海保署也與行政院農業委員會水產試驗所共同合作,針對澎湖池東淺坪海域的棲地環境現況進行調查及珊瑚復育,增加棲地多樣性。截至今年 9 月底,珊瑚移植面積已達到 100 平方公尺,其中珊瑚礁魚類包含青嘴龍占(Lethrinus nebulosus)、鸚哥魚(Scaridae)、隆頭魚(Labridae)等也逐漸聚集在移植區域,豐富當地生態。

棕吻鸚哥魚。圖/WIKIPEDIA

此外,有鑒於目前許多單位都在進行珊瑚保育及復育相關工作,海保署今年度與海生館合作成立珊瑚保育專案辦公室,除了作為各單位資料蒐集整合中心,提供數據科學家分析資料外,還能進一步轉化為資訊呈現給大眾,使珊瑚礁相關專家學者、單位,以及一般民眾等,都可藉由此互相交流,同時兼具諮詢、推廣功能,協助提供珊瑚保(復)育相關標準作業方式及技術指導。並設立臺灣珊瑚礁水質採樣點及進行水樣分析,了解水質狀態,以作為後續珊瑚復育棲地及規畫保育方式選擇的依據。

為了鼓勵更多在地民間團隊參與,海保署亦透過辦理「海洋保育在地守護計畫」,支持在地團體進行公民科學、清除珊瑚礁覆網及珊瑚復植,希望能夠結合在地生活方式及資源提出具體保育策略,發揮社會影響力,促進在地參與珊瑚保育及復育作業,並提高民眾對海洋保育的參與及投入。

從政策面、科學面,再到行動面,海保署將持續呼籲全民共同守護臺灣珍貴的珊瑚資源。

海洋委員會海洋保育署正在舉辦 海有問題 我來分析 | 第一屆海洋公民科學家數據松!為臺灣周遭的海洋生態盡一份心力吧!

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