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植物口渴就喊:「啵、啵、啵~」

胡中行_96
・2023/04/06 ・2954字 ・閱讀時間約 6 分鐘

久旱不雨,植物悲鳴,[1, 2]類似教育部《臺灣閩南語常用詞辭典》所謂「因飢餓而吵鬧」的「哭枵」(khàu-iau)。[3]別問為何沒聽過,也不怪天地寡情,人類無義,從來漠不關心。植物叫那種超音波,傳至咱們耳裡就只剩寧靜。幸好靠著以色列科學家幫忙,轉換到常人的聽覺範圍,並分享於 2023 年 3 月底的《細胞》(Cell)期刊,才廣為周知。[1]

轉換到人類聽力範圍的番茄「叫聲」。音/參考資料 1,Audio S1(CC BY 4.0)

傾聽植物的聲音

面臨乾旱或草食動物的威脅,植物會做出多種反應,例如:改變外貌,或是以揮發性有機化合物影響鄰居等。[1]過去的文獻指出,缺水引發空蝕現象(cavitation),使植物負責輸送水份的木質部,因氣泡形成、擴張和破裂而震動。[1, 4]現在科學家想知道,這是否也會產生在特定距離內,能被其他物種聽見的聲音。[1]

受試的對象是番茄菸草,分別拆成乾旱、修剪和對照 3 組。對照組又有常態生長的一般對照、有土卻無植物的盆器,以及每株植物實驗前的自體對照 3 種。實驗大致有幾個階段:首先,在隔音箱裡,距離每個受試對象 10 公分處,各立 2 支麥克風收音。將聲音的紀錄分類後,拿去進行機器學習。接著移駕溫室,讓訓練好的模型,分辨雜音和不同情況下植物的聲音。再來,觀察乾旱程度與植物發聲的關係。最後,也測試其他的植物和狀態。[1]

麥克風對著乾旱、修剪和對照組的植物收音。圖/參考資料 1,Graphical Abstract局部(CC BY 4.0)

植物錄音與機器學習

隔音箱裡常態生長的植物,每小時平均發聲少於一次;而沒植物的盆器當然完全無聲。相對地,遭受乾旱或修剪壓力的實驗組植物,反應則十分劇烈:[1]

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 平均值(單位)番茄菸草
乾旱發聲頻率(次/小時)35.4 ± 6.111.0 ± 1.4
 音量(聲壓分貝;dBSPL)61.6 ± 0.165.6 ± 0.4
 聲波頻率(千赫茲;kHz)49.6 ± 0.454.8 ± 1.1
修剪發聲頻率(次/小時)25.2 ± 3.215.2 ± 2.6
 音量(聲壓分貝;dBSPL)65.6 ± 0.263.3 ± 0.2
 聲波頻率(千赫茲;kHz)57.3 ± 0.757.8 ± 0.7

隔音箱中實驗組的錄音,被依照植物品種以及所受的待遇,歸納為 4 個組別,各組別再彼此配對比較,例如:乾旱的番茄對修剪的番茄等。以此資料訓練出來的機器學習模型,判別配對中各組別的準確率為 70%。第二階段在溫室中進行,自然較隔音箱嘈雜。科學家拿空蕩溫室的環境錄音,來教模型分辨並過濾雜訊。訓練後,令其區別乾旱與對照組番茄的聲音,結果 84% 正確。[1]既然能聽得出基本的差別,下一步就是了解水量對番茄發聲的影響。

體積含水量

為了操縱體積含水量(volumetric water content,縮寫VWC),即水份與泥土體積的比值或百分比,[1, 5]科學家狠下心,連續幾天都不給溫室裡的番茄植栽喝水。一邊觀察 VWC 的變化;一邊錄下它們的聲音。起先水份充足,番茄不太吵鬧;4、5 天下來,發聲的次數逐漸增加至高峰;然後應該是快渴死了,有氣無力,所以次數又開始減少。此外,番茄通常都在早上 8 點(圖表較像 7 點)到中午 12 點,以及下午 4 點至晚上 7 點,這兩個時段出聲。[1]科學家覺得這般作息,可能與規律的氣孔導度(stomatal conductance),也就是跟光合作用的換氣以及蒸散作用的水份蒸發,兩個透過氣孔進行的動作有關。[1, 6]

大部份的聲音都是在 VWC < 0.05 時出現;當 VWC > 0.1,水份還足夠,就幾乎無聲。科學家將比較的條件進一步分成 VWC < 0.01 與 VWC > 0.05、VWC < 0.05 跟 VWC > 0.05,以及 VWC < 0.01、VWC > 0.05 和淨空溫室的聲音。機器學習模型分辨起來,都有七、八成的準確率。[1]

縱軸為每日發聲次數;橫軸為缺乏灌溉的天數。圖/參考資料 1,Figure 3A(CC BY 4.0)
乾旱狀態下,番茄發聲的時段。縱軸為每小時發聲次數;橫軸為 24 小時制的時間。圖/參考資料 1,Figure 3B(CC BY 4.0)

植物發聲的原理

實驗觀察所得,都將植物發聲的機制,指向木質部導管中氣體的運動,也就是科學家先前預期的空蝕現象[1]下面為支持這項推論的理由:

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  1. 木質部導管的口徑,與植物被錄到的聲波頻率相關:寬的低;而窄的高。[1]
  2. 乾旱與修剪所造成的聲音不同:在木質部導管中,前者氣泡形成緩慢,發聲時數較長;而後者則相當迅速,時數較短。[1]
  3. 聲音是由植物的莖,向四面八方傳播。[1]
  4. 空蝕現象造成的震動,跟記錄到的超音波,部份頻率重疊;而沒有重疊的,其實已經超出其他物種的聽力以及麥克風收音的範圍。[1]
葡萄、菸草和番茄木質部導管的水平橫截面。圖/參考資料 1,Figure S4B(CC BY 4.0)
葡萄(綠色)、菸草(灰色)和番茄(橙色)的差異:縱軸為聲波頻率;橫軸是木質部導管的平均口徑。圖/參考資料 1,Figure S4A(CC BY 4.0)

問誰未發聲

觀察完番茄和菸草之後,科學家不禁好奇,別的植物是否也會為自己的處境發聲?還是它們都默默受苦,無聲地承擔?研究團隊拿小麥玉米卡本內蘇維濃葡萄(Cabernet Sauvignon grapevine)、奇隆丸仙人掌(Mammillaria spinosissima)與寶蓋草(henbit)來測試,發現它們果然有聲音。不過,像杏仁樹之類的木本植物,還有木質化的葡萄藤就沒有了。另外,科學家又監聽感染菸草嵌紋病毒(tobacco mosaic virus)的番茄,並錄到它們的病中呻吟。[1]

你敢有聽著咱的歌

之前有研究指出,海邊月見草(Oenothera drummondii)暴露於蜜蜂的聲音時,會產出較甜的花蜜。[2]若將角色對調過來:植物在乾旱、修剪或感染等壓力下釋出的超音波,頻率約在 20 至 100 kHz 之間,理論上 3 到 5 公尺內的某些哺乳動物或昆蟲,例如:蝙蝠、老鼠和飛蛾,應該聽得到。[1, 2]以色列科學家認為幼蟲會寄住在番茄或菸草上的飛蛾,或許能辨識植物的聲波,並做出某些反應。同理,人類可以用機器學習模型,分辨農作物的聲音,再給予相應的照顧。如此不僅節省水源,精準培育,還能預防氣候變遷所導致的糧食危機。[1]

  

備註

本文最後兩個子標題,借用音樂劇《Les Misérables》歌曲〈Do You Hear the People Sing?〉的粵語和臺語版曲名。[7]

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參考資料

  1. Khait I, Lewin-Epstein O, Sharon R. (2023) ‘Sounds emitted by plants under stress are airborne and informative’. Cell, 106(7): 1328-1336.
  2. Marris E. (30 MAR 2023) ‘Stressed plants ‘cry’ — and some animals can probably hear them’. Nature.
  3. 教育部「哭枵」臺灣閩南語常用詞辭典(Accessed on 01 APR 2023)
  4. McElrone A J, Choat B, Gambetta GA, et al. (2013) ‘Water Uptake and Transport in Vascular Plants’. Nature Education Knowledge, 4(5):6.
  5. Datta S, Taghvaeian S, Stivers J. (AUG 2018) ‘Understanding Soil Water Content and Thresholds for Irrigation Management’. OSU Extension of Oklahoma State University.
  6. Murray M, Soh WK, Yiotis C, et al. (2020) ‘Consistent Relationship between Field-Measured Stomatal Conductance and Theoretical Maximum Stomatal Conductance in C3 Woody Angiosperms in Four Major Biomes’. International Journal of Plant Sciences, 181, 1.
  7. FireRock Music.(16 JUN 2019)「【問誰未發聲】歌詞 Mix全民超長版 粵+國+台+英 口琴+小童+學生+市民 Do you hear the people sing?」YouTube.
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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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新北「氣候行動徵件」活動總獎金 8 萬元 號召青年展開行動成為氣候領袖
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/23 ・1247字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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全球正面臨急遽的氣候變遷,世界公民必須共同面對,環保局發布「新北 2024 國際青年氣候行動論壇——氣候行動團隊創意徵件」,鼓勵臺灣青年從校園或社區出發,針對觀察到的環境問題提出行動方案,入選隊伍將獲得專業導師指導並帶領實踐提案內容,最終勝出者不只可獲新臺幣 4 萬元獎勵金,更有機會放眼國際,於年底的紐約荒野中心青年氣候高峰會上展現成果。環保局將於 5 月 24 日下午辦理線上說明會,徵件日期至 6 月 24 日截止,歡迎有興趣參與的學生及老師報名參與!

報名網址:https://reurl.cc/Ke0gQn

環保局表示,新北市已連續 3 年辦理青年氣候論壇,建立與青年交流對話的平台,今(113)年更持續與紐約荒野中心(The Wild Center)攜手,號召青年以行動應對氣候變遷,培養青年成為氣候領袖。實踐淨零永續的道路上,青年的角色非常重要,去年新北市青年氣候論壇邀請到荒野中心氣候行動主任 Jen Kretser,分享了許多紐約青年行動案例,像是大學生於學院頂樓設置太陽能板,實現「上課教室自主發電」的校園計畫,又如同學自發建立校園田園、自主提出畢業晚會減塑需求等,引起與會臺灣青年們的廣大迴響,提出許多問題進行討論。

新北市環保局「2023 新北青年氣候論壇」,邀請到美國紐約荒野中心氣候行動主任 Jen Kretser(左 3),分享了許多紐約青年行動案例

環保局長期關注青年行動力,辦理「環保小局長計畫」、「永續未來學院」、「青年氣候論壇」等活動,致力推動全齡化的環境教育,今發布的「氣候行動團隊創意徵件」,進一步鼓勵臺灣「青」世代成為行動發起者,提出自己的問題觀察與創意解方,並真正落實行動,由青年自己決定從何處開始改變,即使是日常生活中觀察到看似微小的行動,都有可能在實踐後擴大影響到整個校園、社區,甚至整座城市。

環保局說明,氣候行動徵件邀請全臺高中職及大專院校學生,透過影像紀錄、實體行動、循環設計、社群媒體傳播等多元方式呈現創意永續行動提案,徵件至 6 月 24 日止,經初選後 4 組入選隊伍將在新北市展開為期一個月的短期氣候行動實踐,同時由環保局媒合專業導師進行線上課程,最後於 8 月「新北 2024 國際青年氣候行動論壇」進行決選,優勝的隊伍除可獲得獎勵金外,更能持續推展氣候行動並製成行動影片,影片有機會在年底紐約荒野中心青年氣候高峰會上進行分享,讓青年氣候行動與國際接軌。

環保局將於 5 月 24 日下午辦理線上說明會,歡迎有興趣參與的學生及老師報名參與,徵件簡章及更多相關資訊可至環保局官網或「新北 2024 氣候行動團隊創意徵件」活動網站查詢。

※ 5/24 徵件線上說明會報名網址:https://reurl.cc/Ke0gQn
※ 環保局官網簡章:https://www.epd.ntpc.gov.tw/Article/Info?ID=11254
※ 「新北 2024 氣候行動團隊創意徵件」活動網站:https://greenage2024.com

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本文轉自新北市政府環境保護局網站

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御賜五千兩助災民背後其實另有政治考量?價格差異化解決饑荒問題?明神宗如何看待災荒?——《價崩:氣候危機與大明王朝的終結》
衛城出版_96
・2024/05/23 ・3469字 ・閱讀時間約 7 分鐘

太平盛世:萬曆年間的物價體系

萬曆年間是怎樣的時代?

一五七二年,八歲登基的明神宗萬曆皇帝還是個活蹦亂跳的小孩子;等到一六二○年,晚年疏離淒苦的萬曆以五十七歲之齡過世。萬曆從小統治大明到老,在寶座上坐了將近半世紀。「萬曆皇帝」絕非鐵板一塊,而「萬曆年間」也不是個靜止不動的年代。萬曆年間發生許多事,因此人們對這段時期的反應都不相同,當年如此,至今猶然。

有人覺得萬曆年間是政治派系鬥爭、奢糜浪費、道德淪喪的時代;也有人覺得萬曆年間是社會活絡、哲學復興、經濟繁榮的時代。雖然這幾種勾勒方式各有其側重,但它們都是真的。

萬曆皇帝畫像。
圖/wikipedia

每一位皇帝統治期間,都會有一個蘊含著期許的年號,而萬曆帝的「萬曆」,大有「萬年之計」的意思。朱翊鈞的父親是隆慶皇帝,於一五七二年七月駕崩。小少年萬曆在內閣首輔張居正鐵腕輔政下,積極學習怎麼當個好皇帝。一五八二年,張居正去世,二十出頭的少年皇帝親政,自己治國。

幾乎每一位皇帝都很難接觸到老百姓生活的世界,而在紫禁城牆內得到各種照料的他,也有這樣的困擾。然而,年輕時的他似乎曾盡力去吸收各種資訊,掌握天下大事。他不見得知道買個水桶要花多少錢,但他至少知道荒年的物價。我們之所以曉得他知道,是因為他在一五九四年四月十九日那天,曾經跟小他四歲、備受恩寵的皇貴妃鄭妃談到這件事,並且在隔天又把這段對話告訴了首輔大學士。

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皇帝對飢荒多重視?

昨者,朕覽《饑民圖說》,時有皇貴妃侍,因問:「此是何圖,畫著死人,又有赴水的。」朕說,「此乃刑科給事中楊東明所進河南饑民之圖,今彼處甚是荒亂,有吃樹皮的,有人相食的,故上此圖,欲上知之,速行蠲賑,以救危亡於旦夕。」

這段簡短逐字稿是很了不起的紀錄,特別是因為它揭露了宮中私下談話可能的內容。皇帝和皇后確切的用字遣詞不是不重要,但真正的重點在於萬曆對於此事有所表示。他用這種方式向大學士與滿朝文武表現自己知道饑荒迫在眉睫,而他會親自著手賑濟。

萬曆皇帝絕對不會看到饑民,畢竟只要他出宮,士兵都會奉命先把街頭整頓一番,不會讓他看到任何難看的景象。對於饑荒的光景,他所知盡皆來自《饑民圖說》。他大約兩週前收到這份《饑民圖說》,實錄上說他看得「驚惶憂懼」。

兩週後,這部圖說仍然擺在寢宮案頭,想必他已細閱多次,對所見極為震驚,反應就跟鄭貴妃初見時一樣。等到皇帝讓鄭貴妃看圖的時候,他自己已經有兩星期的時間能消化圖說解釋的內容,深入瞭解天災可能引發的人禍,恐將從社會動盪演變為大規模暴力。

《饑民圖說》完全達到了進圖官員所期望的結果,也就是皇帝立即而確實的回應。萬曆皇帝告訴首輔大學士:

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皇貴妃聞,說自願出累年所賜合用之積,以施救本地之民,奏朕未知可否?朕說甚好。且皇貴妃已進賑銀五千兩,朕意其少,欲待再有進助,一併發出。

鄭貴妃賑銀之後,太后、福王、沈王和萬曆本人也輸銀賑災。

他們賑銀的總額,是明朝皇帝動用大內資金單次最高的賑災金額。皇室尚且慷慨如此,讓萬曆朝中的首輔大學士有了道德籌碼,得以要求五品以上官員捐奉薪賑災。

解決饑荒最有效的方法是?

不過,真正緩解饑荒威脅的卻不是這些賑銀。解決饑荒的方法,是造成價格差異化,讓差價的局面來發揮作用:當每石米價來到前所未有的五兩,糧商便產生了商業動機,紛紛把糧食運往黃河受災地區。負責賑災的官員回報皇帝,「米舟並集,延袤五十里。」

每石米價因此下跌到八錢。八錢是五分之四兩銀,仍然是很高的價格,但大致上還是歉收時可見的米價,既不到饑荒時價,也還能讓糧商有利可圖。因此,河南省的饑民未有不濟者,也就是無人因此餓死。

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圖/pexels

這則故事背後還有兩項更複雜的層面。首先,只要詳盡檢視當時河南省的地方志,就會發現該省還不至於瀕臨饑荒。糧產量雖然略微下降,但絕非進呈給皇帝御覽的那種災荒局面。也就是說,對於饑荒的恐懼壓過了實際情況。萬曆之所以自己帶頭賑銀,還逼著文武百官一起,是因為想起中國曾在六年前遭遇過嚴重饑荒,而當時的當局毫無準備。

行動背後的政治算盤

故事裡另一項耐人尋味之處,在於鄭妃。後宮嬪妃中,萬曆最是寵愛鄭妃。一五八六年鄭妃懷孕後,萬曆諭禮部封鄭妃為皇貴妃,並有意立其子(在萬曆諸子中序齒第三)為太子。

此舉引發的繼承問題將困擾萬曆,終其治世,不只讓他跟大臣有了齟齬,甚至到了皇帝罷朝的地步。萬曆試圖把鄭妃塑造成這次賑災故事裡的主角,讓百官不得不追隨她的登高一呼,藉此提高她的地位,進一步推動立其子為繼承人的計畫。這起事件的政治操作當然跟糧價無關。我只是想提醒大家,萬曆朝的每一項決策,其實都有政治操作的影子。

說了這麼多,我們終於要講到本書的核心現象,也就是饑荒時上漲的糧價。一四五○年以前,明代文獻沒有持續記錄災荒價格,但此後的兩世紀間卻開始累積,構成十八世紀前中國最長的糧價序列。

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糧價波動能成為哪些現象的指標?

災荒價與平常的價格不同,災荒價是例外現象。這些價格指出人們是在何時何地留下紀錄,指出特別罕見的情況。但這些價格也有其共通之處——這些數字記錄了人們對於糧食的期望價格,與他們實際得付出的價格之間有多大的差距。我們可以用這些偏離常態的價格為材料,寫出明代的物價史,就能比其他的明代文獻指標更清楚呈現呈現出十五世紀中葉至十七世紀中葉的平民百姓,如何因為氣候條件嚴重惡化而困苦不已。擾動這條界線的並非貨幣供應,而是農業生產的自然條件,在我們所謂的小冰期嚴峻階段受到侵蝕。

如果要衡量小冰期加劇時的農業繁榮程度、人類生存的難易度,乃至於政局的穩定度,最可靠的指標就是糧食價格。一四二○年,永樂皇帝接見帖木兒帝國統治者沙哈魯(Shahrukh Mirza)的使節團。作為開場白,他問起波斯的情況,想知道彼國糧價是高昂還是平價。使節跟他掛保證說很便宜,永樂帝則大方表示這證明沙哈魯備受上天青睞。

永樂皇帝畫像。
圖/wikipedia

糧價低代表收成好,而豐收則是受命於天的明確標誌——對於篡位者永樂來說,這是個極為敏感的神學問題。來使謁見皇帝時,大明國的糧價也很低。除去一四○六年曾因過去幾年降雨太多而導致的嚴重饑荒,以及一四一五年與一四五六年的洪患,中國的氣溫保持在正常範圍,降雨豐沛,豐收可期。

農業繁榮,讓永樂帝得以展開所費不貲的多項建設,像是重修大運河,將首都從他父親治國的南京遷到北京,並向印度洋派出一連串的外交艦隊。一四二四年永樂帝駕崩,十幾年後明朝的昌隆國運也開始走下坡。但永樂治世期間的糧價是便宜的,證明了他是天選之人。

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明代的人民跟皇帝都相信,只要糧價保持公平穩定,天下就會太平。陳其德讚嘆萬曆年間糧價豐亨殷阜的時候,其實他是在替眾人代言,因為大家都認為這是世界該有的樣子。任誰都覺得價格會有季節波動,像是收成後降到低點,或者所謂「青黃不接」時價格會達到最高點。

不過,人們很有信心,只要有了下一批收成,價格就會恢復正常。按理說應該如此。然而從十五世紀中葉開始,每幾十年就會來一次歉收,動搖物價的穩定性(至少短期如此)讓百姓期盼落空。日子一久,物價終於在明末時破滅崩潰。

——本文摘自《價崩:氣候危機與大明王朝的終結》,2024 年 05 月,出版出版,未經同意請勿轉載。

衛城出版_96
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