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氣候變遷已經危害到農作物

陸子鈞
・2011/05/19 ・896字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 589 ・九年級

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隨著全球暖化,預測發生沿海洪災、內陸乾旱對耕地的損害並危及全球糧食儲量,充斥著新聞版面。但這些都是對未來的推斷,科學家對於氣候變遷對農業已經造成的衝擊所知不多。一項新的研究為這塊未知的領域帶來些曙光。

史丹佛的農業學家David Lobell說:「令人沮喪的是,大多研究都在回答未來的問題,而且每個人都認為氣候變遷是未來的事。這不是我們必須預測並預防的事,而是已經發生,並且現在該設法解決的事。」

Lobell和他的同事分析了全球玉米、小麥、稻米、大豆於1980年到2008年間的紀錄。這四種作物占全球人口卡路里來源的75%。藉著降雨和溫度的歷史氣候資料,科學家建立出氣候模式趨勢,控制季節變因,最後將這資料和每年的農作紀錄合併。他們還建立出假設沒有暖化發生時的趨勢,並比較兩組間的差異。

和沒有暖化的情況相比,全球的玉米及小麥產量各減少了3.8%及5.5%,稻米及大豆則維持相當的產量。但這趨勢受區域性影響;和其他地區相比,美加地區的產量看來不因氣候變遷而減少。這結果與全球氣候變遷組織(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)的資料吻合,美東地區不知什麼原因,暖化程度並不及世界上其他區域。

其中最令人驚訝的是,氣溫趨勢區域性差異甚大,還有它如何影響農作收成。相反地,降雨則不對農作有如此大的影響。雖然新的科技和農耕技術提昇了整體的產量,但Lobell強調,技術精進的速度跟不上暖化。研究估計,上升1℃,會減少高緯度以外地區農作產量的10%。

農業及能源經濟學家John Reilly認為這項研究非常有趣且值得討論,但結論並不這麼使人信服。因為仍有許多可能影響農業產量趨勢的細節和變因,並未被考慮進去;包括農作市價、栽種的緯度及不同耕作技術的優勢。Reilly指出,IPCC預期農作物會因為大氣中二氧化碳濃度增加,使農作物有生長優勢。但Lobell認為,他的研究結果顯示,二氧化碳濃度提高帶給農作物的生長優勢,已經到達極限,現在暖化本身會損害收穫。

Lobell 的下一步是在那些氣候溫度變化最大的區域內,研究農人如何調整農耕技術應付氣候變遷,還有哪些技術改良的效果最好。

資料來源:ScienceNews: Climate Change Already Hurting Agriculture [5 May 2011]

其他報導:NatureNews: Climate change curbs crops [5 May 2011]

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陸子鈞
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Z編|台灣大學昆蟲所畢業,興趣廣泛,自認和貓一樣兼具宅氣和無窮的好奇心。喜歡在早上喝咖啡配RSS,克制不了跟別人分享生物故事的衝動,就連吃飯也會忍不住將桌上的食物作生物分類。

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熱穹所壟罩的世界!——熱浪對全球造成的衝擊
科學月刊_96
・2022/11/26 ・4035字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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  • 駱世豪/中研院環境變遷研究中心博士後研究學者。

Take Home Message

  • 歐美熱浪的主因是噴流增強了熱穹的下沉,造成熱空氣北移和累積。臺灣的熱浪則是受到副熱帶高壓的影響。
  • 熱浪發生頻率變頻繁且強度變強,與溫室氣體排放造成的全球暖化效應增加有很大的關係。
  • 熱浪事件對生態、糧食、經濟和健康等面向都造成威脅,全球與臺灣熱浪的持續天數和強度都有增加的趨勢。

古代傳說中,后羿射下九個太陽讓地上的氣候適宜、萬物得以生長,古代的預言已經告訴我們,炎熱的氣候條件不利於萬物的生長。而在現今全球暖化的情況下,另外九個太陽會復活嗎?以上雖是玩笑話,但今(2022)年歐洲國家就受到熱浪(heatwave)嚴重影響,葡萄牙與西班牙最高溫度達到45℃以上;英國更出現54℃以上的極端高溫,發布有史以來第一個紅色高溫預警,並進入緊急狀態。

據統計,歐洲各國在6月因熱浪死亡的人數高達2468人。中國的溫度也突破近62年的歷史同期最高夏季平均氣溫,有23個省分出現40℃以上高溫,許多地方都出現因熱浪致死的案例。臺灣也在7月中出現接近40℃的溫度,並在多地出現35℃左右、維持數天的極端高溫。近年來熱浪的強度和發生頻率不斷提高,造成人員經濟的損傷也愈來愈多,而究竟什麼是熱浪?它形成的背後機制為何?

熱浪是什麼?

「熱浪」是夏季主要造成災害的極端事件之一,根據世界氣象組織(World Meteorological Organization, WMO)的定義:「熱浪現象是指一個地區超過該地區的歷年最高溫度平均值5℃以上,並且持續5天以上。」一個地區能維持極端高溫並持續一段時間,背後一定有些天氣系統所導致。

如近年歐洲、北美熱浪頻傳,主要因素就是噴流(jet stream)與熱穹(heat dome)所造成;東亞主要受太平洋副熱帶高壓(subtropical high)影響;印度和亞馬遜等熱帶區域則主要是受到降雨的影響。各區域因為氣候背景與緯度位置不同,造成熱浪的成因也有所不同,接下來我們會依序介紹世界各地氣候與緯度間的相互關係。

高空之龍所環抱的氣團

當北半球夏季中高緯地區噴流向北蜿蜒形成一個像Ω(omega)的形狀時,就有可能形成熱浪(圖一),或因為它的特殊形狀而被稱為阻塞高壓(omega blocking)。噴流是一股由西往東的氣流,通常位於對流層頂,它的水平長度達上萬公里、寬數百公里,中心風速有時可達每小時200~300公里。

而噴流就像一個在地上亂甩的水管,蜿蜒的波動有時往北有時往南,當噴流在北美或歐洲地區蜿蜒向北時,會形成一個Ω的形狀,也會造成反氣旋(順時針)式風切,進而讓大氣產生下沉運動。在此區域內不易形成對流,造成穩定且乾燥的環境,也就是所謂的熱穹,或是阻塞高壓。噴流和熱穹是相輔相成的關係,噴流增強熱穹的下沉機制,將南邊的暖空氣往北傳送,並將熱空氣累積,所以才形成熱浪。

圖一:熱浪形成原理與機制
(資料來源:AFPgraphics)

而在東亞的夏季,氣溫主要受太平洋副熱帶高壓(subtropical high,以下簡稱副高)影響。副高中心約位於太平洋(東經160度、北緯30度左右),在它的增強過程中會向西伸擴張至中國東南沿岸,而當副高處於增強的狀態時,副高系統會再向西延伸且壟罩整個臺灣。

如上述所說,高壓壟罩的狀況下屬於對流穩定的晴朗天氣,配合上夏季的西南季風,將暖濕空氣往北傳送並堆積在副高所壟罩的區域上,最後在此區域形成熱浪現象。相較於北美、歐洲區域的乾熱浪,臺灣的熱浪屬於濕熱浪(wet heatwave)。除了極端高溫外,還有著高濕度的影響,悶熱的環境對人體有更大的傷害和影響。

另外,印度和亞馬遜熱帶區域雖屬於終年偏高溫的地區,但仍有熱浪現象產生,主要原因是降雨。熱帶地區主要氣候分為乾季與溼季,溼季通常為該地區的夏天,下雨能有助於該地區降溫,所以當降雨系統未出現、延遲或偏移,就很有可能會造成嚴重的熱浪。

熱浪造成的嚴重影響

熱浪事件對生態、糧食、經濟、健康等面向都造成諸多影響,以下將分為四類說明:

生態浩劫

根據聯合國(United Nations, UN)底下的政府間氣候變遷專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)第六次評估報告預測,如果到了2100年全球的溫度升高達到2℃,陸地上大約18%的物種將面臨滅絕的高風險;如果升溫至4.5℃,在我們有紀錄的所有動植物物種中約有一半將受到威脅。臺灣也面臨相同的狀況,當熱浪發生的頻率愈來愈高,持續時間和強度也都增加的狀況下,將發生物種多樣性減少、物種的分布改變、增加外來物種入侵機會等情況,對整體生態系平衡或農業生產造成衝擊。

糧食危機

IPCC於2019年報告中指出,全球主要農產品(如玉米、小麥、大豆)產量都會受到全球暖化影響減產1.8~4.5%。若情況持續惡化,到21世紀中則可能導致產量下降5~30%。

經濟損害

美國報導指出熱浪會造成極端高溫,進而對人體產生危害,所以對於生產力(gross domestic product, GDP)也有影響。在高於平均水平的夏季氣溫下,每升高1℃,美國各州的GDP就會下降0.25%。國際信評機構標普全球(S&P Global)的報告預測,氣候變遷恐導致2050年前全球每年經濟產出損失4%,臺灣位處的東亞區域則會有1%左右的損失(圖二)。

圖二:全球GDP損失分布預測
預估全球於2050年在中度暖化情境(RCP4.5)下,GDP因水災、自然災害以及熱浪所造成的損失分布。
(資料來源:S&P Global Ratings, Trucost, 2022)

人體危害

對於人體而言,熱浪最嚴重的傷害為熱衰竭(heat exhaustion)。根據臺灣氣候變遷推估資訊與調適知識平臺計畫(TCCIP)的報告指出,2003年的歐洲熱浪估計已造成七萬多人死亡;2010年俄羅斯熱浪則導致超過5萬6000人死亡。科學家警告:「如果各國家和企業不採取激烈行動來削減溫室氣體排放,2050年時的英國與高溫相關的死亡人數預計將增加兩倍,而且世界將經歷更頻繁、更強烈、更危險的熱浪危機。」

越來越熱的台灣——極端高溫天氣的頻率增加

熱浪發生頻率變頻繁且強度變強,主要與溫室氣體排放造成全球暖化效應增加有很大的關係。更進一步使用溫度發生機率圖解釋(圖三),若峰值愈接近右邊,代表高溫事件發生的機率愈高;反之,若峰值愈接近左邊,低溫事件發生的機率愈高。當全球暖化效應增強時,就如同圖三所顯示的新氣候,整體機率分布相較於舊氣候來說會往右偏移,往更高溫度的地方移動,造成熱浪事件的發生機率更高。

而實際上全球的變化也是如此,根據科技部、中央研究院環境變遷中心以及國家防災中心的報告,比較全球早期(1951~1980年)和近期(1981~2010年)的日最高溫資料(圖四左),在機率分布圖上可以看到往右偏移的情形,表示極端高溫事件的頻率與溫度都有增加的趨勢。

臺灣的夏季日最高溫度也有相同的趨勢變化,以臺北的資料為例,比對早期(1960~1990年)和近期(2006~2017年)的夏季日最高溫度,能發現近期的頻率分布向右偏移,夏季日最高溫度的發生機率增加,平均值也增加近1℃(圖四右)。全球與臺灣的平均氣溫或極端溫度發生頻率皆有增加的趨勢。

圖三:全球溫度發生機率變化分布圖
若峰值愈接近右邊,代表高溫事件發生的機率愈高;愈接近左邊,低溫事件發生的機率愈高。當全球暖化效應增強時(新氣候),整體機率分布會往右偏移,造成熱浪事件機率增加。而實際上全球的變化也是如此。(資料來源:Matt 科學Taylor, BBC Weather)
圖四:日最高溫與日最低溫觀測頻率分布圖
(資料來源:《臺灣氣候變遷科學報告2017-物理現象與機制報告》)

在未來(21世紀中後期)趨勢的變化中,研究學者利用模式推估,指出以現在的熱浪門檻為標準,未來若是能將全球暖化程度控制在低暖化情境(RCP2.6),則臺灣地區的熱浪不管是在頻率、持續時間或強度上,和現今的差異不大。相反的,在高暖化情境(RCP8.5)情境下,21世紀末臺灣整個夏季都可能處於熱浪狀態。未來若暖化情況持續增長,熱浪的發生將成為常態,而且持續天數和強度也有增加的趨勢。

TCCIP計畫依據IPCC所設定的溫室氣體排放情境,進行臺灣地區的溫度模擬:在高暖化情境(RCP8.5)推估下,世紀末可能增溫超過4℃,而北部地區增溫較南部嚴重,高溫有可能影響農作物生長與收成。臺灣在未來將面臨更嚴重的熱浪衝擊,對於能源使用、公共衛生健康等都可能帶來前所未有的考驗,而這急迫性的問題,就像電影《普羅米修斯》(Prometheus)裡女主角說的:

「如果不阻止它,我們就會無家可歸!」(If we don’t stop it, there won’t be any home to go back to!)

溫室氣體排放情境假設:「RCP」

IPCC的報告中長使用到的濃度路徑「RCP」為representative concentration pathways的英文縮寫,代表不同程度暖化路徑的人為溫室氣體排放量的「情境假設」,其中假設四種不同暖化情境,由輕微到最嚴重分別為RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0、RCP8.5,分別代表的意義如下:

  • RCP2.6:增溫最小且緩慢的情境,輻射強迫力先在21世紀中期達到最大值3 Wm-2,大約和二氧化碳濃度490 ppm相似,然後再緩慢下降到21世紀末。
  • RCP4.5:輻射強迫力會在21世紀末達到一個穩定狀態的情境,約為4.5Wm-2,和二氧化碳濃度650 ppm相似,代表世界各國會想盡辦法做到溫室氣體減量的目標。
  • RCP6.0:和RCP4.5相似,但輻射強迫力為6 Wm-2,約為二氧化碳濃度850 ppm,代表世界各國並沒有盡全力積極做到溫室氣體減量的目標。
  • RCP8.5:輻射強迫力持續的增加到大於8.5 Wm-2,即二氧化碳濃度會大於1370 ppm,代表世界各國並無任何減量的動作。
圖五:輻射強迫力隨時間的變化圖
(資料來源:TCCIP; Representative Concentration Pathway, GRID-Arendal/Studio Atlantis, 2021)
  • 〈本文選自《科學月刊》2022 年 11 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。
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從昆蟲的習性可以預測天氣?敢有影(kám ū-iánn)?——《取得身邊的天氣密碼》
晨星出版
・2022/11/13 ・1501字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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溫度對昆蟲至關重要,因此昆蟲會對溫度產生反應。

有一個普遍的通則:炎炎夏日中,你會先看到大昆蟲,接著見到小昆蟲,最後又再一次碰到大昆蟲。昆蟲愈大,愈能忍受低溫、對高溫愈難耐;因此大昆蟲喜歡在一天的清晨或傍晚的涼爽期間出現,中午的活動力較低;小昆蟲較不耐低溫,會在環境變暖時才現蹤。

夏日裡能常看到昆蟲。圖/Pexels

昆蟲與氣溫密不可分

蘇格蘭高地的糠蚊(Ceratopogonidae)總是令人難受,但可以利用牠們對溫度的敏感度對付牠們。糠蚊蓬勃生長的溫度帶相當狹窄,介於不冷也不熱的溫度之間,因此只要你往上爬/向下走,溫度會上升/下降至牠們的舒適圈之外,就能擺脫牠們。

蟋蟀代表了溫暖的氣溫是眾所皆知的事,此外,蟋蟀的聲音頻率與溫度有直接關係。雖然因不同物種而異,但蟋蟀溫度計主要的規則是,在攝氏十三度的環境裡,蟋蟀每秒鐘叫一聲,且此頻率會隨著溫度上升而增加。

在夏天,天氣溫煦、潮溼且微風徐徐,飛蟻會成群結隊地移動。牠們結伴飛過天空,數量多到人們相信「飛蟻日」的存在,飛蟻日說的正是飛蟻同時在全國各地現蹤的日子。不過,正如我們所知,陸地上的微氣候變化甚大,因此知道飛蟻日是個迷思也不該為之震驚,只是某幾個區域的條件正巧在那幾日適合飛蟻出巡。倘若你遇見一大群飛蟻,牠們捎來的訊息是,現在的氣溫大約攝氏十三度,風速低於每秒六公尺。

螞蟻藏著天氣機密?

據某些傳說所言,螞蟻直線移動代表壞天氣即將到來,但我未觀察過也沒有科學理論能佐證這點。

更有趣的是,澳洲原住民有一個習俗,說螞蟻在蟻窩周遭蓋高牆表示大雨將至,西方也有相同的俗諺。之前的章節提過太平洋諸島的居民發現小火蟻(red ant)會在風雨來襲前堵住巢穴,天氣晴朗時則大敞家門,這在西方諺語裡也提過。我還沒觀察到這個現象,但出現在廣泛的文化圈,甚至是兩個信仰社會尚未接觸的時間點就已發展出這種說法,說它沒有參考價值還真不為人所信。

許多科學研究能支持螞蟻對溼度敏銳的觀點:研究人員曾觀察到編織蟻(weaver ant)在熱帶風暴來臨前織網。

編織蟻(Oecophylla),英文稱之為Weaver Ant和Green Ant。圖/維基百科

其他物種裡,螞蟻、白蟻丘的排列和太陽脫不了關係。澳洲北部,羅盤白蟻(Amitermesmeridionalis)建造了指向北邊的蟻丘而為人所知;蟻丘細細的部分指著中午的日頭,寬闊的部分則指向清晨與向晚的太陽,這有助於調整蟻窩的溫度。

世界上有超過一萬三千種獲得命名的螞蟻物種,牠們都擁有各自的習性,我們要多關注近身物種的行為。

我時常運用一些螞蟻的方式,它們比起天氣更接近自然導航,不過兩者間有許多重疊的部分。在英國,排水性佳的草地經常可見黃土蟻(Yellow meadow ant)的身影,我家附近的白堊山丘就有很多。黃土蟻呈暗黃色,牠們的蟻窩比螞蟻本身有用多了;黃土蟻會將蟻窩向上堆到 0.5 公尺高,較為平坦的那一面通常面向東南邊,可以充當太陽能板,在涼爽的早晨收集太陽的熱量。

——本文摘自《解讀身邊的天氣密碼》,2022 年 10 月,晨星出版,未經同意請勿轉載。

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靠天吃飯行不通,氣候變遷下的「進擊農業」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/12 ・2354字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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根據聯合國政府間氣候變遷專門委員會在 2022 年發布的第二工作小組「衝擊、調適與脆弱度」報告 (AR6 WII) ,人為導致的氣候變遷包含更頻繁、強度更強的極端天氣事件,以及在升溫情境下人類和自然都將面臨各種風險。

傳統的水稻耕作法在插秧時需要使用大量的水。(圖/envato)

去年 (2021) 年斯德哥爾摩研究所的報告指出,農業是受氣候變遷衝擊最大的產業之一, 不論是極端天氣或長期氣候模式轉變,農業所承受的風險是其他產業的好幾倍。

過去一年,臺灣各地經歷了大大小小的淹水和乾旱,我們常說農業是「靠天吃飯」,在氣候變遷之下,臺灣農業會遭受什麼衝擊呢?

靠天吃飯的農業

由於臺灣農作大多露天生產,更容易受溫度和雨量影響。暖化趨勢可能會使作物產期提前或延後,進而影響到品質與產量,以稻米為例,溫度上升的情境下,全臺稻米產量呈減少趨勢,二期稻作又比一期減產程度更大。

至於爲什麼稻作會分成一期和二期?主要因為臺灣介於熱帶、亞熱帶氣候之間,氣溫溫暖且雨量豐沛,一年內適合種植水稻的月份達十個月,因此每年可以種植兩期水稻,第一期通常在冬末春初時插秧,夏季收成,期間約在每年二月至六月;而第二期在七月至十一月,由於氣候條件不同,第二期的單位面積產量通常比第一期低,氣候變遷的升溫情境下,二期產量下降又更為明顯。

極端氣候的影響下,降雨分布也呈現兩極化,乾旱或是暴雨成為常態。(圖/envato)

此外,當降雨型態轉變,雨量太少時造成農作物缺水、強度過大則破壞外觀及品質;而大氣中的二氧化碳濃度提高,會導致植物體碳氮比上升,使農作物更容易遭受病蟲害感染。

雖然「靠天吃飯」的農業受到許多氣候變遷下的衝擊,但其實還有一句俗諺説:「只靠雙手不靠天,修得水利萬年甜。」

臺灣農業究竟如何要克服這些困難呢?一起來看看這些調適策略吧!

水資源不夠「旱田直播」行不行

這邊的直播可不是指在田梗間架手機鏡頭,現場 Live 給大家看作物生長,而是一種直接將水稻種子播在土裡的種植方式。但為什麼要採用旱田直播,而非插秧灌溉這種大家熟悉的方法呢?

水稻種植需要許多水,尤其在插秧時更需要長達三個月的「淹田」,也就是將插滿秧苗的田灌滿水,才可以讓秧苗好好長大。

而故事就要從新竹縣新豐鄉說起,新豐是新竹縣稻米產量最大的產區,然而卻是位於俗稱「風頭水尾」的地區,由於地理位置在石門水庫最尾端,灌溉時搶水搶不過上游的農田。

前面有提過,臺灣水稻一年中可以分兩期栽種,在一期稻作的淹田工作期間大約是一月至四月底,恰好落在臺灣十一月至四月的枯水期,正需要水的時候卻沒有水,使在地的青農開始思考,若未來水情更緊張時,新豐還能繼續種植水稻嗎?因此,必須找出能永續種植的解方。

於是,他們便開始嘗試「旱田直播」的種植方式,直播與傳統種植最大的不同在於,初期不插秧、不淹田,省去這兩個步驟便可以減少大量的灌溉用水。

旱田直播的前三步驟便是關鍵,首先為種子處理,就像是打電動時,在對戰前要先把裝備穿好以防止被攻擊,由於直播不會經過育苗,種子會直接在土壤裡發芽,必須先將種子消毒、裹上藥劑,避免感染水稻在發芽過程的常見疾病;接著是整地,透過整田機具打破犁底層,未來水稻種子發芽時,根系可以更深入土壤表層生長,即便在水分不充足時,秧苗也可以自己在土壤裡找水份;最後為播種,將種子直接播種至土上,再覆上一層土壤保水,給種子適合發芽的環境。

當然,最重要的還是秧苗長得怎麼樣,與生長時間相同的傳統秧苗單株作比較,旱田直播秧苗根系更長、更茂密;由於不用育苗,整地播種的時間提前至十二月底,地上部的莖、葉也有較充裕的時間生長,更為強健、耐旱,有可能成為未來氣候變遷下水稻產業的永續策略之一。

「好天要存雨來糧」—— 農業調適策略還有這些

這句古諺意思是告訴人們要未雨綢繆,替之後的變化做準備,就像現在的我們面對氣候變遷帶來的衝擊,也需要不同的調適策略,應對未來的挑戰。例如使用分子標記輔助育種,找出與性狀相關的基因後做記號,縮短育種時間,開發出能抵過逆境的品種。

而開發新品種的基礎建立在遺傳資源上,這些是幾萬年來大自然演化之下的結果,因此臺灣作物種原庫就像是一座銀行,保存著珍貴的遺傳資產 —— 作物活體種子。

就如同戰鬥組合技,有時經典能力加上新裝備就能發揮最大效用,過去農業發展過程中,前人便留下許多經驗的傳承,搭配現代科技及資訊,有望在未來走出一條永續的路。

臺灣的農業故事展示廳,介紹臺灣農林漁牧業各面向的新發展。(圖/國立科學工藝博物館)

位於高雄的國立科學工藝博物館「臺灣的農業故事展示廳」,便展示了臺灣農業的多元發展,不僅是氣候變遷的農業調適,從臺灣農業的本土特色到科技成就,例如從博物館級的「植物工坊」了解全人工光源、無土的栽種方式,智慧農業 4.0 又是如何改善畜牧業的生產,以及透過 DNA 互動遊戲理解新品種如何產生等,在參觀的過程中看見臺灣農業的今天和未來。

參考資料

  1. 斯德哥爾摩環境研究所報告
  2. 臺灣氣候變遷推估資訊平台
  3. 氣候變遷對台灣農業生產體系的影響
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