Loading [MathJax]/extensions/tex2jax.js

0

0
0

文字

分享

0
0
0

未來城市 – 都市垂直農場供你溫飽

李柏昱
・2015/11/26 ・2350字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 556 ・八年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

想像一下,未來走進家樂福或全聯超市,擺在面前的各種生鮮蔬果,可能不會再是美國的蘋果、澳洲的柳丁,或是日本的水蜜桃,農產品不再大老遠橫越半個地球來到你我的餐桌,而是來自只距離幾個街區遠的「垂直農場」。不論你喜不喜歡,這種情景可能不再遙遠。

Vertical_farm2
未來農產品將不再橫越半個地球來到餐桌,而是來自只距離幾個街區遠的「垂直農場」,圖為其中一種垂直農場的構想圖。Source: Wikimedia Commons

為何我們需要都市垂直農業?

人類的糧食危機正在面臨各種險峻的情勢:全球人口將在 2050 年高達 90 億人,農耕土地需求會高達一個巴西面積大小的土地(約等於236個台灣),才足以供養未來人口。然而森林和海洋等重要生態系統所承載的糧食需求已經超出負荷,且現代農業大量的灌溉及使用化學肥料,已經使許多地區地力耗竭,甚至汙染地下水,使土壤變成含有劇毒。為了餵飽人類,自然環境受到日益惡化的破壞和衝擊,現代農業的發展也正在遭遇前所未有的困境。

逆境生轉機,以上各種絕望的現況,也造就了垂直農業興起的契機。新加坡已經在2014年出現全球第一座商用垂直農場。越來越多的投資者將資金技術投入其中。垂直農場被認為是新時代的農業,並將大幅改寫現今的生產方式,也逐漸從理論想像走向逐步實踐。

垂直農場摩天樓=未來農業生產新救星?

垂直農場推動者眼中的各種優點是顯而易見的,包括節省灌溉用水、單位面積產量高、全年皆可種植生產作物、不受災害性天氣影響、掌握食品安全及糧食安全、甚至創造新的就業機會等等。對自然環境而言,也可減緩現代農業對於土地帶來的負擔,紓緩生態系統的本來面貌。此外,由於垂直農場可建造於城市之中,可大幅減少農產品遠距運送的交通成本,也大大減少食物產業帶來的碳足跡。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

新加坡是近年來積極推動垂直農場的國家,以確保這個地狹人稠島國的糧食自給率。Sky Greens Farms 是世界上第一座商用的垂直農場,使用一種創新的生產方式,在園區建構 120 座 6 公尺高的「蔬菜塔」,每座塔有 22 到 26 座生產槽,一天整個園區可以生產一公噸的各式蔬菜。

一座垂直農場的開張需要哪些科技牽成?

美國哥倫比亞大學的迪克森‧戴波米耶(Dickson Despommier)是垂直農場最主要的推動者。他構想中的垂直農場所需耕種技術,是現今歐美已經相當普遍的水耕(Hydroponics),也就是讓植物生長於含有各種礦物質的營養液中。即便在室內也能種植,兼具高產量與低碳足跡等優勢,與傳統種植與土地的農業相比,更能減少70%的灌溉用水量。

水耕栽培的技術依照供液方式的不同,可分為「純水耕」與「噴霧耕」兩大類,其中純水耕又可再依據營養液的深度,細分為湛水耕與淺水耕。但要讓水耕栽培系統成功在垂直農場中應用,除了必須培育蔬菜種苗、調製比例正確的營養液配方,還需要眾多硬體設備的配合-包括確保營養液穩定提供給植株的灌排設施、負責確保植物健康的滅菌系統、控制室內環境的微氣候調控系統等等。而這些系統之間又要如何透過電腦程式整合,讓生產流程能夠自動化,是目前垂直農場推動過程中遭遇的主要難題之一。

垂直農場在現實中落實所遭遇的挑戰?

垂直農場不但仰賴既有農耕技術的應用,但需要大量的科技提供硬體和軟體上的整合,甚至是水利電力等基礎建設的配合,才能造就城市中的一座可供養生命的巨型農產機器人。但是,無論是高昂的建築成本還是電費等營運費用,都是垂直農場想落實於現實之中的挑戰。從工程面來說,室內種植環境需要更嚴格的衛生控管,規格的提升也就意味著工程開銷的增加;而室內環境自動調控系統、以及提供植物光照的LED系統,都會消耗許多電力,光是一張電費帳單就會讓垂直農場的經營所費不貲。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

不過這些問題仍然可能獲得改變。例如位於終年陽光普照的新加坡Sky Greens Farms 農場,就不依賴 LED 燈提供植物額外照明,而是設法讓植物能平均接受陽光的照射。這些A字型的蔬菜塔會以每秒一公厘的速率,將生產槽如摩天輪般緩慢運轉,以保證農作物皆能平均接收陽光照射。蔬菜塔只靠一公升的水泵系統驅動,每座每天僅需花費 60 瓦燈泡的用電量。

目前垂直農場生產出的「產品」仍在接受外界檢驗,品質與風味也被質疑不如室外自然環境栽種的成果,顯示利用營養液、水耕技術和 LED 燈光照射培育出來的農作物,仍有許多可優化的技術空間,才能真正成為消費者願意購買和品嚐的食物。除了成本和技術上的瓶頸,受限於有限的種植空間,垂直農場目前仍以蔬菜水果為主要的栽培項目,其他作物諸如水稻、小麥、玉米等,目前仍無法以室內種植的方式耕種。

無論如何,在今日消費者越來越注重食品的安全與品質的情況下,垂直農場各方面技術的進步,必然會為未來的糧食與農業帶來新面貌。垂直農場未來將如何突破不同地域帶來的挑戰,是值得期待和關注的新興領域。

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所
審校:陳妤寧

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

延伸學習:

 

 

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
李柏昱
81 篇文章 ・ 2 位粉絲
成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。

0

0
0

文字

分享

0
0
0
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

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
衛城出版_96
4 篇文章 ・ 4 位粉絲
"每個人心中都有一座城。每個人在心裡攜帶著文明的種子。 守衛讀者心中之城,與文明的生命力。"

0

0
0

文字

分享

0
0
0
「人無照天理,天無照甲子」?人比畜生便宜?明代鄉紳筆下的災荒紀實!——《價崩:氣候危機與大明王朝的終結》
衛城出版_96
・2024/05/22 ・3411字 ・閱讀時間約 7 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

第一章 陳其德的故事

居安思危的明朝鄉紳

陳其德晚年回首過去時,總是萬分感嘆。崇禎十四年七月十五日的中元鬼節(按今曆為西元一六四一年八月二十一日),陳其德懷著愁緒提筆為文,描述自己周圍世界的崩壞。他親眼看見故鄉土崩瓦解──那是位於長江三角洲,距今上海西南一百公里處的桐鄉。

陳其德在當地教書,沒有什麼值得一提的成就。要不是他描述明朝最慘受災年的文章傳了下來,說不定世人早已忘卻此君是何許人也。

關於陳其德,我們所知的就只有他在自己著作中提到的事情,例如他在一五七○年前後出生,當時一切欣欣向榮。陳其德提到,自己生為傳統「四民」(士農工商,先後順序就是身分高低)中的最高階級,成長於「耕讀」之家,並為此感到慶幸──這代表他們家是鄉間的中等富裕之家,明史學者會稱之為「鄉紳」。

陳其德與其他鄉紳子弟一樣,努力讀書,期盼有朝一日能中舉登科,光耀門楣,為國效勞。二十多歲時,他每隔三年應試一次,卻始終未能中舉。三十歲時,他放棄了入試出頭的抱負,決定好好過生活,轉而從事教學,並且在接下來二十五年間用心教書,知足常樂。也就是說,陳其德相當認分,他受過教育,日子還過得去,也安於當他的低階鄉紳。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

陳其德為了證明萬曆年間豐衣足食,提出了充分的證詞:

斗米不過三四分。

陳其德用來稱呼穀物的字是「米」這個通用詞,指的可以是米心或米粒。「米」在長江三角洲的脈絡中通常指稻米,而不是北方人吃的小米或小麥,南方人比較愛吃米。他用「斗」這個單位來為米計價,而「斗」字面上是指一杓或一桶。陳其德提到的貨幣單位,是白銀的標準小單位「分」,「分」本意指「百分之一」,而這句話裡所說的是什麼的百分之一呢?是「兩」這種重量的百分之一。「兩」是中國主要的貨幣計算單位。

圖/unsplash

物價這麼低,榮景似乎觸手可及,至少陳其德寧願這麼想。誰都不用擔心東西不夠吃。 陳其德用戒慎的態度來勾勒這種安逸,提醒大家榮景不只能讓人豐衣足食,也會讓人鬆懈了道德。一五八八年至一五八九年這兩年間發生嚴重的天災,先是豪雨成災,然後是嚴重乾旱。身為重視道德的儒生,陳其德只能把這兩波天災歸諸於「人禍」。他認為,萬曆初年的富足,讓大家失了道德準繩。雨水與乾旱不只是天災,也是上天的警告。

令人驚心的災年物價

陳其德回過頭來談米價,把老天爺警告的嚴重程度加以量化。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

當是時,積米一擔,博價一兩有六。然米價騰貴,僅以月計,便覺野無青草,樹無完膚,而流離載道,橫屍遍路。

一擔有十斗,等於一斗要價十六分,也就是說米價漲了四到五倍。米價這麼貴,窮人只好盡可能從身邊的大自然找尋替代品,從青草到樹皮都不放過。社會愈來愈動盪。

講完一五八九年的天災,陳其德跳到天啟年間的一六二○年代,宦官派系在統御無方的明熹宗治下抬頭,朝綱混亂,讓政治菁英與衛道人士大感失望。陳其德簡短描述當時的混亂,將之視為上天的警告,接著跳到他為文的主軸,也就是繼位的崇禎皇帝統治末年。

陳其德再次以米價來量化災害並追蹤其進展。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖/unsplash

米價初自一兩餘,漸至二兩餘。至水退而吳興農父重覓苗於嘉禾,一時爭為奇貨。即七月終旬,猶然舟接尾而去也。

陳其德在此把單位往上翻了一番,從「斗」上調到「石」,大約等於一百「升」。數字除以十就能還原出每斗的價格:價格在一六四○年先漲到每斗十分,接著二十分。

這些物價對經濟的影響,是導致市場關閉。至於社會影響,則堪稱災難。連當鋪都關門大吉,因為誰都沒有東西能典當。農民還是打起精神,出門耕田,但作物才剛種下去,蝗蟲便席捲而來,連剛發芽的東西都不放過。溪流乾涸,有水桶也無用武之地。

接下來疫情爆發,很可能是鼠疫,百分之五十到六十的家戶染疫。陳其德提到有許多人「就木」,至於「無木可就者,不過以青蠅為弔客」。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

接著陳其德重新回來談物價,把敘事主軸從米價轉向其他食品的價格,藉此強調物價漲到難以置信的水準。陳其德在文章最後提醒讀者「勿視為老生腐談」。光是能活命就足以感恩涕零,但大多數人都想忘記受過的苦難,假裝什麼壞事都沒發生過,那可不行。

就連豬都比人貴?

災難還沒到頭。陳其德在一六四一年中元節擱筆時,也沒想過情況還可以變得更糟。一年又一個多月之後,陳其德在中秋節(一六四二年九月十九日)再度提筆為文,把去年的故事接著說下去。他在文章開頭提到,那年冬天嚴重缺米。他不是說米價有多高,而是沒提價格,因為根本沒米可以標價。

填不飽肚子的人或者拋棄自己的孩子,或者殺了他們來吃。染疫的比率上升到百分之九十。情況愈來愈慘,無計可施的老百姓甚至不惜把自己討來的丁點食物拿去拜拜,尤其疫情復燃之後更甚,期盼神明能出手幫忙。陳其德說,這種可悲的做法只會讓糧價變得更貴。

又因病者祈祝太甚,食物倍貴於去年。大雞二足,得錢一千;即小而初能鳴者,亦五百六百。湯猪一口,動輒自五兩至六七兩;即乳豬一口,亦一兩五六錢至一兩七八錢。若小廝婦女,反不過錢一千二千。又安見人貴而畜賤耶?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖/unsplash

陳其德此處提到物價時,講到兩種不同的貨幣。豬用銀兩,雞用銅錢,人也用銅錢。社會上普遍把「銅」跟「銀」的用處區分得很清楚,銅錢用來買便宜的東西,銀兩則是用於大手筆的買賣。陳其德用銅錢替奴僕定價,其實是反指不該用銅錢給人標價,銅錢應該是用來給雞標價才對。然而在經濟崩潰的年代,就連豬都比人貴。

大明王朝的儒家宇宙觀

人們往往在逆境中尋求倫理教訓,尤其是陳其德這種道學之士。身居鄉紳底端的他,不停反省自己享有的那一點點特權,免得讓僅有的一絲絲福德溜走。他父母之所以為他取名「其德」(大概可以解為「有德之人」),或者也有這一番期許吧。陳其德身家有限,又沒有中過舉,只能仰賴其德來維持自己的社會地位,而他對此也是戒慎恐懼。

儒家把倫理與宇宙觀緊密結合,讓兩者之間幾乎沒有分別。雨水來自天上,天不下雨,是因為天決定不下雨,做為某種警告或懲罰。今日的我們抱持著大不相同的宇宙觀,但就連我們都會在日常生活中替天氣與疾病生態所受到的擾動賦予道德意義,宛如破壞環境與氣候變遷的警告。

所以,雖然我們的道德權衡基準與明代百姓截然不同,但我們跟他們其實相去不遠。在本書裡,我希望大家各退一步,試圖找回明代百姓生活的世界。我們如今把「世界」想成某個深受條件變化影響的有形生態體系,而他們當年則是把「世界」看成某種形而上的桌上遊戲,主導遊戲走向的則是上天。兩種觀念的建構方式並不相同,我也不覺得非得採用儒家道理,但我確實覺得當時人有他們的體會,他們用自己覺得有意義的方式在理解世界,我們不妨盡可能去貼近他們的體悟與認知。如果我們不去觀照生存危機對他們的意義,就等於是掏空了歷史。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

其實,無論是我們還是他們,大家都生活在一個容易遭受擾動的全球生態系,擾動的因素也許是蒼生愚昧阻礙了天恩,也許是人類製造的碳與氣膠阻擋了太陽能。我們大家還有一個共同習慣,就是從必需支付的物價來看自己財富的變化。本書要順著陳其德的腳步,觀察糧價,但為的不是當成天怒程度的氣壓計,而是做為氣候變遷的衡量指標。

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

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
衛城出版_96
4 篇文章 ・ 4 位粉絲
"每個人心中都有一座城。每個人在心裡攜帶著文明的種子。 守衛讀者心中之城,與文明的生命力。"

0

6
3

文字

分享

0
6
3
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

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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]

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
 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:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  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]

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  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.
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
胡中行_96
169 篇文章 ・ 67 位粉絲
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。