統計降尺度日資料應用案例—玉米生產風險評估

作者：劉雨蓁 專案佐理研究員、徐永衡 專案助理研究員、姚銘輝 研究員

玉米依胚乳特性的不同，可分成馬齒種、硬粒種、爆裂種、甜質種及蠟質種等多種類型；市場上多依其用途，將玉米區分為飼料玉米 （field corn）、青割玉米（forage corn）及食用玉米（green corn）等3種。自2012年起，行政院農業委員會為提高國產馬齒種和硬粒種玉米用途的多元化、增加農民收益，將國內農民種植的馬齒種和硬粒種黃色玉米統稱為硬質玉米。國產硬質玉米除了當飼料用外，也可加工作為玉米粉、玉米糖漿及食品原料等用途（詹等，2016）。

提高臺灣玉米的自給率
過去數十年來，臺灣畜牧業的興起造成飼料需求量大增，加上國民的飲食習慣改變，國內自行生產量的玉米量遠不及消費量。目前臺灣每年消耗的玉米多由國外進口。近年來，硬質玉米進口量約佔總需求量的九成，主要來源國家為美國和巴西（農業統計，2017）。由於國內的硬質玉米大量仰賴國外進口，當主要進口來源國遭遇極端氣候，或受到政策改變等重大事件影響時，糧食的出口量可能導致臺灣進口玉米價格的大幅波動。
為減少受到進口價量波動的影響，政府自2008年提出「小地主、大佃農」政策，推動飼料玉米契作生產，補貼農民轉作玉米及活化農地，以期提高糧食自給率；2017年接續提出「大糧倉」政策，鼓勵休耕地活化，希望能增加本地生產，降低對國外進口玉米依賴程度。而臺灣的地理環境特殊，在全球氣候變遷的影響下，臺灣未來升溫幅度高於全球平均。，本研究利用本計畫今年推出的統計降尺度日資料，推估在氣候變遷的影響下，未來臺灣地區第一期作硬質玉米產量的變化，以瞭解農業生產個區域的風險，作為後續選擇因應氣候變遷調適方法之參考。

玉米產量潛能評估—DSSAT模式
農耕過程中，氣象、環境和作物之間的交感相當複雜，藉助作物模式評估氣候、栽培環境及作物品種等不同因素下的產量潛能，是最方便快速的方法之一。本研究使用的The Decision Support System for Agrotechnology Transfer (DSSAT)作物模式，目前已廣泛運用於評估氣候變遷衝擊。DSSAT模式產量預估值之輸出檔案可與地理資訊系統連結，將產量評估結果面化，可據以評估區域內作物的整體生產力。行政院農委會農業試驗所農業工程組特別開發出「糧食生產評估系統」，是一個整合各項參數的資料庫，依照參數選定、敏感度分析、模擬產量及面化出圖等步驟，建立一貫化的運算流程，有效縮短評估時間（姚等，2015）。評估步驟如下：
1.　將DSSAT模式所需的參數以單點的氣象觀測資料進行敏感性分析，找出主要的影響因子，再比較實測產量與模擬產量之間的差異。
2. 匯入統計降尺度的日最高溫、日最低溫、日降雨量以及日射量等全年逐日氣象資料，進行模擬。
3. 利用系統模擬推估臺灣各鄉鎮市區玉米第一期作產量，並以每期程20年的產量平均，計算基期至未來玉米產量的改變率，從中得知玉米產量的改變程度。
計算式如右： 改變率（％）=(未來玉米產量-基期玉米產量)/基期玉米產量×100%
其中基期代表歷史時期的推估值。
4. 使用地理資訊系統將結果面化，完成危害脆弱度圖。

玉米產量潛能風險評估
風險評估方式則參考陳等（2014）採用之風險分析方法（表1），將DSSAT模式模擬結果得到的產量改變率分為5級；同時將農委會農糧署於2016年全臺灣鄉鎮第一期作的種植面積分為5級，等級越高，代表危害脆弱度越高。以等權重之方式將兩者相乘，再分成五等級：非常低、低、中、高、非常高，繪製氣候變遷RCP8.5情境下的全臺硬質玉米第一期作風險圖。
 

表1 生產風險評估矩陣

玉米產量改變率和風險分析
比較基期與氣候變遷情境下的玉米產量改變率空間分布圖，發現在RCP8.5情境下，世紀初、世紀中及世紀末的產量改變率皆有下降的趨勢（表2）；世紀末產量的改變率甚至超過15%，其中有272個網格減產超過20%。利用風險矩陣，將DSSAT模式模擬產量改變率的危害脆弱度圖套疊全臺種植面積暴露圖，發現在RCP8.5情境下，世紀初的花蓮、臺南及高雄等主要種植區域部分網格屬於中風險，其餘產區則位於低風險區；世紀末的高風險範圍增加，又以花蓮、臺南及高雄的網格數增加最為顯著，而高風險區域的空間分布也向北擴展至嘉義（圖1）。
 

表2 各期程推估之產量改變率平均值

圖1 RCP8.5情境下，世紀末的第一期作玉米產量改變率衝擊圖(左)和風險圖(右)。

研究結果評估
模擬推估結果顯示，若單純使用面化產量改變率的衝擊圖，由於沒有搭配套疊目前種植硬質玉米面積的暴露圖，只能討論栽種區位的適合程度，無法說明目前風險區的位置，亦不利於擬定相關的調適策略。但若能使用DSSAT模式模擬結果，繪製而得衝擊圖，並套疊於目前全臺灣鄉鎮種植硬質玉米的面積暴露圖，即可將相乘結果進行分級，繪製成全臺第一期作玉米的風險圖。推估結果顯示玉米主要的種植地區—花蓮、高雄和臺南在世紀末皆為減產高風險區，未來將針對此三縣市進行更深入的評估分析與調適策略研究。

農業領域另謀生路—氣候變遷下的種植調適選項
面臨氣候變遷帶來的環境改變，農業領域勢必得尋求其他的調適選項，包括育成及選種耐逆境品種、改變種植期間，以及農民的自主性防災等。考量氣候變遷可能對水稻（水田）及玉米（旱田）生育期間帶來的災害，本研究未來也將嘗試結合其他相關領域，產製乾旱、淹水、高低溫害等災害的發生機率圖，並結合全臺灣水稻及玉米種植面積暴露圖，套疊製成危害–脆弱度圖。希望藉此跨域整合之方式，能協助劃分水稻及玉米生產的適合栽種區域和時期，作為未來因應氣候變遷農業耕作調適策略之參考。

參考資料：
詹雅勛、游添榮、王培珊、詹元嘉、吳雅芳、陳昇寬、鄭安秀，2016。臺灣硬質玉米栽培管理技術，臺南區農業改良場技術專刊第163期。
行政院農業委員會農產貿易統計資料庫，2017。
姚銘輝、鍾昀軒、徐永衡，2015。利用未來統計降尺度氣候資料評估臺灣水稻生產潛勢，作物、環境與生物資訊第12期。
陳韻如、陳偉柏、林又青、劉佩鈴、施虹如、蘇元風、陳永明、張志新，2014。氣候變遷衝擊下災害風險地圖，國家災害防救科技中心。
 

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