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就在生活四周——水稻田與調節氣候

2004/09/05 經濟部能源局 點閱人次: 465

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▓撰文:吳富春
▓圖片提供:吳富春

水稻田是台灣鄉間常見的景象,而看似平凡無奇的水田,對於能源有什麼樣的影響?事實上,水稻田與氣候有相當密切的關係,更是影響國內電力使用的關鍵因素之一。

過去台灣在增產糧食的政策下,水稻田的功能著重在稻米之生產,然而隨著我國加入WTO後面臨稻米進口成本及價格大幅降低之問題,水稻田的生產性功能勢必受到影響。事實上,水稻田除了生產性功能外,還有生態及生活上的功能,如調節氣候、淨化環境、補注地下水增加水資源、調蓄洪水及降低洪峰流量等。

水稻田與氣候之間

水稻田調節氣候,可分為兩個層面來說明。第一部份是植物(水稻)葉片氣孔之蒸散機制,植物根部從土壤中吸收水分及營養源(如氮),而使水分從下往上流的驅動力,即是植物葉片氣孔蒸散所造成之壓力差,與利用吸管喝冷飲是相同道理。在蒸散過程中,為了要把水分變成蒸氣,必須帶走蒸發潛熱,因而降低植物本身之溫度,使植物不致因溫度過高而死亡,同時也使得植物釋出之可感熱流減小,使氣溫升高得以減緩。

植物葉片氣孔之開度由兩個保衛細胞所控制,一般而言,氣孔開度與日照強度成正比,但若土壤中水分不足時,氣孔開度即會縮小以防止植物乾死。除此之外,光合作用控制植物吸收二氧化碳之速率,亦會影響氣孔之開度。這些複雜的植物生理機制常藉由氣孔阻抗係數加以量化,進而可建立數學模式計算植物體內溫度與二氧化碳濃度分布。

水稻田調節氣候另一部份是透過田區湛水蒸發消耗潛熱,降低水溫,減小由水面釋放至空氣中的可感熱,亦可達到減緩氣溫升高之效果。若照射至地表與植物之太陽輻射,與地表植物所釋出及消耗之熱量達到平衡時,即可藉由定態微氣候模式,計算出上空至地表之溫、濕度分布,並可利用水稻田所消耗之蒸發散潛熱流及釋出之可感熱流,簡易評估水稻田在夏季所具有之冷房效果及在冬季所具有之暖房效果。

實地量測降溫效果

為實際測試模式計算結果是否正確,台大研究團隊在雲林斗六市溝壩工作站試驗田區架設風速風向計、日輻射計、空氣溫度及濕度計、葉溫度計以及土壤溫度計等設備,連續量測微氣候資料,用來檢定及驗證所提出的數學模式,並且利用當地氣象資料評估水稻田種植水稻時、水稻田休耕蓄水時、水稻田休耕不蓄水(土壤濕潤與乾燥兩種狀況)時,調節氣候之功能。

由於蒸發潛熱為水分轉變為水蒸氣所消耗之熱量,具有帶走熱量之功效,因此團隊以模擬所得之蒸發潛熱代表水田之冷房效果,並以面積5坪之房間所需家用冷氣機功率(2,250仟卡╱小時),將蒸發潛熱流換算為對等之冷氣機台數所具有的冷房效果。結果顯示,每公頃水稻田休耕蓄水時冷房效果最佳,相當於約2,600台家用冷氣機之功效;其次是種植水稻時,相當於620台家用冷氣機之功效;而水稻田休耕不蓄水時,土壤濕潤條件相當於170台家用冷氣機,土壤乾燥條件相當於70台家用冷氣機。

進一步以冷氣每日開機12小時計算,每公頃水田休耕蓄水時每日可節省電力約81,000度,種植水稻時可節省電力約19,400度,休耕不蓄水時濕潤土壤可節省電力約5,300度,乾燥土壤可節省電力約2,200度;以夏日家用表燈電價換算,每公頃水稻田休耕蓄水可節省電費約280,000元,種植水稻可節省電費約67,000元,休耕不蓄水之濕潤土壤可節省電費約18,000元,乾燥土壤可節省電費約7,200元。

節能上限值的表現

由於地表及植物所釋放之可感熱具有升高氣溫之效果,故以模擬所得之可感熱流做為評估水稻田調節冬季氣候功能之依據,並以市面一般1,200W功率之電暖爐,換算每公頃土地所釋出可感熱流對等之電暖爐台數。結果顯示,在水稻田休耕蓄水時,每公頃土地所釋出之可感熱流功率相當於約5,000台電暖爐之功效,暖房效果最佳;其次是種植水稻時,相當於約2,400台電暖爐之暖房效果;水稻田休耕不蓄水時,相當於約1,000台電暖爐之暖房效果。若以一日開機12小時計算,每公頃水稻田休耕蓄水時可節省電力約72,000度,種植水稻時可節省電力約34,000度,休耕不蓄水時可節省電力約14,000度;以非夏日家用表燈電價換算,每公頃水稻田休耕蓄水可節省電費約200,000元,種植水稻時可節省電費約93,000元,休耕不蓄水可節省電費約40,000元。

由於以上數據分別是針對夏季7月份中午時間,以及冬季寒流來襲時之乾冷氣候條件模擬所得,事實上一天24小時、一年365天,氣象條件隨時都在改變,因此上述結果可視為水稻田調節氣候功能之上限值,只在提供相對比較之依據。另外研究團隊目前正在研發新的水稻田生態環境模式,可用來計算水稻田吸收二氧化碳之速率,並且用來評估水稻田淨化空氣之效果。(作者為台大生物環境系統工程系副教授)


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