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以科技為弩、研發為盾,談全球農業發展課題及跨領域創新研發趨勢

台灣經濟研究院/林維君 副研究員

傳統農業看天吃飯的觀念已逐漸被打破,過去仰賴經驗法則或技術傳承,已不足因應面臨天災、市場價格劇烈波動造成的巨額損失。本文欲以科技為弩、研發為盾,探討全球農業發展的重要課題,以及農業科技研發趨勢的面向,解析政府對於農業科技政策創新與角色扮演,並建議創新研發成果轉化智慧財產為產業技術資本,從而提升政府科技預算實現價值。

隨著全球氣候暖化、自然環境改變,各個產業受影響的層面亦不斷擴大,其中對於農業的衝擊更甚以往。在耕地面積有限而人口不斷攀升的今日,為持續生產糧食,並精進農業技術,科技研發扮演了非常重要的角色,而政府鼓勵與補助研發活動,更是推進研發創新的重要政策工具。

全球農業發展面臨著極端氣候後續引發糧食或穀物產量銳減,人口增長帶動糧食需求的提升,水資源短缺左右生物存活與否的關鍵,最後土壤劣化則衝擊著糧食安全。

全球農業發展重要課題

(一)氣候變遷

聯合國政府間氣候變遷專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC),分別於1990、1995、2001、2007及2013年正式發表五次「氣候變遷評估報告」,各國莫不重視氣候變遷所導致的溫室效應與各種環境變化。其後於2014年3月由IPCC氣候變遷綜合報告「Summary for Policymakers」(決策者摘要),深信氣候變遷對多數區域農作物收成量的衝擊更勝以往,直接衝擊農業生產活動與產出,而極端氣候所造成的穀物與糧食價格上漲,更顯示極端氣候後續引發糧食或穀物產量銳減,致使其市場價格波動的敏感性更為明顯(IPCC, 2014)。

聯合國糧農組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO)估計2030年後,氣候變遷將對所有區域的栽培業、畜牧業、漁業及林業生產都產生嚴重的影響。例如:持續的高溫導致作物呼吸作用增加,進而影響作物生理時序,亦促使畜禽動物發生熱緊迫,影響動物健康與繁殖性能。據FAO評估,氣溫每上升1℃,則糧食產量將減少10% (FAO, 2016)。

根據IPCC第四次評估報告之後十多年來的大量科學文獻,作為歸因於氣候變化明確的科學證據,針對自然系統、生態系統及人力與受管理的系統,以區域為尺度,繪製全球各區域歸因於氣候變遷的廣泛影響示意圖,大多數區域對於氣候變化受影響最深的是自然系統,許多陸地、淡水及海洋物種,已改變其地理分布範圍、季節活動、遷徙規律、族群豐富度及物種交互作用,然而,更多科學文獻指出,對於多個地區與多種作物的研究顯示,氣候變化對作物產量的影響是負面而非正面的(IPCC, 2014、附圖)。

IPCC對氣候變遷之第四次評估報告―全球各區域歸因於氣候變遷的廣泛影響
▲ IPCC對氣候變遷之第四次評估報告─全球各區域歸因於氣候變遷的廣泛影響。
資料來源:IPCC (2014)。
備註:
  1. 依據IPCC第四次評估報告之後的科學文獻觀測,影響的相對作用與歸因的信度,係按照區域尺度的相關影響,分別針對自然系統、生態系統及人類與受管理的系統進行分組。
  2. 各區域右下方橢圓圈內的數字,表示從2001~2010年關於該地區氣候變化的科學文獻總數,該文獻總數則是依據是Scopus所顯示的英文期刊摘要資料庫,並從標題、摘要或關鍵詞中提到氣候變化之國家出版物(截至2011年7月)。文獻總數反映各區域現有關於氣候變化之科學文獻的總體情況,並非表示每個區域之氣候變化影響歸因的出版物數量。
  3. 用於歸因評估之科學文獻,其篩選標準遵循IPCC第二工作組之第18章確定科學證據標準。
  4. 關於極地地區與小島嶼的研究,併入臨近的洲域研究,圖中沒有增加歸因於氣候變化的影響,並不表示此類影響沒有出現,而支持歸因影響的文獻則反映了知識庫不斷擴大,然而許多地區,相關文獻目前仍然非常有限,這也顯示了在文獻數據與研究方面存在空白。

(二)人口增長

根據聯合國(2015)統計(附表),1950年全球人口總數約為26億,至1987年全球人口成長至50億,至1999年則達到60億,至2011年10月,全球人口已達70億人。全球人口分布,有60%(44億)生活在亞洲,16%(12億)生活在非洲,10%(7.38億)生活在歐洲,9%(6.34億)生活在拉丁美洲及加勒比地區,其餘5%生活在北美洲(3.58億)和大洋洲(3,900萬)。

全球人口分布區域與未來成長趨勢
全球人口分布區域與未來成長趨勢
資料來源:United Nations (2015)。

FAO於2016年10月發布「2016年糧食與農業概況」報告,指出全球暖化持續威脅糧食安全,且據FAO預測至2050年,糧食需求將以2006年的水平上至少增加60%,才能滿足全球90億人口的糧食需求(FAO, 2016)。

(三)水資源短缺

水是生命的泉源,為生物存活與否的關鍵資源,隨著人口持續增加,全球用水量也將與日俱增。2015年世界經濟論壇(World Economic Forum, WEF)發表的「全球風險報告」,已將水資源列為影響全球最具風險的第一位,2016~2017年,則維持在前三位(WWF, 2017)。

聯合國教科文組織於2015年3月20日「世界水資源開發報告」指出,若不改善人為浪費與水汙染問題,2030年全球恐面臨40%地區缺水窘境(United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization, 2015)。全球淡水資源約為3,240立方公里,其中70%用於農業,22%用於工業,8%為生活用水,據聯合國推估,至2030年,全球供水量將減少40%,而至2050年,需要比現在多出50%的水,才能維持全球運作穩定(林妤蓁,2016)。

台灣人口密度世界第二,僅次於孟加拉,每人每年平均分配的雨量約為4,074立方公尺,僅為全球每人每年平均分配雨量21,796立方公尺的19%,顯示台灣為水源少且不穩定,因而被列為全球第18個缺水國家(羅偉誠、徐國錦,2016)。

(四)土壤劣化

全球有超過40%的旱地面臨土壤劣化的問題,且惡化的情形因為氣候變遷的關係正急遽加速中。

IPCC於2015年底召開以氣候變遷為主題的巴黎峰會上闡釋「氣候變遷與糧食安全」問題,並提出「千分之四」倡議(4 Per 1000 Initiative: Soils for Food Security and Climate),期望使土壤成為減緩全球暖化的「碳儲存器」。此一倡議,乃法國政府基於科學研究,指出土壤的重要性不但能生產足夠的糧食,亦有助於解決全球暖化問題,每年如能於土壤中增加4/‰的有機物質儲量,即可削減全球溫室氣體排放量(LPAA, 2017)。

為對抗土壤劣化,減緩土壤劣化對糧食安全與農業帶來的負面衝擊,如能透過此一國際倡議,鼓勵各國政府採取相關措施,積極穩定土壤狀況,亦將有助於提高農業面臨極端氣候的適應能力。

創新研發為國家競爭力之關鍵要素,檢視2017年我國農委會科技計畫之施政重點,除對應氣候變遷的調適,亦建置數位多元的服務、啟動智慧農業4.0計畫,其推動領域亦包括領航產業技術研發與應用,希冀齊力帶動農業競爭力的躍升。

農業科技研發趨勢

傳統農業看天吃飯的觀念已逐漸被打破,過去仰賴經驗法則或技術傳承,已不足因應面臨天災、市場價格劇烈波動造成的巨額損失。

在氣候變遷方面,研發耐旱、耐淹水作物與耐熱畜禽品種、開發吸收空氣中二氧化碳排放或降低甲烷產生系統,早已成為各個農牧國家發展之重要手段。於人口增加方面,則於提高單位生產面積與產量,增加收成為目標,發展精緻農業為首要政策。於水資源管理方面,則須開發節水系統與精準給水策略,以妥善運用水資源。於減緩土壤劣化方面,增進土中微生物與礦物質含量,改良土壤質地,方能提高作物健康程度。惟農業科技發展面向廣泛,運用於農、林、漁、牧等不同領域,均有其技術難易度或成本高低上的差異。

從市場需求面與生產供給面來看農業科技研發,前者主要是以市場導向,以符合消費者需求為主,同時顧及消費大眾於環境保育意識提升、重視食品衛生安全及產銷履歷認證,以維護消費者食的安心與安全,更擴及其對食源知的權利,後者則以生產管理為導向,以跨領域方式導入更為精準的天氣預測系統、大數據分析管理決策及智慧生產模式,提高因應氣候災變的能力、穩定農產品產量與品質,減少生產過程中的耗損並增加產值。

(一)友善環境農業

為減緩氣候變遷對農業帶來的負面影響,同時發展永續農業,可透過各種友善環境措施,如自然農法、有機農業、永續養殖,或合理化施肥、水產養殖節電、綠能畜禽舍,各國陸續訂定有機與提升動物福利等友善環境相關認證或標章,一方面輔導民間企業使用友善生產系統,一方面鼓勵民間驗證機構投入標章驗證,引導產業結合「生產」、「生活」及「生態」的永續方式,建立友善環境農業(農委會,2015)。

於永續環境有關的ASC永續水產養殖認證,可謂近幾年來水產品中最具影響力的驗證機制,包括荷蘭超市龍頭Ahold集團、行銷據點遍及歐亞的海鮮供應商Anova Food LLC、Metro Group,以及美國最大連鎖超市Kroger公司,均為支持ASC產品的運營商。ASC係為水產養殖管理委員會Aquaculture Stewardship Council之縮寫,由世界自然基金會(World Wildlife Fund, WWF)與永續貿易倡議組織(Sustainable Trade Initiative)於2010年共同協助成立該會,旨在訂定全球領先的負責任水產養殖永續發展標準,並運用有效的市場機制,將水產養殖轉化為環境永續與賦予社會責任的事業,從而創造價值鏈。驗證項目涵蓋七大重點,包括:(1)遵守當地國家及地方法規;(2)保護當地生態及生物多樣性;(3)保護水資源;(4)生物多樣性與野生族群;(5)使用資源應負的責任;(6)對環境負責任的方式管理魚群健康;(7)擔負社會責任,目前共有八個標準含蓋12個水產品種,包括鮭魚、蝦、台灣鯛、鱒魚、博氏巨鯰、鮑魚、雙殼類(牡蠣、貽貝、蛤蜊、扇貝)、海鱺(ASC, 2017、漁業署,2013、亞太糧肥,2013)。

此外,如能於從事農業活動當中,同時發揮循環使用策略,發展節水、節能及減廢等技術,再生農業副產物或廢棄物為加值利用資源,從而提高農業產業鏈與循環經濟之綜合效益,當能扭轉線性消耗行為,改變為循環使用之友善環境態度。

(二)食品安全管理

食品安全是基本的食的權利,為保障食品於生產、加工製造、儲運期間之衛生及食用安全,降低病菌感染與防範食物中毒,各國際組織或政府為把關不同食品類別而推行的標章認證制度,皆訂有各類規範,作為食品安全管理的準則,經驗證具備該規範下所生產的食品,方能取得認證標章(國發會,2017),常見的國際標章如ISO 22000食品安全管理系統、HACCP危害分析重點管制系統,以及國內的食品GMP與CAS台灣優良農產品等認證標章。

近年國際間推廣的FSSC 22000食品安全管理系統標準,為歐盟食品飲料業聯盟(The Confederation of EU Food and Drink Industries, FoodDrinkEurope)所鼓勵與推廣,於2009年取得全球食品安全促進會(Global Food Safety Initiative, GFSI)之核准,近來該食品安全認證機制,逐漸成為主流的認證機制,並被視為標竿。FSSC 22000結合良好操作規範(GMP)、HACCP及其他管理系統要求,並可滿足消費者與產業法規於食品安全方面的要求,此標準之設計特色,涵蓋食品供應鏈的所有過程,並且更容易被實施與審核(SGS, 2017、Leadership, 2017)。

(三)產銷履歷認證

產銷履歷認證為建立農產品管理之溯源制度,透過落實永續農業精神,以國際間兩大驗證體系,包括良好農業規範(Good Agricultural Practice, GAP)與履歷追溯體系(Traceability),建立農產品履歷追溯系統,使農產品產銷所有流程達可追溯、追蹤制度,降低生產過程中與產品可能存在之風險,例如:食品安全、農業環境永續及相關從業人員的健康風險,並賦予產銷流程中所有參與關係人擁有明確的責任範疇,倘若發生食品安全事件時,可迅速釐清責任並即時將問題產品從市場下架或移除,降低前述各類風險事件對各類對象的危害與損失。

依據《農產品生產及驗證管理法》,國內目前採自願性的農產品產銷履歷制度,截至2017年4月15日為止,國內有效驗證機構共有13家,依據有效認證到期日,從遠至近為台灣食農安全檢驗股份有限公司、中華驗證有限公司、屏東科技大學、中央畜產會、農業科技研究院、環球國際驗證股份有限公司、台灣海洋大學、暐凱國際檢驗科技股份有限公司、成功大學、嘉義大學、采園生態驗證有限公司、中興大學、台灣檢驗科技股份有限公司,取得認證的農產品經營業者家數及農戶數分別為1,704家與6,213戶(農委會,2017a)。

(四)天氣預測系統

國際間的農業生產部門,已開始著手投入大規模農業管理模式轉型與建立氣候智能之糧食生產系統,並提供資金融通需求,以更好的設計與實施策略,統籌並兼顧農業與氣候變化之應對策略(FAO, 2016)。

為引導永續農業發展,大幅改善糧食安全與其糧食生產對氣候變化的抵禦能力,部分國家利用天氣預測系統,列入農業政策,透過精確預測農、林、漁、牧等各產業所需氣象資訊,發展氣候智能型農業。

前述天氣預測系統,係利用氣候變化趨勢與近期數據,預測短期資訊評估當地氣候變化,以提供糧食栽培、生產作業及促進糧食安全與增強適應性方面的潛力,並因應氣候條件調整生產策略,例如:改變種植時間、採用耐熱抗旱品種、培育新品種、改變種植或畜養內容、改善土壤與水資源管理等,將氣候預測與生產計畫結合,提高區域農業多樣性、實施灌溉策略,或轉移非農業項目,以維持生計來源(FAO, 2016)

(五)大數據分析與智慧農業發展

隨著大數據應用與發展日益成熟,使用者不但可透過雲端、數位平台或手持式電子裝置,取得各種農業資訊與資料庫,氣候資訊如溫度、溼度、降雨量等,市場資訊如各類蔬果、禽蛋、肉類價格。再者,透過歷史紀錄分析農作成長、林木栽植、水產與畜禽養殖育成、遠洋漁業目標魚群定位及追蹤系統等過程,即時比對資料並轉化為可用資訊,協助農事運作,更能透過過去數據的分析,預測未來可能發生的旱害、洪災、寒害、風災、病蟲害,甚至是遠洋漁業目標魚種篩選與可捕獲尺寸,及早規劃各項作業或各種災害預防工作。

美國農業部於2017年4月11日公告通過國家糧食與農業研究所(National Institute of Food and Agriculture, NIFA)預算,支持其建立糧食與農業科學基礎及應用知識(Agriculture and Food Research Initiative, AFRI),以解決一系列糧食安全、永續農業及農村創業等全球性的挑戰。NIFA總監Sonny Ramaswamy表示,以2050年全球預計將超過90億人口為前提,指出農業產量可能需要大幅度增加,為滿足需求,確保營養與糧食安全,必須為畜牧、作物及關鍵資源,開發創新技術與永續管理策略。AFRI將聚焦於利用大數據綜合新知識,做出預測性的決策,以促進利用數據驅動的農業創新活動,並尋求開發美國動物疫苗學的研究網絡應用,與國際共同開發新的疫苗工具與技術。此與美國農業部支持利用大數據解決方案相符合,預期可以克服當代農業面臨的複雜問題(USDA, 2017)。

此外,大數據的分析有賴專家智庫的導入,以協助農業各階段數據分析,俾利農民或農企業決策與管理,亦能結合航遙測技術、地理資訊系統,判讀作物生長情勢,並可藉由肥料施用或病蟲害危害情形,預測產量或區域面積產率、強化作物生產管理。若能因此預測天候可能造成的產量下降或損失,將能透過計畫性生產與調節作業,因應預期性的市場供需平衡而減少農民損失,也能使政府每年預算災損補貼費用下降。

智慧農業乃以數據分析為核心,降低非必要的投入,並精準投入生產過程所需的物料與人力,其不僅是發展自動化控制機械,而是將過去累積的數據予以分析並給予特定意義,透過系統性的關鍵參數設定,採取決策措施或建立服務支援系統,從而改變傳統農業生產經驗與模式,更提高生產效率與成本降低的益處。例如:越南清化省引入氣候智能型養殖系統,使用該系統可減少養殖池過剩飼料,不但提高生產效率與減少溫室氣體排放,並使養殖漁戶收入增加14~43% (FAO, 2016)。

台灣過去大量投資資通訊產業(ICT)的發展,如今該產業已然成熟並能夠成為我國強化農業發展的重要工具。在面臨全球氣候變遷、人口增長、水資源短缺及土壤劣化等困境的同時,政府應引導產業突破前述困境,化危機為轉機,激勵創新研發,運用資通訊技術發展節能、精準與高效的農業產業活動。

政府對於農業科技政策創新研發策略與角色扮演

有鑑於我國農業普遍面臨經營規模小、耕地坵塊細碎、從農人口高齡化及勞動力不足,加上水資源時空分布不均,對外行銷受到全球貿易競爭與自由化影響,以及愈來愈密集發生的極端氣候,均直接或間接導致農產品產量與價格波動。政府為因應前述農業發展課題,於2016年年底規劃「新農業創新推動方案」(2017~2020年),透過建立農業新典範、建構農業安全體系及提升農業行銷能力,保護農地數量、提升農地利用效率、青年人才留農,持續推動可信任之農產品質標章認證,同時提高農產品附加價值及農民所得,創造幸福農民、安全農業、富裕農村的農業新願景(行政院,2017)。

2017年度行政院農業委員會科技計畫施政重點,包括「發展畜禽產業加值及永續友善環境」、「國際合作科技發展」、「E化領域科技發展綱要計畫書―強化農業數位多元服務(簡稱數位多元服務)」,其中「國際合作科技發展」包含因應氣候變遷高溫與乾旱危害之水稻生長模式模擬研究、應用遙測技術於作物生產力定量計測技術及強化稻作生產技術國際合作(IRRI)、以生物遺傳資源平台建置抗耐逆境優質水稻研究計畫,以應對氣候變遷及提升糧食自給率,並加強與APEC進行降低糧損技術與產業發展之國際合作等計畫,提升我國農業因應氣候變遷之減緩與調適能力。

另於「數位多元服務」項目,則包含「應用遠端感測監控技術及高效運算系統,布建各重要農作產區害蟲自動監測裝置,打造智慧化預警監控專家系統,提供疫情防治預警即時決策重要參考資訊」,顯示我國正運用E化與數位科技提高政府於農業領域服務之效能(農委會,2017b)。

此外,行政院農業委員會自2017年起,正式啟動智慧農業4.0計畫,推動領航產業技術研發與應用,如蝴蝶蘭、種苗、稻作、農業設施、溯源農產、智慧化養殖、生乳產業、遠洋漁業智能化管理及自動化研發、家禽(水禽)產業,並發展智慧農業4.0共通技術、人才培育及產業策進計畫,其中產業策進計畫則納入已推行11年的農業業界科專,並新增業界參與計畫。

面臨全球永續發展的重要產業課題,農業仍首當其衝,預期農委會透過前述計畫之實施,持續注入強本革新活水,大幅帶動農業創新與跨領域研發,最終反映農業產值提升,並使農業成為兼顧生產、生活及生態的三生產業(行政院,2017)。

結語

創新研發為一國之國家競爭力之關鍵要素,尤其身處知識經濟時代中,透過政府科技施政,鼓勵產、學、研各界投入農業創新研發,齊力帶動農業競爭力大幅提升。

創新研發亦為各企業機構強化市場競爭力的重要指標,透過創新研發,提高技術與產品之市場差異化,可增加競爭者進入市場門檻,拉長市場獨占時間,並在面臨下一輪競爭洪流來襲前,已獲取市場獨占價格與獲利的可能性,且政府多年來以各種優惠措施鼓勵企業投入研發,並長期關注受補助業者研發績效。

建議相關企業日後投入農業產業技術研發,尤其是申請政府研發補助資源之企業,除掌握產業技術研發關鍵成功因素以外,並應於各個研發短、中、長期階段展現執行成效,以轉化智慧財產為產業技術資本,提升政府科技預算實現價值。

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