导入5大农业跨域技术 开展全球粮食生产新契机

发布者:网站管理员
发布时间:2020-09-29 01:49
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专家预测无人机最有发展性的领域就是农业。(图片提供/CC0 Public Domain)

联合国粮农组织(FAO)预测2050年有四大主要因素将造成传统农业模式对于未来食物需求的压力:包括人口总量增加、自然资源缺乏、气候变迁与食物浪费。人口方面,专家预测将增加24亿人口并转往都市,都市化除了造就收入提升,亦造成基础设施如冷链的需求增加。

都市化人口对动物来源食物的需求,迫使人们需要多生产70%的粮食;同时,肉类需求增加对环境的影响也加剧,增加的畜产养殖占了几乎四分之一的农业用水,且占人类温室气体排放量的18%,长远来看对环境的负面影响相当大。在气候变迁的影响下,现今天然资源使用量呈现高度紧绷,包括全球大于40%的农村人口族群居住在缺水区域,因为农业发展造成土地资源贫脊。植被的过度削减加上不当的策略性休耕、轮作及过度放牧,全球至少有25%的农地已被评为高度贫脊,其余44%则为中度或轻度贫脊;前述土地资源短缺造成耕地更小,产出更少,也造成农村更为贫困。

全球生产的粮食有33%~50%完全没被吃下肚,浪费的食物价值超过1兆美元。食物浪费也对环境有害,浪费的粮食需花掉比中国大陆还大的土地面积来种植,且造成土地砍伐、物种灭绝、原住民迁移及土壤贫瘠。此外,食物浪费不只造成资源本身的耗损(土地、水、劳动力、能源、制造与包装等),当其进入掩埋场,不经氧化而产生甲烷,所产生的毒性会比二氧化碳更高23倍(FAO, 2018)。

由上可知,未来的农业生产方式有必要转型,并应用新技术以不一样的方式生产,才能提供人口成长所需的粮食;此外需使用更少能源、化肥和农药,以因应气候变迁的问题并改善环境。

农业跨域技术的发展契机

跨域技术的导入是新一波的农业科技革命,其技术不仅创新,更颠覆过去传统生产的经营模式,让务农者得以更环保永续的思维经营农业生产环境,并符合收益和效能。尤其在资讯技术如5G或数位技术的突飞猛进下,联合国预测到2050年都市化虽会降低农村劳动力,但农业跨域技术将减轻农民工作负担,可远端操作、自动化处理、辨识风险并解决问题,得以回应消费者真正需求,并借此重新塑造粮食生产价值链。

藻类原料

全球仅有一小部分比例的渔获是用来食用,其余皆用来当作水产养殖与其他畜产饲料。在中国等新兴经济体对水产品的需求持续增加,然而渔获的捞捕量不会持续增加。藻类原料可作为有效且便宜的鱼粉替代饲料来源,量产藻类的成本为每吨400~600美元,比起鱼粉可省下60%~70%,每吨可节省约1,700美元。此外,藻类原料比起捕鱼更可靠,能有效协助养殖业者掌握水产养殖成本并降低财务风险(Vigani et al.,2015)。

垂直与城市农耕

因应都市化人口增加,利用极少的土地资源有效率地生产粮食,也是农业跨域技术的应用重点。例如澳洲的Sundrop公司开发了海水的水耕栽种技术,此系统结合太阳能、发电、海水淡化与水耕栽种,不需依赖石化燃料与土地,可建立海水温室在任何地方种植蔬菜,生产与传统种植方式相当的作物产量。

美国的Aero Farms公司自2004年开始建构与发展室内垂直农耕,生产安全且营养的粮食,其以高科技、数据化与商业规模发展垂直农耕,比起同面积的传统农耕,其一年期有高达390倍的生产潜力,且不需顾虑极端气候或季节变化,且因产品在地种植,不需依靠输入,水果与蔬菜的供应更为即时与新鲜。其利用垂直层层堆叠来种植作物,在具挑战性的环境生产粮食,搭配城市农耕,利用土壤、水耕及雾培法栽种,减少95%用水量,少施化肥与营养补充剂且无农药(Al-Chalabi, 2015)。

基因改造与人造肉

FAO预估2002~2050年,全世界肉类的消耗量将加倍,相较于畜养牲畜,利用生物反应器制造肉品有助于减轻地球的负担。由于基因改造的技术在21世纪有突破性的发展,科学家们皆有共识,若要解决未来的粮食需求,需进一步发展基因工程技术。

尤其CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)技术提供新形态的基因选择与编辑方法,其不仅可研发高产量及抗逆品种,更提升作物的营养价值。CRISPR技术也可以用于食用性动物的改良,例如荷兰MosaMeat是少数具有人造肉技术的新创公司,其目前正在开发培养绞肉(汉堡肉)商品,并计划在未来几年推向全世界。Mosa Meat认为其在实验室制造的“非屠体肉”可作为全世界人类优质的蛋白质来源,同时能避免许多传统肉类生产的环境与动物福利问题。虽然人造肉具有很大的发展潜力,但仍处于前期发展状态,预期未来对粮食安全、环境、食用动物疫病与动物福利都将产生很大的影响(Chapman, 2018)。

应用于食品生产的3D列印技术

在制造业中相当重要的3D列印技术,原理是利用原料层层打样形塑出产品;目前也被应用于食品生产,可将“原料泥”变成熟悉的菜肴。专家认为可利用胶体作为食品基质进行列印,原料则可利用藻类、叶菜等可再生原物料。荷兰已发展出微藻的列印方法,其可作为蛋白质、碳水化合物、色素及抗氧化剂的来源,并将此配方加入胡萝卜类的食物中。可想像未来的食品零售商可能直接存放“食物墨水匣”,其不仅可腾出货架空间,也可降低运输及贮藏的成本(Godoi et al., 2016)。

资通讯技术:物联网、区块链与无人机

由于“精准农业”的发展加强了农场的连结性,未来几年内农业生产效能与生产力都将大幅上升。此外,随着消费者对有机、非基转和无抗食品的需求提升,市面充斥着仿冒标签的新闻,而区块链的透明度可以用来对抗仿冒食品。即便是在农场、仓库或工厂中的极少量交易,都可以有效地被监管,并透过物联网技术(如感应器与RFID标签)与整个供应链串联。

此外,由于大量投资与法规的松绑,专家预测无人机最有发展性的领域就是农业,预计在农业生产上可提供的6项功能包括:(一)土壤与场域分析:透过3D地图预测分析早期土壤,无人机可用以规划播种,并收集数据以进行灌溉与氮含量的管理;(二)种植:新创公司创造了无人机种植系统,将种子与营养源投射进土壤,提供作物生长所有的必需营养成分,可降低种植成本达85%;(三)作物喷洒:无人机可扫描地面,即时均匀喷洒覆盖,比传统机械操作更快上5倍;(四)作物监测:利用无人机收集时序影像,可观察作物发展变化,提升控管以改善产能;(五)灌溉:无人机感应器可辨识场域中过于干燥或是需要改善的区域;(六)健康评估:透过可见光与近红外线扫描作物,无人机配备的装置可以帮助追踪植物变化并评估健康度,同时警示疫病的发生。无人机目前最大的挑战则是感应器对高品质数据的收集以及软体运算能力(Rao Mogili &Deepak, 2018)。

政府为粮食生产跨域技术应用的重要推手

由于物联网的数位化转变正在改造农业世界,例如经由天气、种子类型、土质、疫病、历史数据、市场趋势与价格等相关资讯的交叉分析,农民将作出更明智的决定,以数据驱动农耕。甚者,在未来奈米技术可应用在农业生产,利用奈米微胶囊包覆的传统肥料、杀虫剂和除草剂,可缓慢而持续地释放养分和化学药剂,供给植物更精确的剂量,其有助于防止60%的肥料流失到环境中造成污染,并让植物能受到保护与良善的疫病处理。

各国政府面对气候变迁、天然资源短缺和人口压力的威胁,皆积极发展农业生产技术,同时新技术也就造利害关系人权利义务关系上的改变,因此各国政府透过财政奖励、监管的灵活度,规划兴建基础设施,以营造适当产业环境。同时政府也发展相关配套措施以促进发展,包括:一、协调食品安全体系;二、增加监管过程中品质的透明度;三、开发顶尖国家粮食安全研究与合作中心;四、调查并衡量非关税壁垒对粮食生产的影响;五、提升国内食品检测量能(De Clercq et al., 2018)。

为了实现产业发展目标,可透过国际双向合作、产学合作等策略导入跨域人才,以强健农企业体质。同时加强知识产权保护工作、完善专利保护制度,并提供优惠政策,为农企业从事研发提供更高的诱因。全球粮食危机与跨域技术的发展将为地狭人稠的台湾带来新的挑战与机会,台湾的资通讯与生技产业发展蓬勃,在热带农业居于领先地位,跨域技术整合将为我国农业找到新的竞争力与发展契机。

【参考文献】
Al-Chalabi, M. (2015) Vertical farming: Skyscraper sustainability? Sustainable Cities and Society 18:74-77.
Chapman, S. (2018) What’s the beef? New Science 239:22-23.
De Clercq, M., Vats, A. & Biel, A. (2018) Agriculture 4.0: The future of farming technology. World Government Summit in collaboration with Oliver Wyman.
FAO. (2018) The state of world fisheries andaquaculture: Meeting the sustainable development goals. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO).
Godoi, F. C., Prakash, S. & Bhandari, B. R. (2016) 3D printing technologies applied for food design: Status and prospects. Journal of Food Engineering 179:44-54.
Jaiganesh, S., Gunaseelan, K. & Ellappan, V. (2017) IOT agriculture to improve food and farming technology. 2017 Conference on Emerging Devices and Smart Systems (ICEDSS).
Min, H. (2019) Blockchain technology for enhancing supply chain resilience. Business Horizons 62(1):35-45.
Rao Mogili, U. M. & Deepak, B. B. V. L. (2018) Review on Application of Drone Systems in Precision Agriculture. Procedia Computer Science 133:502-509.
Vigani, M., Parisi, C., Rodríguez-Cerezo, E., Barbosa, M. J., Sijtsma, L., Ploeg, M. & Enzing. C. (2015)Food and feed products from micro-algae: Marketopportunities and challenges for the EU. Trends inFood Science & Technology 42(1):81-92.
文章来源: 农传媒 https://t.cn/A6b7rt2a
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