114 年 國立嘉義大學農藝學系碩士班《作物科學》

本題主要在於測試考生對於不同作物栽培制度的理解程度，包括其定義、操作方式以及各自的優缺點。考生需要對這三種栽培制度有清晰的認識，並能條理分明地闡述。

A. 遊墾 (Slash-and-burn agriculture)

• 意義： 遊墾是一種傳統的農業耕作方式，其主要特徵是利用刀耕火種的方式來開墾土地。首先，將林地或灌木叢砍伐，待乾燥後焚燒，利用燃燒後的灰燼作為土壤的天然肥料，然後進行播種耕作。當土地的肥力下降，無法維持作物生長時，農民便會遷往新的地區，重複相同的開墾過程。
• 優點：
  • 初期肥力補充： 燃燒後的灰燼富含礦物質（如鉀、磷、鈣等），能短期內提高土壤肥力，適合種植對養分需求較高的作物。
  • 勞動力需求相對較低（初期）： 相較於需要長期投入大量勞力的精耕細作，初期開墾的勞動強度在某些方面可能較低。
  • 對環境影響相對較小（在低人口密度下）： 在人口密度不高、土地資源豐富的地區，適度的遊墾可以在土地休耕數年後恢復植被，對環境的長期影響有限。
• 缺點：
  • 土壤肥力快速流失： 燃燒的灰燼養分易被雨水淋洗或作物吸收而耗盡，土壤肥力衰退快，耕作期短。
  • 土地利用效率低： 必須不斷遷移，無法形成穩定的農業生產基地。
  • 環境破壞： 大規模或頻繁的遊墾會導致森林砍伐、水土流失、生物多樣性降低、碳排放增加（溫室效應）、空氣污染等嚴重環境問題。
  • 生產力不穩定： 依賴土地的自然肥力，產量波動大，難以滿足大規模人口的需求。

B. 糊仔栽培 (Transplanting seedlings)

• 意義： 糊仔栽培，又稱育苗移栽，是一種將作物種子先在苗圃或專門的育苗區播種，待其長成幼苗（糊仔）後，再將幼苗移植到大田進行正式栽培的農法。這是一種廣泛應用於水稻、蔬菜、菸草、番茄等作物的方法。
• 優點：
  • 提高作物存活率： 在苗圃中可以提供較好的管理條件（如水分、養分、病蟲害防治），使幼苗在移栽前更健壯，提高在大田的成活率。
  • 縮短大田生育期： 提早播種育苗，可以使作物在大田的生育期提前，有助於適應當地氣候條件，或趕在不利季節（如乾旱、寒冷）來臨前完成生長。
  • 節省種子： 相較於直播，育苗可以更精確地控制播種量，減少種子浪費。
  • 有利於田間管理： 幼苗期集中管理，便於進行病蟲害防治、間苗等工作；

本題主要在於測試考生對基因改造作物（特別是耐除草劑作物）的原理理解，重點在於解釋基因改造如何賦予作物抵抗除草劑的能力。

耐除草劑基因改造黃豆的原理：

耐除草劑基因改造黃豆的原理，主要是透過基因工程技術，將能夠抵抗特定除草劑作用的基因，轉殖到黃豆的基因體中。這些基因通常來自於能夠自然抵抗該除草劑的生物（如細菌或某些植物），或是經過基因工程改造的基因。

其作用機制主要有以下幾種（以下以最常見的草甘膦（glyphosate）為例，其作用標的為 EPSP 合成酶）：

1. 改變除草劑作用標的（Target Site Modification）：
   • 原理： 草甘膦的主要作用機制是抑制植物體內一種名為 5-烯醇丙酮酸合成酶（5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase, EPSPS）的關鍵酵素，該酵素參與莽草酸途徑（shikimate pathway），是合成芳香族胺基酸（如苯丙胺酸、酪胺酸、色胺酸）的必要步驟。若此酵素被抑制，植物將無法合成這些必需胺基酸，進而導致生長停止並死亡。
   • 基因改造： 科學家找到能合成對草甘膦具有抗性的 EPSPS 酵素的基因（例如來自土壤細菌 Agrobacterium tumefaciens 的 cp4 epsps 基因）。將此抗性基因轉殖到黃豆的基因組中。
   • 結果： 轉殖後的黃豆細胞內會產生抗草甘膦的 EPSPS 酵素。即使外來的草甘膦進入黃豆植株，也無法有效抑制其自身的 EPSPS 酵素，因此黃豆能夠正常合成芳香族胺基酸，維持生長，而雜草則因其 EPSPS 酵素被抑制而死亡。

本題旨在探討基因改造作物與傳統作物在食品安全上的爭議與觀點，要求考生從食品安全的角度進行討論。

基改黃豆與非基改黃豆的食品安全性討論：

從食品安全的角度來看，基改黃豆與非基改黃豆的安全性問題，一直是社會大眾和科學界關注的焦點。雖然現行的科學共識和國際組織（如世界衛生組織 WHO、聯合國糧食及農業組織 FAO、美國國家科學院 NAS）普遍認為，經過嚴格安全評估的基因改造食品與其傳統對應物在食用上是同樣安全的，但仍存在一些爭議點和考量。

1. 科學共識與現行評估機制：

• 安全性評估： 在基因改造作物商業化種植和上市前，各國主管機關（如美國 FDA、歐洲 EFSA）都會要求嚴格的安全性評估。這通常包括：
  • 組成分析： 比較基改作物與非基改作物在主要營養成分（蛋白質、脂肪、碳水化合物、維生素、礦物質）上的差異。
  • 毒理學研究： 評估轉殖的基因產物（蛋白質）是否具有毒性。
  • 過敏原性評估： 評估轉殖蛋白質是否會引起過敏反應。
  • 基因轉移評估： 評估基因是否會轉移到腸道細菌或其他生物體。
• 黃豆的案例： 目前市面上常見的耐基改黃豆（如耐草甘膦黃豆）經過了多年的食用歷史，並未出現與其食用相關的確切不良健康影響的科學證據。其主要的轉殖蛋白（如 EPSPS）已被證明在消化過程中會被分解，且本身不具毒性或過敏原性。
• 食品組成無顯著差異： 大多數研究顯示，在相同栽培條件下，基改黃豆與非基改黃豆在主要營養成分上差異不大，符合「本質等同」（substantial equivalence）的概念。

2. 潛在的爭議與疑慮（從食品安全角度）：

儘管有科學共識，但社會大眾和部分科學家仍存在一些疑慮：

• 長期效應未知： 雖然目前沒有證據顯示基改黃豆有問題，但其商業化種植歷史相對較短（數十年），對於極長期的、潛在的、累積性的健康影響，部分人認為仍需持續觀察。
• 非預期效應（Unintended Effects）： 基因改造過程可能導致基因體中其他基因的表達發生非預期的改變，進而影響作物的代謝產物，產生潛在的有害物質。雖然安全性評估會盡力篩檢，但完全排除非預期效應的可能性仍有難度。

本題主要在於測試考生對自交作物育種方法中，不同世代選拔策略的理解與區別。考生需要清楚知道譜系法、混合法和單粒後裔法各自的選拔重點和操作方式，並能在F2到F6世代之間進行比較。

自交作物育種方法中的譜系法、混合法和單粒後裔法，在F2-F6世代的選拔策略上存在顯著差異，這些差異主要源於它們對育種目標、效率和資源利用的考量。

核心觀念：
自交作物在雜交後，F1代為純合子，F2代開始出現基因重組和遺傳分離，產生大量不同基因型的個體。F3至F6世代是遺傳分離逐漸穩定的時期。育種家需要在此期間，透過選拔，淘汰不良基因型，保留並強化優良基因型，最終獲得純合優良的品系。

a) 譜系法 (Pedigree Method)

• 選拔目標： 盡早且持續地從大量後裔中，選出表現優異的單株，並記錄其親緣關係，以追蹤其遺傳背景。
• F2世代：
  • 選拔： 對大量植株進行表型選拔，選擇表現優異的單株。通常會選擇在性狀（如產量、抗病性、株型等）上顯著優於對照或平均水平的植株。
  • 記錄： 詳細記錄每一株被選中的親本（母本）及其來源，建立譜系圖。
• F3-F6世代：
  • 選拔： 延續F2的選拔策略，對來自F2優良單株的後裔（稱為「系」或「譜系」）進行逐代（F3、F4、F5、F6...）的表型選拔。每一世代的選拔都基於前一世代的優良單株，並繼續追蹤其譜系。
  • 重點：
    • 單株選拔（Individual Plant Selection）： 每一世代都對單株進行詳細的觀察和記錄。
    • 維持純度： 隨著世代推進，目標是讓每個譜系內的個體逐漸趨於純合。
    • 淘汰劣等譜系： 在每一代，表現不佳或不穩定的譜系會被淘汰。
    • 較早穩定： 譜系法通常在F5-F7世代左右，若選拔得當，部分譜系可能已經足夠穩定，可以進行品系比較試驗。
• 優點： 能夠精確追蹤優良基因的來源，有利於深入了解遺傳變異，適合用於性狀遺傳較複雜或需要精確選拔的作物。
• 缺點： 過程耗時、耗力，需要詳細的記錄，對育種家的經驗要求較高。

b) 混合法 (Bulk Method) / 群體選拔法 (Mass Selection)

• 選拔目標： 在較大的群體中，透過選擇特定表型（通常是環境適應性強或產量高的植株），來提高群體中優良基因的頻率。
• F2世代：
  • 選拔： 播種大量F2種子，但不進行單株選拔。而是將所有F2植株的種子混合在一起，形成一個「混合種子庫」。
• F3-F6世代：
  • 選拔： 從上一世代的混合種子中，播種並讓其自然生長，然後在收穫時，根據特定的標準（例如，選擇看起來最健康、產量最高、或對環境適應性最好的植株的種子）進行「群體選拔」，將選出的種子混合起來，作為下一世代的種子。
  • 重點：
    • 群體選拔（Bulk Selection）： 每次選拔的是整個群體中表現最好的個體所產生的種子，而不是單獨記錄和追蹤每個個體。
    • 環境選拔（Environmental Selection）： 假定在自然環境下，表現優異的植株更能適應環境，其後代也更有可能表現優異。
    • 較快達到穩定： 由於是群體選拔，且選拔壓力較大，通常比譜系法更快地達到一定程度的遺傳穩定性。
    • 節省人力： 相較於譜系法，混合法的管理和記錄工作量大大減少。
• 優點： 操作簡便，省時省力，適合用於對環境適應性、總產量等綜合性狀的選拔，尤其是在較大的育種規模下。
• 缺點： 無法追蹤單株的遺傳背景，可能丟失某些優良但表現不突出的基因型，對單一、精確的性狀選拔效果不如譜系法。

c) 單粒後裔法 (Single Seed Descent, SSD)

• 選拔目標： 快速、高效地使雜交後代的基因組達到純合狀態，減少環境對選拔的干擾，以利於後續的純系選拔。
• F2世代：
  • 選拔： 播種大量F2種子，但此時「不進行表型選拔」。而是從每株F2植株上，僅採集「單一」種子（或少量種子），然後將這些單粒種子分別播種（或混合播種，視乎後續處理）。
• F3-F6世代：
  • 選拔： 延續F2的策略，在F3、F4、F5、F6等世代，依然「不進行表型選拔」。每一代都從上一代的每個單株（或其後代）採集單粒種子，然後播種，讓其完成一個世代的生長。
  • 重點：

本題主要測試考生對土壤物理性質、土壤有機碳儲量計算以及土壤有機質管理方法的理解。考生需要運用基本物理學原理和土壤學知識來回答。

核心觀念：
土壤總重量與土壤體積、容重、土粒密度和孔隙度相關。土壤有機碳儲量是土壤有機質含量與土壤體積、容重、有機碳比例的乘積。增加土壤有機碳需要透過特定的農業管理措施。

已知條件：

• 農地面積 (Area, A) = 1 公頃 = $10^4 \text{ m}^2$
• 表層土壤深度 (Depth, D) = 15 cm = 0.15 m
• 表層土壤體積 (Volume, V) = A × D = $10^4 \text{ m}^2 \times 0.15 \text{ m} = 1500 \text{ m}^3$
• 土壤孔隙度 (Porosity, P) = 50% = 0.50
• 土粒密度 (Particle density, $\rho_p$) = 2.6 g/cm³ = 2600 kg/m³
• 土壤有機碳含量 (Soil organic carbon, SOC) = 1% (用於計算儲量)

計算步驟：

(一) 試算表層土壤的總重量？ (10分)

土壤的總重量（或質量）取決於土壤的體積和土壤的容重（Bulk Density, $\rho_b$）。容重是單位體積土壤的質量，它包含了固體顆粒和孔隙中的水分及空氣。

1. 計算土壤容重 ($\rho_b$)：
   土壤容重與土粒密度和孔隙度有關。由於孔隙度為 50%，這意味著體積中有 50% 是孔隙（空氣或水分），另外 50% 是固體顆粒。
   容重 ($\rho_b$) = 土粒體積分數 × 土粒密度 ($\rho_p$)
   土粒體積分數 = 1 - 孔隙度 (P) = 1 - 0.50 = 0.50
   $\rho_b$ = 0.50 × 2.6 g/cm³ = 1.3 g/cm³
   將單位轉換為 kg/m³：
   $\rho_b$ = 1.3 g/cm³ × (1 kg / 1000 g) × (100 cm / 1 m)³ = 1.3 × 1000 kg/m³ = 1300 kg/m³

2. 計算表層土壤的總重量 (Mass, M)：
   總重量 = 土壤體積 (V) × 土壤容重 ($\rho_b$)
   M = $1500 \text{ m}^3 \times 1300 \text{ kg/m}^3$
   M = 1,950,000 kg

   也可以將其轉換為公噸 (tonne)：
   M = 1,950,000 kg / 1000 kg/tonne = 1950 tonne

【答案】
表層土壤的總重量為 1,950,000 kg 或 1950 公噸。

(二) 若此農地的土壤有機碳為1%,請計算表層土壤有機碳儲量？ (5分)

土壤有機碳儲量 (Soil Organic Carbon Stock, SOC Stock) 是指單位面積土壤中，特定深度內的有機碳總量。

1. 計算土壤有機碳儲量：
   SOC Stock = 表層土壤總重量 (M) × 土壤有機碳含量 (SOC)
   SOC Stock = 1,950,000 kg × 1%
   SOC Stock = 1,950,000 kg × 0.01
   SOC Stock = 19,500 kg

   也可以使用體積計算：
   SOC Stock = 表層土壤體積 (V) × 土壤容重 ($\rho_b$) × 土壤有機碳含量 (SOC)