109 年 國立臺灣大學農藝系暨研究所作物甲組《作物學》

本題主要在於釐清「精準農業」（Precision Agriculture）的核心概念及其構成要素。精準農業是一種整合資訊科技與農業生產的管理方法，旨在透過精確的資訊獲取、分析與應用，達到資源最適化利用、環境友善化、生產效率與品質提升的目標。

精準農業的基本精神：
精準農業的基本精神是「因地、因時、因作物而異」（Site-specific, Time-specific, Crop-specific）的差異化管理。其核心在於理解農田的異質性（heterogeneity），並針對不同區域、不同時間點、不同植株的需求，提供客製化的管理決策。透過收集、分析、解讀與應用農田的各種數據，以最有效率的方式投入生產要素（如水、肥、藥、種子等），達成「對的投入，在對的時間，用對的方式，在對的地點」，最終目標是實現農業生產的永續性、經濟性與環境友善性。

精準農業作業系統至少需包括的六大要素：
精準農業的作業系統是一個複雜的整合體系，通常包含以下六大關鍵要素：

1. 資料收集（Data Acquisition）：

   • 目的： 獲取農田與作物生產過程中的各種資訊。
   • 內容： 包含地理資訊（如GPS定位、地圖）、土壤資訊（如土壤養分、質地、水分、pH值）、作物資訊（如長勢、產量、病蟲害發生、生育階段）、環境資訊（如氣象、光照、溫濕度）等。
   • 工具： 感測器（土壤感測器、氣象站）、遙測技術（衛星影像、無人機）、田間調查、地理資訊系統（GIS）等。

2. 資料管理（Data Management）：

   • 目的： 有效儲存、組織、管理、整合與更新收集到的龐大資料。
   • 內容： 建立資料庫，整合不同來源、不同格式的資料，並確保資料的準確性、一致性與可追溯性。
   • 工具： 資料庫軟體、地理資訊系統（GIS）平台、雲端儲存服務。

3. 資料分析與決策支援（Data Analysis and Decision Support）：

本題考查作物生理學中關於碳水化合物分配的重要概念「源、庫、流」理論，並要求將其應用於特定作物（甘藷）的肥培管理。

「源、庫、流」理論（Source-Sink Theory）：
此理論是解釋作物體內光合產物（主要是醣類，如蔗糖）如何從生產部位（Source）運送到利用部位（Sink）的理論。

1. 源（Source）：

   • 定義： 作物體內進行光合作用，產生可溶性醣類（如蔗糖）的部位。
   • 主要部位： 通常是葉片，特別是發育成熟、光合作用能力最強的葉片。
   • 功能： 光合作用的場所，產生能量與碳水化合物。

2. 庫（Sink）：

   • 定義： 作物體內需要消耗或儲存光合產物的部位。
   • 主要部位： 幼嫩的葉片、生長中的莖、根、花、果實、種子以及貯藏器官（如塊根、塊莖）。
   • 功能： 吸收、運輸或儲存來自「源」的光合產物，用於生長、發育或繁殖。

3. 流（Flow）：

   • 定義： 光合產物從「源」運輸到「庫」的過程。
   • 機制： 主要透過韌皮部（phloem）進行，以蔗糖的形式為主，經由壓力流（pressure-flow hypothesis）機制運輸。運輸的動力來自「源」與「庫」之間的醣濃度梯度。
   • 影響因素： 運輸效率受溫度、光照、水分、養分、激素、運輸通道的暢通程度等因素影響。

理論在甘藷肥培管理上的應用：
甘藷（ Ipomoea batatas ）的主要經濟價值在於其發達的地下塊根（可食用的地瓜），塊根是主要的「庫」。而甘藷的「源」主要是其寬大的葉片。因此，在甘藷的肥培管理上，我們需要同時考慮如何最大化「源」的光合產量，以及如何引導這些光合產物有效地運輸和儲積到塊根「庫」中。

1. 強化「源」的功能（提高光合產量）：
   • 適當的氮肥： 氮是葉綠素和蛋白質的重要組成成分，適量的氮肥能促進葉片發育，增加葉面積，提高光合作用效率。但過量的氮肥會導致莖葉徒長，葉片老化延遲，雖然總光合量可能增加，但分配到塊根的比例可能下降，且容易增加病蟲害風險。

本題主要探討緯度對作物生長環境及特定作物（甘蔗、水稻）生長的影響。

(1) 緯度會影響作物哪些生長環境因子？

緯度是影響地球表面氣候與環境最重要的地理因子之一。它主要透過以下幾個方面影響作物的生長環境：

• 日照強度與日長（Solar Radiation and Day Length）：

  • 日照強度： 緯度越高，太陽光入射角越小（越趨於水平），太陽光需穿透更厚的大氣層，導致到達地表的日照強度減弱。赤道附近緯度較低，太陽光入射角較大，日照強度較強。
  • 日長： 緯度越高，季節性的日長變化越顯著。在溫帶和寒帶地區，夏季日長較長，冬季日長較短；而在熱帶地區，日長變化相對較小，全年接近12小時。日長是影響作物光週期反應（photoperiodism）的重要因子。

• 溫度（Temperature）：

  • 緯度與平均氣溫呈負相關，即緯度越高，平均氣溫越低。這是因為緯度高的地方，接收到的太陽輻射總量較少，且日照角度較小。
  • 溫度是影響作物生長發育速率、酶活性、光合作用、呼吸作用等生理過程的關鍵因子。

• 降水量與降水型態（Precipitation and Precipitation Patterns）：

  • 雖然降水量受多種因素影響（如氣壓帶、季風、地形等），但緯度是影響全球大尺度降水分佈的重要因素。例如，赤道附近（低緯度）常有對流雨，副熱帶高壓帶（約30°緯度）常為乾旱區，溫帶地區（中緯度）則受西風帶影響，降水相對較均勻。
  • 降水的季節性變化也與緯度相關。

• 風（Wind）：

  • 緯度影響大氣環流模式，進而影響風的盛行方向和強度。例如，中緯度地區常受西風帶影響。

總結： 緯度主要影響作物的日照強度、日長、溫度（平均溫度與季節變化）、降水量與降水型態，以及風等關鍵的環境因子。

(2) 緯度對收穫甘蔗糖量的影響

緯度對甘蔗（ Saccharum officinarum ）糖量的影響主要透過以下幾個方面：

• 溫度：

  • 甘蔗是熱帶與亞熱帶作物，其生長和糖分積累需要溫暖的環境。低緯度地區（熱帶、亞熱帶）全年溫度較高，有利於甘蔗的生長發育和光合作用。
  • 高緯度地區（溫帶）雖然可能在夏季溫度足夠，但全年平均溫度較低，生長期較短，且可能面臨霜害的風險，不利於甘蔗達到其潛在的糖分積累。

• 日照強度與日長：

  • 低緯度地區通常日照強度較強，日照時間較長，有利於提高光合作用的效率，產生更多的光合產物，為糖分積累提供物質基礎。
  • 高緯度地區日照強度較弱，日長變化大，尤其是在冬季日照短，可能限制了光合作用的總產量。

• 水分：

  • 雖然緯度本身不直接決定水分，但不同緯度帶的氣候模式影響降水。例如，熱帶地區可能全年濕潤或有明顯的乾濕季，亞熱帶地區降水相對充沛。適度的水分供應對甘蔗生長和糖分形成很重要，但過多的水分（尤其是在成熟期）可能稀釋糖分。

本題考查的是食品加工的知識，具體是巧克力從原料（可可豆）到成品（巧克力）的製作過程。屏東生產的巧克力獲得殊榮，表示台灣在可可種植及加工上已有一定水準。

從可可樹到巧克力的製作過程：

巧克力主要由可可豆（Cocoa beans）製成，可可豆來自可可樹（ Theobroma cacao ）的果實（稱為可可莢，Cocoa pod）。整個過程可分為幾個主要階段：

1. 採收與發酵（Harvesting and Fermentation）：

   • 採收： 可可莢成熟後，用刀或利器從樹上採下。
   • 開莢與取出豆子： 將可可莢剖開，取出內含的可可豆和其周圍的白色果肉（pulp）。
   • 發酵： 這是巧克力風味形成最關鍵的步驟之一。將取出的可可豆與果肉堆積在一起，進行微生物發酵（約2-9天）。發酵過程中，果肉中的糖分被酵母菌分解為酒精，隨後醋酸菌將酒精氧化為醋酸。這個過程會產生高溫（可達45-50°C），並引發可可豆內部一系列複雜的化學變化，包括蛋白質水解、多酚類物質的轉化等，這些變化是形成巧克力特有風味的前奏。發酵也使豆子外層的果肉液化脫落，並改變豆子的顏色和結構。

2. 乾燥（Drying）：

   • 發酵完成後，可可豆的含水量仍然很高。需要將豆子在陽光下或烘乾機中乾燥，使含水量降至約6-7%。
   • 目的： 降低水分，防止發霉，便於儲存，並進一步發展風味。乾燥過程中，豆子內部的化學反應仍在繼續，進一步形成巧克力風味的前驅物。

3. 烘焙（Roasting）：

   • 乾燥後的生豆（raw beans）會進行烘焙，這是發展出巧克力標誌性香氣和風味的另一個關鍵步驟。
   • 過程： 在烘焙機中以特定溫度（約120-150°C）和時間（約30-90分鐘）進行。
   • 目的： 驅除殘餘水分，發展出巧克力獨特的香氣（如堅果、花香、果香、焦糖香等），降低豆子的苦澀味，並使豆殼變脆，便於後續的脫殼。烘焙的參數（溫度、時間、豆種）對最終風味影響極大。

4. 脫殼與篩選（Winnowing）：

   • 烘焙後的豆子經過冷卻，然後用脫殼機（winnowing machine）將豆殼（husk）與豆仁（nib）分離。豆殼較輕，烘焙後變脆，容易被風吹走或篩掉。
   • 豆仁（Nib）： 是巧克力製作的主要原料，富含可可固形物和可可脂。

5. 研磨（Grinding）：

   • 將脫殼後的豆仁放入研磨機（如石磨、球磨機）中研磨。
   • 過程： 豆仁中的可可脂在研磨的熱力和壓力下熔化，與可可固形物混合，形成一種濃稠、絲滑的液體，稱為「可可膏」（Cocoa liquor）或「可可漿」（Cocoa mass）。

本題考查作物栽培管理中的基礎操作「中耕培土」，要求解釋其定義、作用，並比較兩種不同作物（玉米、馬鈴薯）在此操作上的目的差異。

中耕培土的定義及作用：

• 定義：
  中耕培土（Cultivation and Hilling-up）是農業生產中，對作物生長期間土壤進行的耕耘與覆蓋（堆積）的兩項相關操作。

  • 中耕（Cultivation）： 指在作物生長期間，利用機械或人力，對作物根部周圍的土壤進行淺層翻耕、鬆土、除草、破除土壤板結、通氣等作業。
  • 培土（Hilling-up）： 指將作物根部附近的土壤，向作物莖基部堆積，形成土壟或覆蓋住作物莖基部。

• 作用：
  中耕培土結合起來，具有多方面的作用：

  1. 改善土壤通氣性： 中耕能打破土壤表層的板結，增加土壤的孔隙度，有利於空氣進入土壤，促進作物根系的呼吸作用。
  2. 促進根系生長： 鬆軟的土壤有利於根系向深處和四周伸展，有利於吸收水分和養分。
  3. 抑制雜草生長： 中耕時翻動的土壤會將幼小的雜草埋入土中或使其脫水死亡；培土則能掩埋部分已生長的雜草，減少其光照和生長。
  4. 保持土壤水分： 中耕破壞土壤毛細管結構，減少土壤水分的蒸發。培土則能為根系提供更深層、更濕潤的生長環境。
  5. 防止作物倒伏： 培土能加固作物基部，增加植株的穩定性，尤其對於莖幹較細長的作物（如玉米）有顯著效果。
  6. 調節土壤溫度： 鬆土層和培土層對地溫有緩衝作用，減少劇烈波動。
  7. 為特定器官發育提供條件： 對於某些作物，培土是促進其特定器官（如塊根、塊莖）發育和生長所必需的。

玉米與馬鈴薯中耕培土目的之不同：

雖然中耕培土對大多數作物都有益，但其主要目的和側重點在不同作物上有所差異。

• 玉米（ Zea mays ）：
  • 主要目的：
    1. 防倒伏： 玉米植株高大，莖幹相對較細，在生長後期（尤其是在風雨天氣下）容易倒伏。培土能加固玉米的基部，增加其抗倒伏能力，確保產量。
    2. 雜草控制： 玉米生長期長，前期雜草競爭激烈，中耕是重要的雜草管理手段。
    3. 土壤通氣與根系生長： 改善玉米根部周圍的土壤環境，促進其發達的鬚根系生長，提高對水分和養分的吸收能力。
  • 重點： 防倒伏是玉米培土最核心的目的之一。

本題主要考查作物學中關於重要糧食作物「高粱」的知識，包括其學名、分類以及依用途劃分的栽培類型。

高粱的學名：

高粱的學名是 Sorghum bicolor (L.) Moench。

• Sorghum 是屬名。
• bicolor 是種小名，意為「兩種顏色」，可能指其種子或植株的某些部位有兩種顏色。
• (L.) Moench 是命名人的縮寫，L. 指 Linnaeus（林奈），Moench 是後來的分類學家。

高粱依用途不同的四個主要栽培型：

高粱是一種用途非常廣泛的作物，根據其主要用途，可以將其劃分為不同的栽培類型。常見的分類方式有以下幾種，此處以四個主要類型介紹：

1. 糧用型（Grain Sorghum）：

   • 名稱： 糧用高粱、食用高粱、米高粱。
   • 用途： 這是最高粱最主要的用途。其種子（穎果）富含澱粉，可作為人類的糧食，類似於玉米或稻米。種子可直接食用（煮飯、製作麵粉、爆米花），也可作為飼料，或用於釀造酒精（如高粱酒、威士忌）。
   • 特點： 通常選擇種子較大、籽粒飽滿、結構緊實、蛋白質和澱粉含量適中、苦味較低的品種。

2. 飼料型（Forage Sorghum / Silage Sorghum）：

   • 名稱： 飼料高粱、青割高粱、芻料高粱。
   • 用途： 主要用於飼養牲畜。植株高大，莖葉產量豐富，可作為牧草鮮食、乾燥製成乾草（hay），或更常見的是製成青貯飼料（silage）。
   • 特點： 選擇植株高大、莖葉粗壯、纖維含量適中、產量高的品種。有些品種的莖葉中含有較高的糖分，適合製成高品質的青貯飼料。