分析台湾第一代生质酒精能源作物水足迹

陈敬翔

台湾经济研究院

一般而言，产品水足迹是指任一产品或服务从生产至制程中所需消耗的水量总和，在有限的水资源下，以作物或谷物为原料的生质能源，是否同时能满足粮食与能源需求，未来将成为生质能源发展的另一关键课题。因此，为分析台湾第一代生质酒精能源作物水足迹，将分别介绍水资源概况、水足迹缘起与估算方式，期能藉由本土生质作物水足迹的计算，将水资源妥善分配，并降低可能产生的污染。

气候变迁与极端气候的频率加剧，使得愈来愈多国家面临水资源短缺，此将造成健康、粮食、能源产业和生态环境的永续性等重大影响。根据联合国环境规划署2008年的报告指出，地球上约有14亿立方公里的水，净水约占全球水资源3%，其中2.5%在两极；人类可用水仅占0.5%，其中70%为灌溉用水，22%为工业用水，8%为家庭用水。

永续经营理念造就生质能源的崛起，利用生质物制成的生质燃料，添加固定比例至柴油或汽油，逐步替代化石燃料以达灭碳的目的。但是在有限的水资源下，以作物或谷物为原料的生质能源，是否同时能满足粮食与能源需求，未来将成为生质能源发展的另一关键课题，因此，能源作物水足迹的探讨也就由此而生。一般而言产品水足迹（Water footprint）是指任一产品或服务，从生产至制程中所需消耗的水量总和。

未来若希望推动酒精汽油，减少倚靠能源进口，则需有能力自产酒精。台湾休耕地约21万公顷，其中双期连休有6万公顷，如何妥善利用水资源较缺乏的休耕地转种植能源作物，将是台湾能否发展自产自用生质酒精的关键因素之一。因此，本文将分别介绍台湾水资源概况、水足迹的缘起与估算方式，最后提出台湾本土生质酒精料源的水足迹。

台湾水资源概况

台湾平均每年可降下2467多厘米的雨量，为全球平均973厘米的2.6倍，但却为全球缺水排名第18名，其原因为：①地形限制，地形陡峭且山脉为南北向，使得东西向的河川坡陡迅速流入大海，增加水资源保存的难度；②水土保持不佳，使得地表径流增加，而形成“过雨变成涝，不雨变成旱”的情形；③降雨季节分布不均，丰水期和枯水期雨量差距过大，长达六个月的枯水期培加水库营运的风险。

根据“经济部水利署”估计，11-4月枯水期和5-10月丰水期的雨量比，北部地区约为4﹕6，中部地区为2﹕8，农业重镇的南部地区则为1﹕9。此外，根据2011年度农业统计年报，中南部稻米产量约占全台的70%，玉米产量约占90%，甘薯产量约占85%，甘蔗产量约占98%。如此大比重的农业产量，却来自降雨分布最不均的中南部，更突显水资源分配的重要性。此外，污染更使得水资源的使用捉襟见肘，根据2007年“水利署”的统计资料，未经污染的河川约占60%，轻度污染占15%，中度与重度污染分别占19%与6%，经污染的河川即不能有效利用。因此，可以藉由作物水足迹的计算，可将水资源妥着分配，降低可能的污染产生。

水足迹

一、水足迹缘起

水足迹概念最早源自于虚拟水（Virtual Water）的概念，Allan（1997）提出总需水量应包含粮食生产、工业与工商产品及家户用水，并通过国家间产品贸易，共交易背后所隐含的水资源的流动即为虚拟水。水资源缺乏的国家以贸易方式，减低水资源压力，并且以虚拟水作为评定未来国家政策依据。然而，Hoekstra and Hung于2002年将虚拟水的概念衍生成水足迹，其定义为任一产品或服务从生产至制程中所需的水量总和。水足迹可作为一种综合性的指标，用以衡量水资源分配，评估对环境、社会与经济的影响。虽然目前水足迹并无一致计算指标，但国际厂商多以水足迹网络（Water Footprint Network，WFN）的水足迹手册（Water Footprint Assessment Manual，2011）作为估算标准。

农作物水足迹可区分成三个部分：蓝色、绿色与灰色水足迹，其中蓝色水足迹为地下水与地表水总消耗量；绿色水足迹为生长期间蕴藏在土壤中雨水，藉由作物的蒸散与气候蒸发而消耗的总水量，也就是蒸发散量（Evapotranspiration）；灰色水足迹为净化污水（因施肥而污染水资源）所需水量（图1）。虽然灰色水足迹并非实际消耗用水，但污染净水将不利于环境永续性、大众健康以及加剧水资源竞争。水足迹提供一个作为评估消费者和生产者消耗水及污染水的指标，但无法据此评断水资源消耗与污染对环境的影响，而是提供人们如何分配水资源的信息。

图1 消费者或生产者水足迹

二、水足迹估算方式

估算实做可将气象数据输入CROPWAT 8.0软件后，即可计算出蒸发散量（ET₀）与有效降雨量（P_eff）。再将蒸发散量乘上作物系数（K_c值）即可得到作物的蒸发散量（ET_C）。接着，可依照下列定义计算出各项需水量，再除以作物产量，即可得到每吨作物各项水足迹。

绿色水足迹（WF_green）=绿水蒸发散量+储存于产品内的水量，通常为雨水的蒸发散量。根据水足迹手册，作物绿水蒸发散量为作物蒸发散量与有效降雨量的较小值。亦即，若作物蒸发散量大于有效降雨量时，表示绿水蒸发散量即为有效降雨量；反之，则表示绿水蒸发散量为作物蒸发散量。另外，储存于作物内的水量仅0.1-1%，可忽略不计。蒸发散量是指作物的蒸散量（Transpiration）加上土地的蒸发量（Evaporation）；有效降雨量是指土壤能够吸收的水量，会依据过去雨量决定，若前一个月降雨量过多，即当月的有效降雨就会减少。

蓝色水足迹（WF_blue）=蓝水蒸发散量+储存于产品内的水量+未能重复利用的水量，通常为灌溉水的蒸发散量。根据水足迹手册，可分为两个情形作计算。若作物蒸发散量大于有效降雨量时，则表示需要灌溉，因此蓝水蒸发散量即为作物蒸发散量减去有效降雨量；若有效降雨量大于作物蒸发散量时，则表示不需要灌溉，此时蓝水蒸发散量即为零。虽然蓝色水足迹仅需考虑消耗水的部分，但由于台湾河流短促，灌溉后的水多流入海洋，重复利用可能性较小，故未能重复利用水量可不列入计算。

灰色水足迹（WF_gray）为净化废水达水质标准所需的水量，并非实际消耗水量，而是虚拟消耗水量。灰色水足迹愈大，即表示制造某一产品或服务对水环境的污染程度愈大。另外，肥料里通常都含有氮、磷、钾三种化学物质，但一般计算农作物的灰色水足迹，都以氮肥作为计算污染程度的标的。

台湾水足迹的估算

一、台湾能源作物背景资料

根据苏美惠（2010）评估台湾适合发展的第一代酒精能源作物包含玉米、甜高梁、甘薯和甘蔗。由于每种作物适合的生长环境不尽相同，例如：玉米需在旱季时种植。因此，必须谨慎调查各种作物生长过程，利用生长期间的气象数据，计算作物的水足迹。观察台湾各项作物种植过程，其中甘蔗分为新植和宿根，将新植长成的甘蔗收获后，仅留下一小段作为未来继续生长之用，即为宿根。甘蔗新植约需18个月，接着进行抽芽的动作，宿根约需12个月；因此一新植一宿根共需2.5年。稻米因地区的不同而生长期有所差异，北中南三地的生长期间皆有差异（表1）。

表1  台湾能源作物生长期

不同的农作物在生长过程中所需消耗水量皆不同，依照施等人（1982）的定义，作物系数是代表各种作物生长期间耗水特性指标，可利用渗漏计或者温室栽培观测取得；作物系数依照作物的类别、生长期及气候等条件而异，因此不同作物均有不同作物系数（Crop coefficients，K_C）。1975年国际农粮组织将全世界的作物分成稻作、杂作、甘蔗及牧草等四类，并计算四类作物系数。但作物系教会因地而异，必须以当地气候估算作物系故作为需水量依据；因此本文整理利用台湾气象条件计算的作物系数（表2），从表中可发现除甘薯外，其他四种能源作物中期时，作物系数最大，也就表示中期是作物需水量最高、蒸发散量最多的时期。另外，有关作物产量计算，是根据“台经院”2007-2010年田野调查所得。

表2  能源作物的作物系数和产量

二、台湾能源作物生长期气候条件的概况

雨量为众多气候条件中最重要的因素，作物的生长必须倚靠大量的水，但是雨量的多寡须视作物需水量而定。以玉米为例，台湾的玉米多于旱季种值，但美国通常于雨季种值，因此若不了解作物的特性，即使有充足的水源，也无法使作物产量上升。作物品种的不同，其最适的生长环境也不同。本文整理四种台湾能源作物生长期的平均最高位温、日照时敏、雨量和风速的比较。其中玉米多于冬天、旱季生长，因此平均温度跟雨量为最低。另外，春作甜高梁于6-10月生长，正是台湾的梅雨季和台风频繁时期，所以此时的雨量最多（图2）

图2  作物生长期间气候条件的概况

三、台湾能源作物的水足迹估算

本文计算适合台湾发展能源作物的水足迹，包含甘蔗、玉米、甜高梁和甘薯，其中甘蔗更探讨台糖自营农场与约耕蔗农两种情况，藉由同一地区不同作物水足迹的比较，试图找出不同于能源投入成本的指标，以水资源的观点衡量各能源作物的水资源消耗的情形，希望以此提供政府选择台湾能源作物的参考。其中作物基本数据参考“台经院”2007-2010年能资源投入调查，稻米则以农业统计年报的调查作为分析资料，除了以气候条件推估台湾第一代生质酒精料源和稻米水足迹外，更比较以实际灌溉用水计算台湾第一代生质酒精料源和稻水足迹的结果。

估算台湾能源作物的水足迹，实际灌溉水量与气候条件所推估的差异仅在蓝色水足迹的部分，因此灰色或绿色水足迹的部分会相同（图3）。结果显示，台湾第一代能源作物水足迹，以气象条件推佑玉米为最高约893 m³/ton，台糖自营甘蔗次之、约耕蔗农次之，最低的是甘薯；若以实际灌溉水量计算仍以玉米最高约658 m³/ton，甘薯最低。比较实际灌溉水和气候条件推估的差异，以实际灌溉水计算的玉米和甘蔗水足迹较小。稻米实际灌溉下的水足迹约1102 m³/ton，相较种植甘蔗水足迹仅为稻米1/6。

图3  台湾能源作物的水足迹估算

另外，由图3可以发现于美国种植玉米、甘薯、甜高梁和甘蔗的蓝色水足迹较小，其中又以玉米差异最大。分析此差异原因来自于耕作方式的不间，岛外通常以“看天田”方式耕作，因此鲜少灌溉。此外，美国多于雨季种植玉米，但台湾多于早季种值，所以两者绿色水足迹的比重差距甚大。

永续经营的解答

人为破坏导致生态失衡、环境破坏和温室效应等问题，将成为未来几十年人类最大的挑战，永续经营将成为全球的共同目标。为达成节能减碳的目标，发展生质能源或许是个解答，不只能增加能源供给，也能减少温室气体的排放。然而，在广泛使用生质能源之前，不可或缺的是成本和环境效益评估。通过台湾能源作物水足迹分析，可以了解台湾水资源利用概况，思考如何以有限的水资源做最妥善的分配。

水足迹分析结果发现台湾种植玉米为最耗水的作物，甘薯是最省水的作物，稻米的水足迹约为甘蔗六倍。台湾目前约有6万公顷的双期连休耕地，从水资源的角度来看，利用休耕地转种植能源作物，例如：甘蔗或甘薯，其水资源的利用效将较种植水稻为高。随着人口增加，有限的水资源能否满足未来粮食与能源需求，通过水足迹研究可以清楚呈现水资源使用情况，将水资源更有效地分配，有助于社会环境的永续性。