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研究生:廖光裕
研究生(外文):Kuang-Yu Liao
論文名稱:建立台灣地區農牧部門溫室氣體系統動態模式
論文名稱(外文):The Establishment of System Dynamic Model for Greenhouse Gases Emission of Agricultural and Livestock Sectors
指導教授:洪肇嘉洪肇嘉引用關係
指導教授(外文):Jao-Jia Horng
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:環境與安全工程系碩士班
學門:工程學門
學類:環境工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2003
畢業學年度:91
語文別:中文
論文頁數:176
中文關鍵詞:溫室氣體動態模式統計分析
外文關鍵詞:Greenhouse gasesstatistical analysissystem dynamics
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溫室效應為保持地球溫度及生態系的重要機制,然近年來的研究顯示人類過度使用石化燃料及過度開發土地,造成溫室效應的加劇及氣候變遷的惡果。
近年溫室氣體源匯及減量對策的基本研究成果已不少,為了解氣候條件及各種因子對溫室氣體排放的影響,本研究整理、蒐集及分析國內水稻田、畜產廢棄物、掩埋場、掩埋場滲出水溫室氣體排放因子及排放數據,利用統計相關性及多變量研析個別因子與排放係數之關聯性及排放係數與各影響因子間之關係式或相關係數。以主成分分析判別影響溫室氣體排放因子之主成分,縮減可能影響溫室氣體之排放因子。再以區別分析進行水稻田甲烷排放分析其與生長週期之關聯性。最後以倒傳遞類神經模擬的方法,推估及預測溫室氣體在氣候變遷不同情景的影響,並且以STELLAR軟體建構水稻田甲烷排放之動態模式,作為規劃及採行政策或措施的參考及運用。
本研究研究成果發現溫度及降雨量對於水稻田甲烷排放均有顯著之相關性,畜產廢棄物堆肥氧化亞氮產出與堆肥天數相關性較高,主成分分析水稻田一期及二期稻作顯示,北部及中部相近,南部地區則有差異,其主因可能為地理及氣候影響。統計分析畜產廢棄物堆肥甲烷,雞糞與牛糞堆肥近似,豬糞堆肥則明顯不同,其他氣象及觀察因子影響不顯著。區別分析水稻田甲烷排放係數可明顯依水稻生長期分類為插秧期、生長期、成熟收割期等三期。倒傳遞類神經模擬預測結果,當溫度上升1℃時甲烷全年排放增加率為7﹪,若氣候變遷導致氣溫1℃及雨量上昇10﹪會導致水稻田甲烷產出增加為14.4﹪。近年來,一期及二期稻作甲烷排放於近年來有明顯下降的趨勢。本研究使用相關性分析、多變量、主成分及區別等統計分析、倒傳遞類神經模擬及系統動態學模式分析結果,均顯示溫度及雨量上升對水稻田甲烷產出有重要的影響,對水稻田收穫影響則國內尚無研究,仍待發展。
Greenhouse Gases (GHGs) Effect is important mechanism for maintaining Earth temperature and Eco-system. However, over-using petroleum fuel and over-developing lands by mankind had and brought about the consequence of climate changes in recent years.

The researches on GHG sources, sinks, and reduction strategies were numerous in the past decade. Using statistical regression and multi-variable analysis to relate weather and other factors with emission coefficients, this research studies the GHG monitoring data on paddy fields, animal wastes, landfill, and landfill leachates. The principal component analysis was used to reduce these influencing factors and the discriminant analysis was used to differentiate the growing periods of paddy fields and GHG emission. Then, artificial neural network was used to develop the methane emission of paddy fields at different climate change scenarios. Finally, the system dynamic model was established on above results.

This study showed that daily temperatures and rainfalls significantly affected the methane emission in paddy fields and that the nitrous oxides emission from composting animal wastes was related to the length of composition. The principal component analysis of methane emission from the first and second crops found large differences between results of the north and south sites and small differences between the north and middle sites. These differences were possibly caused by the geographical and weather factors. The statistical analysis found that the methane emission of composting animal wastes were similar for chicken and cattle and were different for cattle and hogs. The weather factors were not significant herein. The discriminant analysis of methane emission of paddy fields determined that the data could be divided to three periods—booting, flowering and ripening. The neutral network simulation predicted the methane emission increased 7% as the temperature raised 1 degree C and increased 14.4% combined with another 10% rainfall increase. In the recent years, the amount of methane emission was gradually decreased due to the decrease of rice farms and farmers. This research concluded that temperature and rainfall were important through statistical regression, multi-variable, principal component, and discriminant analysis. On the other hand, the relationships between influencing factors and the harvest of paddy fields were still awaiting further research.
目 錄
中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iv
目錄 v
表目錄 vii
圖目錄 ix
第一章 前言 1
1-1緣起與研究動機 1
1-2研究目的 3
第二章 文獻回顧 4
2-1國內外溫室氣體發展現況 4
2-1-1溫室效應對國際及台灣地區的影響 5
2-1-2溫室氣體排放源的分類 8
2-1-3國內溫室氣體排放現況 9
2-1-4國內外溫室氣體減量措施比較 24
2-2統計分析主成分析及其應用 29
2-2-1相關性分析 29
2-2-2多變量分析 30
2-3-3主成分分析 30
2-2-4主成分分析的應用 35
2-3區別分析 37
2-4類神經網路簡介 41
2-4-1倒傳遞類神經網路 41
2-4-2統計模式與類神經網路之比較 45
2-4-3類神經網路與迴歸分析比較 46
2-5系統動力模式(System Dynamics Model) 48
第三章 研究方法 55
3-1資料收集及整理 57
3-2統計分析 64
3-3情景預測 67
3-3-1倒傳遞類神經分析 67
3-4台灣地區農牧部門溫室氣體動態模式建立 70
第四章 結果與討論 72
4-1資料分析及結果 72
4-2農牧及掩埋場部門溫室氣體排放因子相關性分析 74
4-2-1影響農業水田甲烷排放因子間相關係分析 77
4-2-2影響畜產廢棄物堆肥溫室氣體排放係數之因子相關性分析 86
4-2-3掩埋場滲出水之溫室氣體排放係數與影響因子之相關性分析 91
4-2-4掩埋場溫室氣體排放因子之相關性分析 93
4-2-5掩埋場滲出水廢氣及掩埋場廢氣排放量相關性及多變量統計分析 95
4-3主成份分析 96
4-3-1北中南部影響農業水田甲烷排放因子間主成分分析 96
4-3-2畜產廢棄物甲烷排放主成分分析 105
4-3-3掩埋場滲出水溫室氣體排放主成分分析 114
4-3-4掩埋場溫室氣體主成分分析 118
4-4區別分析 123
4-4-1各分年之區別分析 123
4-4-2分組區別分析 126
4-5倒傳遞類神經網路分析結果 129
4-5-1溫度增減時水稻甲烷排放推估 130
4-5-2雨量增減時水稻甲烷排放推估 137
4-5-3雨量與溫度增減時水稻甲烷排放 144
4-6台灣地區農牧部門溫室氣體動態模式規劃 153
4-6-1系統動態學模式推估農業水田甲烷排放結果 155
第五章 結論與建議 162
5-1結論 162
5-2建議 166
第六章 參考文獻 168


表目錄
表2.1 台灣地區水稻種植之甲烷平均排放量 12
表2.2 水稻田甲烷排放係數 12
表2.3 水稻田氧化亞氮釋出量範圍 13
表2.4 水稻盆栽水分管理與硝化抑制劑之影響 14
表2.5 水稻盆栽施用肥料管理與硝化抑制劑之影響 14
表2.6 旱田之作物種類甲烷釋放通量 16
表2.7 旱田氧化亞氮之排放情形 17
表2.8 落花生盆栽對照之甲烷淨釋放量 18
表2.9 種植水稻土壤施用肥料對甲烷排放量之影響 19
表2.10 種植花生土壤施用肥料對氧化亞氮排放量之影響 20
表2.11 種植水稻土壤施用肥料對氧化亞氮排放量之影響 20
表2.12 1990年至1998年掩埋場甲烷排放量 23
表2.13 國內外溫室氣體減量措施比較 27
表3.1 農田水稻田一期甲烷排放之因子 58
表3.2 農田水稻田二期甲烷排放之因子 59
表3.3 畜牧堆肥甲烷排放係數因子 60
表3.4 畜牧堆肥氧化亞氮排放係數因子 61
表3.5 掩埋場滲出水溫室氣體排放係數因子 62
表3.6 掩埋場溫室氣體排放係數因子 63
表4.1 水稻田一期稻作甲烷排放量與影響因子相關性及多變量分析結果 79
表4.2 水稻田二期稻作甲烷排放量與影響因子相關性及多變量分析結果 80
表4.4 水稻田一期稻作甲烷排放量與影響因子相關性分析與多變量分析統計結果 83
表4.5 水稻田二期稻作甲烷排放與影響因子相關性分析與多變量分析結果 84
表4.6 水稻田一、二期稻作相關性分析及多變量分析之比較表 85
表4.7 畜產廢棄物影響甲烷排放量與影響因子相關性及多變量分析結果 87
表4.8 畜產廢棄物堆肥排放甲烷之相關性及多變量分析之比較表 88
表4.9 畜產廢棄物影響氧化亞氮排放量與影響因子相關性及多變量分析
結果 90
表4.11 掩埋場滲出水廢氣排放量與影響因子間相關性及多變量之分析結果 92
表4.12 掩埋場廢氣排放量與影響因子間相關性及多變量之分析結果 94
表4.13 掩埋場滲出水廢氣及掩埋場廢氣排放量相關性及多變量之比較表 95
表4.14 北部地區水稻田一期稻作甲烷排放主成分分析結果 97
表4.15 中部地區水稻田一期稻作甲烷排放主成分分析 98
表4.17 北部地區水稻田二期稻作甲烷排放主成分分析結果 101
表4.19 南部地區水稻田一期稻作甲烷排放主成分分析 103
表4.20 畜產廢棄物牛糞堆肥-甲烷排放主成分分析 106
表4.21 畜產廢棄物豬糞堆肥-甲烷排放主成分分析 107
表4.22 畜產廢棄物雞糞堆肥-甲烷排放主成分分析 108
表4.23 畜產廢棄物牛糞堆肥-氧化亞氮排放主成分分析 110
表4.24 畜產廢棄物豬糞堆肥-氧化亞氮排放主成分分析 111
表4.25 畜產廢棄物雞糞堆肥-氧化亞氮排放主成分分析 112
表4.26 掩埋場滲出水二氧化碳排放主成分分析 114
表4.27 掩埋場滲出水甲烷排放之主成分分析 115
表4.28 滲出水氧化亞氮排放主成分分析 116
表4.29 台中掩埋場排放因子主成分分析 119
表4.30 掩埋場二氧化碳排放主成分分析 120
表4.31 掩埋場甲烷排放主成分分析 121
表4.47 1998-1999年綜合區別分析摘要表 124
表4.48 1998-1999年一期、二期稻作分期預測變數之負載係數 125
表4.49 1998-1999年一期、二期稻作分期區別係數 126
表4.50 北部地區一期稻作FISHER'S線性區別函數 128
表4.51 北部地區二期稻作FISHER'S線性區別函數 129
表4.52 溫度變化1 ℃、2 ℃時水稻田插秧期之甲烷排放 130
表4.53 溫度變化1 ℃、2 ℃時水稻田二期稻作之甲烷排放 134
表4.54 雨量變化10、20﹪時水稻田之一期稻作甲烷排放量 137
表4.55 雨量變化時水稻田二期稻作之甲烷排放增量 141
表4.57 二期稻作雨量與溫度變化之甲烷排放增量 148
表4.58 溫度及雨量變化時,甲烷年增排放量及年增排放率 152
表4.59 一期稻作甲烷排放系統動態模式推估值與其他推估值比較表 159
表4.60 二期稻作甲烷排放系統動態模式推估值與其他推估值比較表 160










圖目錄
圖2.1 倒傳遞網路架構 42
圖2.2 台灣2000模式之影響因子 51
圖2.3 TAIWAN 2000系統模式分類架構圖 52
圖2.4 農業產品動態系統組織回饋控制圖 54
圖3.1 研究架構圖 56
圖3.2 統計分析研究流程圖 66
圖3.3 農牧部門溫室氣體動態模式研究架構流程圖 71
圖2.3 TAIWAN 2000系統模式分類架構圖 52
圖2.3 TAIWAN 2000系統模式分類架構圖 52
圖2.3 TAIWAN 2000系統模式分類架構圖 52
圖2.3 TAIWAN 2000系統模式分類架構圖 52
圖2.3 TAIWAN 2000系統模式分類架構圖 52
圖2.3 TAIWAN 2000系統模式分類架構圖 52
圖4.7 各地區水稻田一期甲烷排放主成分分析陡坡圖 100
圖4.8 各地區水稻田一期甲烷排放主成分分析累積圖 100
圖4.9 各地區水稻田二期甲烷排放主成分分析陡坡圖 104
圖4.10 各地區水稻田二期甲烷排放主成分分析累積圖 104
圖4.11 畜產廢棄物堆肥甲烷排放主成分分析陡坡圖 108
圖4.12 畜產廢棄物堆肥甲烷排放主成分分析累積圖 109
圖4.13 畜產廢棄物堆肥氧化亞氮排放主成分分析陡坡圖 112
圖4.14 畜產廢棄物堆肥氧化亞氮排放放主成分分析累積圖 113
圖4.15 掩埋場滲出水溫室氣體排放主成分分析陡坡圖 117
圖4.16 掩埋場滲出水溫室氣體排放主成分分析累積圖 117
圖4.17 掩埋場溫室氣體排放主成分分析陡坡圖 122
圖4.18 掩埋場溫室氣體排放主成分分析累積圖 122
圖4.19 北部地區一期稻作典型判別函數圖 127
圖4.20 北部地區二期稻作典型判別函數圖 128
圖4.21 溫度上升1 ℃、2 ℃時水稻田一期稻作插秧期之甲烷排放模擬圖 131
圖4.22 溫度上升1 ℃、2 ℃時水稻田一期稻作生長之甲烷排放模擬圖 131
圖4.23 溫度上升1 ℃、2 ℃時水稻田一期稻作成熟收割之甲烷排放模擬圖 132
圖4.24 溫度上升1 ℃、2 ℃時水稻田一期稻作之甲烷排放模擬圖 132
圖4.25 溫度下降1 ℃、2 ℃時水稻田一期稻作之甲烷排放模擬圖 133
圖4.26 溫度上升1 ℃、2 ℃時水稻田二期稻作插秧期之甲烷排放 134
圖4.27 溫度上升1 ℃、2 ℃時水稻田二期稻作生長期之甲烷排放 135
圖4.28 溫度上升1℃、2℃時水稻田二期稻作成熟收割期之甲烷排放 135
圖4.29 溫度上升1 ℃、2 ℃時水稻田二期稻作之甲烷排放模擬圖 136
圖4.30 溫度下降1 ℃、2 ℃時水稻田二期稻作之甲烷排放模擬圖 136
圖4.31 雨量增加10、20﹪時水稻田一期稻作插秧期之甲烷排放 138
圖4.32 雨量增加10、20﹪時水稻田一期稻作生長期之甲烷排放 138
圖4.33 雨量減少10、20﹪時水稻田一期稻作成熟收割期之甲烷排放 139
圖4.34 雨量增加10、20﹪時水稻田一期稻作之甲烷排放量 139
圖4.35 雨量減少10、20﹪時水稻田一期稻作之甲烷排放量 140
圖4.36 雨量增加10、20﹪時水稻田二期稻作每年插秧期之甲烷排放 141
圖4.37 雨量增加10、20﹪時水稻田二期稻作每年生長期之甲烷排放 142
圖4.38 雨量增加10、20﹪時水稻田二期稻作每年成熟收割期之甲烷排放 142
圖4.39 雨量增加10、20﹪時水稻田二期稻作之甲烷排放量 143
圖4.40 雨量減少10、20﹪時水稻田二期稻作之甲烷排放量 143
圖4.41 溫度上升 1℃,雨量增加 10%與溫度上升 2 ℃,雨量增加 20%時 水稻田一期稻作插秧期之甲烷排放 145
圖4.42 溫度上升 1℃,雨量增加 10%與溫度上升 2 ℃,雨量增加 20%時水 稻田一期稻作生長期之甲烷排放 145
圖4.43 溫度上升 1℃,雨量增加 10%與溫度上升 2 ℃,雨量增加 20%時水稻田一期稻作成熟收割期之甲烷排放 146
圖4.44 溫度上升 1℃,雨量增加 10%與溫度上升 2 ℃,雨量增加 20%時水稻田一期稻作之甲烷排放 146
圖4.45 溫度下降 1℃,雨量減少 10%與溫度下降 2 ℃,雨量減少 20%時水稻田一期稻作之甲烷排放 147
圖4.46 溫度上升 1℃,雨量增加 10%與溫度上升 2 ℃,雨量增加 20%時水稻田二期稻作插秧期之甲烷排放 148
圖4.47 溫度下降 1℃,雨量減少 10%與溫度下降 2 ℃,雨量減少 20%時水稻田二期稻作成熟期之甲烷排放 149
圖4.48 溫度下降 1℃,雨量減少 10%與溫度下降 2 ℃,雨量減少 20%時水稻田二期稻作生長期之甲烷排放 149
圖4.49 溫度上升 1℃,雨量增加 10%與溫度上升 2 ℃,雨量增加 20%時水稻田二期稻作之甲烷排放 150
圖4.50 溫度下降 1℃,雨量減少 10%與溫度下降 2 ℃,雨量減少 20%時水稻田二期稻作之甲烷排放 150
圖4.51 規劃溫室氣體動態模式部門及次部門關係圖 153
圖4.52 溫室氣體農牧部門系統動態學主要因子圖 154
圖4.53 因果回饋控制圖 156
圖4.54 水田部門甲烷產出動態模型 157
圖4.55 系統動態模式模擬水稻田甲烷排放推估 158
圖4.56 系統動態模式模擬溫度上升1℃時水稻田甲烷排放推估 158
第六章 參考文獻
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21.趙震慶,1999,“畜產廢棄物堆積及施用之氧化亞氮釋出及減量對策”,楊盛行編,溫室氣體通量測定及減量對策論文集,國立台灣大學農業化學系,頁128
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