水稻(Oryza sativa)是人們賴以維生的糧食作物之一，估計每公斤稻米需要使用到2,500公升的水，屬於水資源密集型的產業，而目前全球近半以上的稻米作物來自雨養農業系統；然而氣候變遷已逐漸改變現有的種植環境，極端乾旱和高溫的出現將會更加頻繁，因此消耗大量水資源的水稻將不符未來所需。 　　水稻如同大多數的植物一般，使用氣孔調節二氧化碳進入與釋放蒸散作用的水氣，另一方面也可調節植株溫度。在水份不足時，氣孔會關閉以減緩水分流失，低密度氣孔的水稻保水效果更好，在必要時也存有較多的水可供植株降溫。 　　英國雪菲爾大學(University of Sheffield)則藉由基因工程開發出一種高產水稻品種-IR64，透過水稻表皮形成因子OsEPF1基因的過度表達，能夠產生較少的氣孔，用水量僅占一般品種60%，對於未來的高溫和乾旱氣候具有更強的耐受性。此外，在大氣二氧化碳濃度升高的情況下，基因工程水稻在乾旱與高溫(40℃)中的存活時間更長，且產量更高。【延伸閱讀】保護區之劃設有助於減緩生物面臨氣候變遷之衝擊 　　此項低氣孔密度植物的研究或許能更加推進後續氣候變化對於農作物和糧食安全的發展，相關研究為P3 (Plant Production and Protection)與菲律賓國際水稻研究所(International Rice Research Institute)合作進行，發表在<New Phytologist>。

氣候變遷衝擊原有的生態環境，是人類未來面臨最大的關鍵挑戰之一。為了調節大氣中溫室氣體的含量，減緩氣候變遷進程，人們逐漸重視森林及海洋生態提供之碳捕捉與碳封存服務。其中位於熱帶與亞熱帶河口潮間帶附近，由水生木本植物組成的紅樹林(Mangrove)屬於「藍碳」的一種，因其豐富的生物多樣性，比起一般陸生森林的儲碳能力更高。 　　過去研究人員提供了各種推估紅樹林儲存藍碳的方法，但卻忽略了潮汐和河流對沿海的影響，因此降低了全球預測的準確性。而現在路易斯安那州立大學(Louisiana State University)海洋學和海岸科學系使用了地貌框架(ecogeomorphology framework)和CES (coastal environmental settings)，針對世界各地紅樹林儲存的藍碳含量進行了更準確的估算，發現在加勒比和佛羅里達地區的石灰岩海岸的藍碳被低估了50%，且沿岸三角洲的藍碳被高估了86%，並為57個缺乏藍碳數據的國家提供了新的計算數據，有利於政府與土地開發者於事先規劃紅樹林附近的土地利用，並提升紅樹林提供的環境價值。【延伸閱讀】康乃爾大學科學家發現能對抗氣候變遷的新菌種 　　此項工作由美國國家科學基金會的Coastal SEES計畫、Earth Surface Dynamics、Louisiana Sea Grant College Program和National Council for Scientific and Technological Development(CAPES / CNPq)資助，該研究報告發表在美國生態學會的<Frontiers in Ecology and the Environment>。

美國的農業型態多為大規模、粗放式農業，高度機械化作業與單一化種植有利於農民管理與補足勞動力，但這樣的作業方式面臨病蟲害威脅時也容易造成巨大損失。隨著全球氣候變遷現象越加明顯，農民需要更加良好的風險預測與管理能力，才能維持每一季農產產量與品質。 　　美國的Ceres Imaging公司在小型無人機上搭載高分辨率的航拍設備與感測器，能夠經由低空拍攝以取得作物葉綠素含量、植株數量計算、樹冠層溫度等資訊，並經由分析計算，協助管理者了解植物蒸散作用狀況與需水量；此外，該系統也結合GPS(Global Positioning System)定位，透過電腦或其他智慧型裝置可提示異常狀況所出現於田間的確切位置。其優勢在於提前發現肉眼無法觀察到的狀況，避免潛在性的作物病蟲害持續擴大，使農民可快速對症下藥或進行其他處理，減少後續品質或產量之損失。 　　目前此項技術已使用在許多農場，成效良好。例如澳洲Century Orchards的杏仁園依靠此技術找出缺水與需要修剪的高度生長區域，經過調整灌溉系統後提升了20倍的投資報酬率；而位於加州的Terranova Ranch則利用其搭配的IOS應用程式比較植株健康狀況的差異，並用於評估不同區塊的收穫時間，每英畝增加約25萬噸的產量；另外此技術也幫助Evergreen FS提早發現玉米與大豆田間的Cercospora屬真菌病害，針對其精準施藥比起傳統施藥法高出了6倍的投資報酬率。【延伸閱讀】印度農業科技公司如何幫助應對氣候風險 　　 Ceres Imaging使得農民不必購買重型設備，也無須在農地安裝各式硬體裝置，即可定期得到作物生長狀況的精確報告，提升了管理便利性與農民接受度，或許此類技術也將成為未來智慧農業趨勢之一。

海洋覆蓋了約70%的地表，具有調節地球氣候功能，也吸收了四分之一因人類活動所排放的二氧化碳，幫助緩衝溫室氣體排放後的衍生效應；而大氣中的二氧化碳可微溶於水形成碳酸，因此當海洋吸收的二氧化碳越多，酸化程度也越發明顯。然而，在過去兩百年間海洋酸度增加了43％，逐漸影響海洋生態系統，包含珊瑚白化、魚類發育異常、甲殼類動物骨骼脆弱等現象；預計到西元2100年時，海洋酸度可能比現在高2.5倍。 　　為了探討海洋酸化對魚類所造成的影響，英國艾克斯特大學（University of Exeter）與葡萄牙阿爾加維大學（University of Algarve）合作，研究歐洲鱸魚（Dicentrarchus labrax）於酸性環境下所感應到氨基酸時的電生理活動與基因表現量變化。結果發現酸性環境會影響嗅球中的神經細胞突觸傳導，進而降低嗅覺的靈敏度，使其對某些氣味的反應改變，不易辨識出食物或掠食者的確切位置，但只要將魚類放回原有環境兩小時就可使此現象恢復。【延伸閱讀】放下草蝦王國的口號，面對臺灣蝦類養殖產業的未來 　　由於嗅覺是魚類的重要感官之一，許多海洋魚類依靠嗅覺尋找食物、配偶或感受周圍環境，若溫室氣體排放與海洋酸化依舊持續，預計到本世紀末海洋鱸魚嗅覺的靈敏度可能只剩現在的一半，使其生存與繁殖更加困難。相關文章發表於<Nature Climate Change>

北美大陸棚(North American continental shelf)具有豐富的海洋生態，是全球最具高生產力的魚場之一。近年來受到全球氣溫上升之影響，海洋暖化可能導致物種棲息地產生變化，因此羅格斯大學(Rutgers University)針對美國與加拿大沿岸大陸棚的底拖網捕撈生物狀況進行長期調查，包含303個太平洋沿岸物種及383個大西洋沿岸物種，其中有硬骨魚、軟骨魚、甲殼類動物、頭足類生物、棘皮動物、其他無脊椎動物與一種海龜，並利用電腦模擬在16種氣候預測模型中，未來(2081-2100)年這些物種的遷徙距離與遷移方向。 　　結果顯示，海洋暖化會使得原本處在溫帶的物種逐漸北移，而西海岸的溫度變化梯度比東海岸低得多，因此就長期而言，該地區的物種分布相對穩定。研究人員指出，受暖化影響最嚴重的物種是太平洋石斑魚，大西洋鱈魚和黑海鱸魚，由於物種遷徙距離較遠，使得捕撈漁業需要耗費更多時間和航運成本。而16個氣候預測模型中針對高碳排放的模擬結果顯示，物種棲息地變化較低碳排放結果高出兩到三倍。【延伸閱讀】研究發現氣溫將影響微生物碳排放的多寡 　　此研究強調全球暖化程度對本世紀末海洋生物資源變化幅度的重要性，海洋物種對溫度變化的反應非常敏感，因此溫度呈小幅度上升就可能對預測結果產生重大影響；相關研究結果也可以提供風險管理機關作為參考，預先考量未來區域間的資源分配與轉移。 　　該研究由美國國家海洋與大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)和皮尤慈善信託基金會(Pew Charitable Trusts)贊助，結果發表於<PLOS ONE>。

全球人口數量至今仍在持續增加，據聯合國統計，至西元2050年時全球人口預計將超過90億，屆時糧食需求將增加六成以上。然而目前儘管耕作方式不斷改進，但農作物產量增加速度並無法跟上糧食需求的增長。此外，氣候變遷、環境汙染、土地與水資源耗損等因素也持續威脅著糧食安全，因此發展改變食物生產的突破性技術刻不容緩。 　　未來預計80%的人將聚集於城市地區，如何在空間、資源與能源的限制下應付高密度人口的糧食所需是學者專家們正在努力研究的方向，「垂直農業」的出現提供未來糧食生產的新方向。垂直農業藉由精準的偵測與環控技術，創造適合作物生長的理想環境，屏除天然氣候的不確定因素與病蟲害侵擾之風險，日本、荷蘭、新加坡與美國等地均已出現相關的商業化工廠；預計至2024年，垂直農場市場將到達130億美元。【延伸閱讀】能偵測土壤水分多寡的作物灌溉感測器將能達到省水之效 　　除了營養、需水量、溫溼度控制外，二氧化碳濃度也是影響作物生長與光合作用速率重要的影響因素，適當的濃度可以幫助節省作物用水量與增進生長速度。英國Edinburgh Sensors公司推出了氣體感測器-GasBoxNG，此儀器使用NIDR (non-dispersive infrared) gas sensors進行偵測，當紅外光通過含有二氧化碳的空氣管時，部分光線會被吸收，而機器可以光線通過差異推算二氧化碳濃度。使用在垂直農場中可即時監測二氧化碳濃度，並搭配自動化控制系統持續維持適合作物生長的二氧化碳濃度。另外，此儀器也能應用於厭氧發酵時的通氣量監測與植物生理狀態觀察，並將資訊傳輸於電腦或智慧型平板中。

工業革命後的人類活動需要燃燒大量的石化燃料，雖然短期內可產生大量的能量以供社會進步與工商業活動發展；但這些石化燃料同時也是早期固定並儲存在地球上的碳，短時間內大量的碳排放已使得全球暖化逐漸嚴重，全球溫度提高會導致現有之生態系統改變，對人類造成不良後果。因此近年來各界極力推行生物能源碳捕集與封存(Bioenergy Carbon Capture and Storage，BECCS)的概念，以期有效減少大氣中的二氧化碳。 　　美國康乃爾大學(Cornell University)與英國Cinglas合作，提出了一個BECCS系統，此系統中包含一個121公頃的藻類培養設施與一個2,680公頃的桉樹森林。其中桉樹可作為生物質燃料，進行熱電聯產（combined heat and power，CHP）；而藻類與大豆相比，每公頃可產生27倍的蛋白質，除了具固碳作用外也可收集脫水後利用。研究中評估了生產總成本、用水量、生物量、營養素與碳吸收量、產生電力與環境影響等，與種植大豆相比，此系統除了可產生與大豆相同的蛋白質以外，還能額外產生61.5TJ的能量且每年封存29,600噸二氧化碳，因此可視為是一種具潛力的二氧化碳的負排放系統。【延伸閱讀】紅樹林藍碳估算新方法 　　然而，BECCS系統所座落的環境會影響系統運作時的效率和營運成本，且藻類後續的應用領域也會影響其銷售價格，因此此研究中所探討的成本計算只能作為一時參考，但也提供我們設置固碳系統的嶄新想法。

大氣、海洋和陸地是地球上的三大碳儲存庫，工業革命發生前，人類活動所製造的二氧化碳穩定地在此三大儲存庫中循環；但工業革命後，人類對能源的需求逐漸提升，短時間內大量燃燒石化燃料後產生的二氧化碳除了造成溫室效應外，也會透過碳循環進入海洋，造成海洋酸化(Ocean Acidification)，使得動物碳酸鈣外殼、骨骼與珊瑚礁的融解速度大於製造速度，除了不利其生長，更會影響現今海中食物網的穩定性。 　　先前瑞典的研究顯示，在人工模擬環境Mesocosm中，隨著海水酸性增加，大西洋鯡魚（Clupea harengus）的幼苗生存率會隨之提升。而德國基爾亥姆霍茲海洋研究中心（GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel）則針對酸化環境中浮游生物(食物量)的變化，間接觀察二氧化碳對鯡魚的存活性影響。該系統將鯡魚幼苗暴露於高二氧化碳環境（研究者預測本世紀末將達到760 μatm pCO2）長達113天，結果發現魚苗存活率顯著提高了19±2％，經過浮游生物的族群分析，認為可能因酸性環境導致浮游生物增加，使得鯡魚等高級消費者間接受惠；且鯡魚的產卵環境主要靠近海底，比起在海水表面產卵的鱈魚更具有存活優勢。【延伸閱讀】海洋酸化將會影響魚類嗅覺 　　除了酸鹼值變動，海洋溫度也是影響物種遷徙的因素，由於冷水溶解的二氧化碳較多，因此海中的二氧化碳能透過溫鹽環流帶到底層海水儲存。若海洋環境未來持續改變，則區域性海域的生物結構可能因其環境適應性不同而發生變化。 　　相關研究發表於<Nature Ecology & Evolution>

擁有潔淨水源是人類生活的最低保障之一，然而隨著人類活動與工業汙染的增加，造成可用水已逐漸匱乏。地球上的淡水資源有限，主要包含在地底蓄水層、地表逕流和大氣層中，以及少量的海水淡化而得。居住於汙染地區的人們可能因為不乾淨的水源而感染疾病，或是為搶奪珍貴的淡水資源而造成國際關係的緊張。此外，由於全球氣候變遷漸趨明顯，使得極端天氣出現的頻率越來越高，在嚴重的天然災害發生後可能會發生無法預測的缺水情況，因此尋找穩定供應乾淨水源的方式便顯得十分重要。 　　地球上約有98%的海水水體，若是能找出適當的海水淡化方式，將對於人類未來生活有莫大助益。目前海水淡化方式主要為薄膜法及蒸發法兩大類，薄膜法是利用各式纖維薄膜隔絕海水中的鹽分，從而過濾出淡水以供人類使用；蒸發法主要是利用太陽能或其他能量來源加熱海水，蒸發出的水氣收集並凝結後就成為人類可使用的淡水。【延伸閱讀】新型微生物菌株A6可幫助處理水污染 　　考量到現今使用技術的轉化成本與能量耗損，海水淡化一直無法完全普及到現在的人類生活。美國德州大學奧斯汀分校(The University of Texas at Austin) 材料科學與機械工程系利用聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)和聚吡咯(polypyrrole，PPy)開發出一種混和水凝膠，同時具有可吸收太陽能的半導體性質和親水性質，這種水凝膠可幫助人們直接利用環境中的太陽能進行海水蒸發與淡化。經過室外測試，每天的蒸餾水產量高達18-23公升/平方公尺，且此種水凝膠能夠依據現有的海水淡化系統的需求進行改造。 　　研究人員採用死海中的水進行實驗，死海水體通過水凝膠後成功減少鹽度至美國環境保護署和世界衛生組織認定的飲用水標準，此技術目前已進行專利申請，未來也朝向商業化目標而努力，以應付全世界對淡水水體的需求。 　　相關研究發表於<Nature Nanotechnology>

過去數百年來，工業革命帶動人類生活與科技的快速發展，開採與使用的石化能源也導致溫室氣體大量排放，使得全球氣候變遷逐漸加速，而再生性極低的石化能源也正逐漸枯竭中。為解決此一困境，各國政府與科學家正努力尋找減少溫室氣體排放與氣候變化的方法，其中一種令人矚目的方向是生物燃料的開發。 　　近年來，利用玉米或大豆所生產的生物燃料已成為機器動力或燃料的來源之一，這種以糧食作物為原料轉化的「第一代生物燃料」在種植此類作物時會壓縮其糧食用途，因此部分地區則利用非糧食作物或廢棄物的纖維素為原料進行轉化，是為「第二代生物燃料」。其中美國科羅拉多州立大學(Colorado State University，CSU)則開發柳枝稷(switchgrass)作為新的原料。柳枝稷是北美洲原生的多年生草本植物，具有容易繁殖、草梗粗壯、根系深、環境適應性強等特點；相較於種植玉米，柳枝稷所花費肥料與灌溉成本更少，故具有做為生物燃料的絕佳潛力。 　　研究團隊利用一種稱為「DayCent」的生態系統建模工具進行模擬，此系統可通過追蹤農業系統中的氣候狀況、土壤因子、植披覆蓋等因素推測碳循環與氮循環之狀況，幫助科學家評估某地區生產某植物的可行性。透過DayCent模擬堪薩斯州西南部商業化種植柳枝稷的狀況，並量化相關燃料生產成本和溫室氣體排放量，顯示種植柳枝稷進行生產會比美國再生燃料之標準少22 g CO2 e MJ−1。【延伸閱讀】新型技術以3D虛擬模型建構禾本科花朵結構 　　綜上所述，柳枝稷非常適合做為第二代生物燃料來源，且生產所製造的碳足跡更低。此外，以前對纖維素生物燃料的碳足跡研究集中在生產農場和製造工廠之間的距離；然而經CSU分析發現，生產植物的地點和生產方式對於碳足跡計算也是極為重要的部分。相關研究發表於<Nature Energy>

全球農業目前面臨著人口爆炸和氣候變化帶來的巨大挑戰，全球暖化嚴重影響乾燥地區可耕作用地之數量，為了滿足糧食供需，提高糧食安全，因此尋找促進作物生長與生產的方法刻不容緩。國際生物農業中心(International Center for Biosaline Agriculture，ICBA)、阿拉伯阿布都拉國王科技大學(King Abdullah University of Science and Technology，KAUST)、荷蘭瓦赫寧恩大學(Wageningen University)與德國聯邦種植植物研究中心(Julius Kühn-Institut，JKI)提出了「Darwin21」計畫，旨在調查沙漠微生物及乾燥地區重建永續農業系統的應用。 　　作物需要更強的抗逆境能力，育種技術與基因工程雖可解決此一需求，但也耗費大量時間；若是可以現有之微生物直接或間接輔助植物生長，則更能節省時間和成本。存在植物根圈附近的微生物能夠影響土壤性質與植物健康，故DARWIN21計畫的其中一個項目為探索沙漠微生物多樣性，期望能在高溫、高鹽或缺水條件下仍然存活的先鋒植物找出提升其存活率的根圈微生物，並調查其在沙漠及其邊緣地區改善農業永續性的潛力，藉此重建當地農業。 　　由Heribert Hirt教授所帶領的團隊就針對了SA187細菌進行研究，此細菌從一種稱為「木藍(Indigofera argentea)」的沙漠植物根留中分離；經過全基因組定序，目前已發現其具多種促進植物於逆境中生長的基因。此外，受到SA187細菌處理的阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)幼苗於逆境中的生長較未處理組更佳，顯示細菌可調節其酵素分泌以幫助植物健康生長。而該團隊將SA187細菌的基因組進行分析，發現它可能屬於腸桿菌科(Enterobacteriaceae family)內的新屬，此結果尚待進一步調查，才能準確描述其分類地位。【延伸閱讀】研究可抵抗多重逆境環境之關鍵基因 　　該團隊還開發了此細菌的應用性，現在正創建一家非營利性公司，向世界各地的貧困農民推廣SA187，於播種前塗在植物種子上，希望能夠增加農民收成，以改善其農業生產與生活。

在農業與盆栽園藝中，泥炭苔(Peat moss)常被作為無土栽培的重要介質；因其有層層薄壁細胞，能將水分與空氣容納於其中，具良好吸濕性，並可吸附養份，幫助植物固著與平衡生長環境而被廣為使用。 　　泥炭苔主要由高緯度寒冷地區之苔蘚類(Moss)植物經長時間腐化所沉積形成，且大部份發生的地點位於沼澤中。由於沼澤泥炭累積過程緩慢，每年深度不超過一毫米，故其被視為不可再生的自然資源。此外有專家指出，在泥炭苔的開採過程或是作為混合介質使用於盆栽種植時，容易造成二氧化碳釋放於大氣中，增強溫室效應，因此為了維護自然環境，現已有許多高緯度國家不再開採。 　　在最近的一項研究中，美國伊利諾大學厄巴納大學-香檳分校的作物科學系助理教授Andrew Margenot與選用選伐林(Selective logging)中的軟木(Softwood)製成生物炭，替代泥炭苔進行萬壽菊盆栽種植研究。生物炭類似於木炭，藉由有機質廢棄物如玉米桿、風傾草(Switchgrass)、稻桿等，於無氧環境下經過熱裂解(Pyrolysis)過程所製成，其性質會因原料和熱裂解溫度而異；且生物炭分解非常緩慢，因此有助於將碳封存於土壤中，減緩大氣中二氧化碳濃度。【延伸閱讀】研究人員將澱粉和纖維素結合在一起以開發出可水解塑膠 　　研究團隊指出生物炭其酸鹼值(pH)可高達10.9，對於植物生長較為困難，發芽初期容易造成缺氮、矮化或葉綠素減少等徵狀。但根據實驗結果，種植於溫室中的萬壽菊仍能完成生命週期至開花結果，且萬壽菊外觀性狀未受影響；最後測得盆栽混和介質之酸鹼值也被中和，其推論是由於植物根部與盆栽內混合介質進行自然過程的離子交換所造成。 　　雖然以生物炭作為泥炭苔的替代介質，有理論負面影響，但在萬壽菊實驗發現效果良好，因此仍有潛力應用於其他商業化盆栽植物之種植與研究，以間接幫助大氣中溫室氣體濃度減少，維護自然環境。 　　相關研究發表於 Industrial Crops & Products