土壤的有機質含量對於農業經營十分重要，對農業朝土壤碳匯、SDGs發展更不可或缺。（攝影/薛穎琦）
撰文╱楊秋忠 中央研究院生命科學組院士
〈土壤有機物特性與增匯要領（上）〉介紹土壤有機質的催化機制、對於土壤碳匯的重要性等。本文將進一步分析影響土壤碳匯的因素，以及可採取的增匯措施，包含微生物多樣性、植被、土地管理與利用方式等。氣候變遷是土壤儲存有機碳的最主要挑戰之一，穩定土壤有機質、減少水土流失是增加土壤碳匯的重要方向。
土壤有機物質（soil organic matters,SOM）的構造穩定度、腐植化程度、團粒保護力，主要影響土壤有機物質的保存穩定性能力，也因為與土壤碳匯、全球碳循環相關，而受到更多關注重視。
有機質也是土壤碳的保存形式，土壤有機碳庫（organic carbon pool）是陸域生態系中最重要碳庫之一，占土壤總碳量50%以上。土壤有機碳的變化影響土壤及植被的養分供給，以及土壤與大氣之間的碳平衡，也對地球碳循環和全球氣候變化產生影響。
此外，土壤有機碳（soil organic carbon, SOC）的高低，對於土壤生態系的結構和功能具有決定性的地位。在農業上，較高的土壤有機碳能為作物生長提供更佳的土壤條件，並促進土壤養分循環。
影響土壤有機質的環境因素
理解及預測土壤有機質動力學的主要困難，源於多種機制的同時運作。土壤有機質存續時間，經由腐植化及適當環境，可能長達數十乃至數百、上千年。關於土壤有機質轉化到腐植質的過程，有幾點值得注意：
1.土壤微生物群落能分解任何天然來源的有機物；2.有機物分子的頑抗性（recalcitrance）是相對的，而不是絕對的；3.頑抗性僅在早期分解過程及各種作用活躍的表層土壤中才重要；4.在後期分解過程及底土中，空間不可達性以及與有機礦物（烴類等礦物形式的有機化合物）的交互作用，和土壤有機質穩定的相關性增加。
同樣的物質在土壤中不同位置，也會因為周遭不同的物理及化學性質、微生物群落等差異，造成不同的分解速率。由於地區、土壤及輸入資材等因素差異，影響土壤碳匯甚為複雜，多年來腐植質的結構異質性及形成機制仍然眾說紛紜，其他與土壤碳匯相關的土壤性質形成及微生物驅動機制也有待探討釐清。目前研究發現影響土壤有機質存續時間，乃至土壤碳匯保存的因素包括：
1.氣候：溫度、降水結構、生長季節、極端事件等。
2.土壤：土壤深度、土壤類型、質地、pH值、結構、黏粒、礦物、內部排水、團粒、保水性等。
3.植被：樹冠覆蓋率、物種的組成、根系、枯枝落葉質量、地上部、生物多樣性等。
4.地形：坡度、坡向、景觀位置、排水性等。
5.農耕管理：耕犁、覆蓋與敷蓋、草生栽培、有機殘質投入、化學肥料及藥劑肥投入等。
土壤碳匯的經營難題
任何地區的農地、土壤，對於土壤中的碳儲存都可能存在「限制因子」，針對瓶頸克服技術問題，在執行土壤碳匯工程就能順利成功。根據土壤有機物穩定化作用的形成理論，具有特殊穩定化／腐植化的結構，或被礦物質保護的有機物，將能在土壤中保存較長時間，但不同的土地條件均有差異。土壤是包括生物及非生物系統的動態環境，經營土壤碳匯的可能困難及瓶頸如下：
● 可逆性：土壤碳儲存是可逆的過程，若有土地管理的變化，例如不施用有機肥長期耕作、將森林／草原轉變為農田，或氣候條件的變遷，都可能導致原先儲存的土壤有機碳被分解釋放到大氣中。需要注意的是，一般農地管理或利用不當時，土壤中的碳流失速度會快於累積速度。也要認知到，農田即使達到一定的碳含量，仍然需要持續輸入碳源（有機質），土壤碳含量才能長期維持。
● 飽和點：土壤儲存碳的能力是有限的，一旦土壤達到飽和點，可能很難吸收／保存額外的碳，限制長期碳儲存的潛力。但施入土壤的有機碳若是經過穩定化／腐植化的有機質、生物炭、泥炭等資材，有可能在改善土質的同時，增加其飽和上限。
土壤碳儲存飽和程度，隨著土壤黏粒含量的增加而提高，有研究指出，黏土含量為50%的農業土壤，每年需要大於2.2公噸C ha-1（每公頃碳儲存量）才能維持給定的碳儲存水準；而黏土含量為30%的農業土壤，每年需要大於6.5公噸C ha-1。
● 時間動態：增加土壤中穩定的腐植質及碳匯需要較長時間，通常是數年到數十年以上，這使得對土壤碳儲量的展望評估及持續經營管理，都具有挑戰性。
● 測量困難：土壤的碳儲存過程是動態，在農耕土壤空間及時間上變化很大，要準確測量土壤碳含量的變化並不容易，因此監測及驗證土壤碳儲存實務影響的工作相當複雜。
● 土地利用變化：森林砍伐及農地都市化等土地利用變化導致土壤碳大量損失。增加土壤碳固存，例如免耕、少耕、敷蓋、草生栽培、覆蓋種植或林業，需要對土地利用及管理進行重大改變。
● 氣候變遷影響：氣候變遷下，溫度、降水變化及極端天氣事件，影響土壤分解及固碳，進而影響植物生長、土壤微生物活動及水土流失的風險，導致土壤有機碳匯量減少。
● 經濟與政策挑戰：為增加土壤碳固存，通常需要前期投入成本，甚至改變耕作方式，如果缺乏經濟誘因、支持性政策，農民及土地管理者可能不願意採取這些增加土壤碳固存的做法。
7大要領增益碳匯、促進SDGs
任何土壤都有現存的土壤有機質含量，要如何增加土壤有機質乃至增碳？需要適當管理，施入額外碳源可增加土壤有機質潛在上限，但任何土壤都有飽和瓶頸，需要創新技術施入更穩定的碳，才能有效增加更多儲存。
維持及增加土壤有機質儲存不僅對減少溫室氣體排放有益，也是確保土壤健康、肥力及農業生產的關鍵。適當農業管理具有緩解氣候變遷的潛力，也有多種生態、環境和經濟效益，為永續發展目標（SDGs）做出貢獻。以下分項說明，提出農地利用方面有助於增進土壤碳匯的管理要領：
1.增加輸入碳量
增加對土壤的碳輸入量是增進土壤碳匯的關鍵。換言之，沒有碳輸入／施入土壤，就沒有可能增加土壤碳匯。因此，農地要施用有機質／堆肥，才能維持土壤有機質含量，否則，多年耕種後的土壤有機質含量會降低，尤其亞熱帶、熱帶地區降低速度更快。
因此，施用有機質的「總碳量」要超出被分解的總碳量，才能增加更多的「潛在土壤有機質」。在農業管理技術上需要增加施用有機殘體或有機質肥料，或增加固碳微生物的作用。需注意的是，施入土壤的新鮮有機殘體／有機質肥料會有部分被土壤微生物分解，導致釋出二氧化碳導致，因此新鮮植物殘體、綠肥、粕類等增加土壤碳匯的能力相對有限。
雖然目前研究認為，施用過多未腐熟有機質肥料或植物殘體、導致土壤有機質含量過高，也可能產生負面影響，包括使土壤含水量偏高、影響作物吸收營養及類似「優養化」作用等，但臺灣地處亞熱帶，有機質分解偏快，且農地有機質含量普遍不高，仍應優先重視此一關鍵，經處理、較穩定的有機質有助克服部分問題。
2.增加輸入穩定性／頑抗性高的有機質
施用於土壤的有機殘體或有機質肥料，可先「改質」處理，形成具穩定性／頑抗性的有機質，例如經特定酵素作用或腐熟堆肥化處理的有機質肥料／土壤改良劑、優質的生物炭等資材，減少在土壤中被分解有機質及碳流失。
3.增加土壤中有機質的穩定化
增加土壤中有機質的穩定化，是減少碳流失及構造穩定的目標。例如適量施用氮素及輪（間）作豆科固氮植物，以增加土壤氮素及有機胺，提供穩定／腐植化聚合作用的架橋。其他如添加黏土及礦物、適量施用石灰類等資材，有助改善土壤團粒結構，增加土壤有機質穩定性。
4.降低土壤溫度的耕作方法
土壤碳匯是土壤有機質分解、轉化及穩定過程的結果，經由土壤有機化學、生物化學以及無機化學反應產生的驅動力，受土壤溫度的影響甚大，土壤溫度同時影響微生物的生長及繁殖，當環境中的溫度較高時，會增加微生物的呼吸作用、釋放二氧化碳，導致土壤碳匯降低。
5.降低土壤擾動、流失的耕作方法
土壤擾動影響有機物的分解作用，擾動下會增加好氣（氧）微生物分解的呼吸作用釋放二氧化碳，不利土壤碳匯。因此，降低土壤擾動的耕作方法，均可能有助於增加土壤碳匯。
表土對於土壤碳匯極為重要，根據農業試驗所估算，臺灣農地表土至150公分深約有6,649萬噸碳，其中大部分約3,880萬噸碳存於表層30公分。防止表面土壤流失的耕作方法和田間管理，都具有減排增匯的潛力。
降低土壤溫度、減少土壤擾動和防止土壤流失，在管理操作上有其相通性，包括免耕／最少耕犁、休耕期種植覆蓋作物、草生栽培的耕作，使用天然資材敷蓋物，乃至種植多年生草本／木本作物等方法，至少有部分可能建立碳匯方法學，並兼具水土保持等效益。
6.降低土壤氧氣的耕作方法
土壤氧氣影響有機物的分解作用，因為氧氣高時會增加好氣微生物加速分解的呼吸作用而釋放二氧化碳，不利土壤碳匯。因此，降低土壤氧氣量的耕作方法，例如維持濕地、泥炭地覆水、轉種水生作物，如水稻、茭白筍、水蕹菜、水芋、蓮、菱角等，均有增加土壤碳匯的效益。
7.增加土壤微生物多樣性
土壤中有機質的來自生物的有機殘體，需要土壤微生物的分解作用，才有機會形成穩定化、腐植化的有機碳。土壤微生物的種類及系統非常複雜，微生物需要碳源及能源，任何增加土壤碳源及能源的方式，以及施用微生物肥料，都有助於增加土壤微生物多樣性及土壤碳匯。
