土壤碳儲存：
全世界都在關注氣候問題，它就是地球碳中和的救星！
作者 楊秋忠 2021-11-08
工業革命後，人類數百年來開採大量石化燃料作為能源，改變土地利用型態，大氣中二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等溫室效應氣體濃度迅速上升，影響了地球的碳循環，導致氣候變遷與極端氣候問題。其中，如何解決碳循環不平衡，是全球關注的焦點。
國際為恢復自然系統平衡，有兩項重要優先決議，包括巴黎協定（Paris Agreement）及聯合國的永續發展目標SDGs第13項（UN Sustainable Development Goals-13）。然而，對工商業發達與能源缺乏地區，這些指標是高難度挑戰。台灣宣示2050年要達到「淨零排放」（net zero emissions），但根據2021年德國看守協會（Germanwatch）公布的年度「氣候變遷績效指標」（CCPI），台灣列在全球倒數第五。若只靠有限的政策，要達到目標很不容易。
本文從全球碳循環量的觀點，提出可行解決方案「土壤碳儲存」，透過這個「碳中和」的救星，向淨零排放目標推進，也期盼拋磚引玉，能集思廣益出更好、更有效的策略。
地球的碳循環動態
在地球碳循環上，陸地與海洋各自吸收與釋放的量，本來是穩定的動態平衡。如底下的圖，植物藉由光合作用一年固定下來的碳（120GtC，1GtC=10億噸碳），會有一半（60 GtC）因自身呼吸作用返回大氣，另一半則經由土壤中微生物的呼吸和分解作用返回大氣。但由於人類大量燃燒石化燃料、改變土地利用型態，一年多增加9GtC，干擾了平衡。
為讓整體碳循環平衡，除了將人類排放的9GtC降低，還可從大自然回收與釋放碳的路徑下手，若減少這一大通量的碳排放，將更易有效達到「碳中和」。
實現「碳中和」的三種方法
使用不同方式來實現「碳中和」，在2050年達到「淨零排放」目標，是許多先進國家的規劃。而這項長期挑戰，需要克服一系列障礙。
現今達到「碳中和」的主要三種方法，包括：「碳捕捉及封存」（carbon capture and storage，CCS）、「減少碳排放」及「碳儲存」（抵消或再利用）。其中，「碳儲存」為最具潛力且可行性最高的方法。以下一一說明。
1.碳捕捉及封存：工廠將排放的二氧化碳捕捉回來並封存碳。美國投資數百億美元在39個CCS項目上，卻大多以失敗告終，最後一座擁有CCS系統的燃煤發電廠在2021年初永久關閉，原因在於不符經濟效益。燃煤發電廠加裝CCS系統的過程，所評估發電的「均化成本」，加上從設計、營運到維護的「全生命週期」過高，目前仍有待突破成本、技術、經營與運作、激勵措施的瓶頸。
2.減少碳排放：工商業及人類生活大小事都盡可能減碳，這部分還需要社會轉向使用永續的清潔能源，盡力減少「碳足跡」。
3.碳儲存：透過植物的作用與農業灌溉施肥等方式，增加土壤中的碳儲存，把大量的碳留存在土壤中，例如農地免耕或減少耕犁、覆蓋作物和使用有機肥、應用適當灌溉、種植深根作物及施用穩定有機肥等。不直接焚燒有機廢棄物，透過土壤微生物的分解、聚合、轉化作用，形成中不易分解的腐植物，以及將有機廢棄物加工製成穩定有機質或有機肥，施入農業土壤中，都是碳儲存的方式。這樣的「土壤碳儲存」，保存時間可達數百至數千年。
使用有機質肥料的過程中，若導入可抗分解、成為穩定有機物質的技術，不僅能增進農業地力、解決環保問題，還可有效增加土壤碳儲存，加速達成碳中和目標，擁有多重效益。因此，「碳儲存」會是實現碳中和目標，較可期待達成的重要方式。
土壤可以儲存多少碳？
土壤碳儲存是減少大氣中二氧化碳上升，相較起來更有效益的方法。增加碳儲存的「腐植化作用」中，需要大量穩定的有機質含量，才能將碳有效、高量的保存在土壤中。
在技術應用上，以全球生產糧食的土地約49億公頃計算，每公頃的15公分土層若增加1%的土壤有機質含量，將可蓄存46.9公噸的二氧化碳，等於蓄存12.79公噸的碳。全球每公頃多增加22公噸的土壤有機質，可蓄存約62.7GtC的碳量。
62.7GtC，已超過全球每年生物行光合作用吸收碳量的一半，可抵銷7年人為石化燃料等造成的碳釋放量（每年9GtC）。經計算，全球農地增加0.14%的土壤有機質，就能抵銷全球一年的9GtC排放量。因此，「土壤碳儲存」抵銷碳的空間不容小覷。
以目前台灣耕地面積約80萬公頃計算，可蓄存約3,752萬公噸的二氧化碳，約等於1,023萬公噸的碳。根據台灣森林調查，台灣森林面積約有210萬公頃，一年可固定2,378萬公噸的二氧化碳。如此一來，台灣的農地只要增加1%土壤有機質，固定二氧化碳的量將超過森林的1.6倍，可抵消全台年度排放量224百萬公噸二氧化碳的1/6。農地的土壤碳儲存潛力實在可觀。
農地如何獲得有機質？可以穩定供給嗎？
農地土壤碳儲存的關鍵，在於大量有機物來源，想增加土壤1%「穩定的」有機質含量，則一公頃的農地需要施用22公噸的有機質。評估是否可行？有兩重點。
1.有機質來源如何獲得？最好的來源是就地種植的綠肥以及地區有機廢棄物。綠肥是先在農地中播種植物，待幼嫩期或成熟後，藉用犁或翻入土壤中的方式，將植物當作肥料加以應用。每公頃22公噸有機質原料，可透過種植田菁60天、大豆80天的綠肥來獲得。
台灣農村主要有機廢棄物近3千萬公噸，以畜產廢棄物占最大宗，其次是家庭垃圾，再來是農產廢棄物，不包括其他廚餘、修剪路樹枝葉、食品工業事業廢棄物。因此，要達到足量的有機質來源應也不是問題，而有機廢棄物以「當地收集、當地處理、當地用」為佳。
2.如何製成可供給土壤碳儲存的穩定有機物？一般的新鮮有機質，在環境中容易被微生物分解成二氧化碳釋放到大氣中。為解決此現象，需要兩方面的技術配合。其一，要將容易分解的有機碳，製成穩定不易分解的有機物。其二，要利用農業栽培及管理土壤生態，將一般有機質大量轉化成為穩定物質。兩方配合下，才能有效達成土壤碳儲存的目標。目前本團隊已掌握這兩方面的關鍵技術，在農業栽培、土壤管理及生物炭（biochar）技術應用上，亦有許多文獻報導增進土壤碳儲存之協力方法。
根據農委會農業試驗所調查，台灣有65%農地土壤的有機質低於2%，顯示台灣農地土壤迫切需要補充有機質肥料，尚有許多容納空間。若能施入穩定化的有機質肥料，土壤性質得到改善後，土壤可以乘載的有機質含量將更大。
2050年「淨零排放」，土壤碳儲存是關鍵解方
氣候變遷及極端氣候問題，各地區已逐年加劇，可謂「十萬火急，兵臨城下」。自然的反撲與人類的行為息息相關，其中以大氣的二氧化碳濃度上升有密切關聯。為實現碳中和，「土壤碳儲存」是救星，不僅大量抵消碳排放的效益，還可增進農業耕作的地力，並解決有機廢棄物循環再利用的環保問題，一舉數得。
人類需要覺醒的時刻到了，需要政府的決心及制訂有效的政策，有遠見的政治人物是重要推動角色，加上企業與人民有意識的配合，有效減碳才能事半功倍，從減少大氣二氧化碳上升，協力達成「碳中和」，以實現2050年「淨零排放」永續經營的世界。
（作者為中央研究院院士、中興大學講座教授、地天泰農業生技公司創辦人）
