豐年雜誌 20240915
土壤有機碳是土壤碳匯的關鍵，也攸關農業生產、生態系統服務等面向。（攝影╱Drazen Nesic on Pixnio CC0）
撰文╱楊秋忠 中央研究院生命科學組院士
根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報告，估計2019年全球人為溫室氣體淨排放量約為590億噸二氧化碳當量。大自然碳循環中，每年有近六成循環量進出陸域生態系，土壤是最大陸域碳庫，土壤有機質（soil organic matter, SOM）對達成「淨零排放」目標、維持農業生態系統土壤碳匯的穩定性極為重要。土壤的有機碳控制並影響多種土壤特性，也具農業生產與生態系統服務方面的作用，土壤有機物質的特性、形成機制與增匯要領值得重視。
極端氣候日益嚴重，凸顯對有效緩解方案的迫切需求，自然碳匯的可行性及發展潛力都令人關注。全球1公尺深以下的土壤所容納碳量，估計是大氣總碳量的2至3倍，土壤碳匯是調節全球碳循環及維持地球氣候平衡的關鍵，可利用土壤管理增匯，主要以有機物的形式儲存碳。
有機碳源自微生物轉化有機質
綜觀土壤碳匯的碳物質來源，是由大氣中的二氧化碳經植物及微生物光合作用或固碳作用，轉化成固態碳後，殘體進入土壤並儲存在其中。土壤中的碳可分為有機碳（soil organic carbon, SOC）及無機碳（soil inorganic carbon, SIC），土壤無機碳儲量占全球土壤碳儲量超過1/3，但形成機制還待研究，且容易因雨水淋洗而流失；因為氮肥會導致農業土壤酸化，間接加速無機碳轉化流失，如連續密集施用氮肥，可能導致無機碳完全損失。
土壤有機碳的來源為土壤有機質（SOM），是植物殘體或有機質肥料等有機物進入土壤後，經不同長度時間藉由微生物作用，經過物理分解及生物轉化（biotransformation）機制，將複雜有機分子變為更簡單的有機物、單體及無機分子等，或再相遇重組形成複雜的有機物。
土壤中有機碳形態可分為非腐植質（non-humus）及腐植質（humus）。一般認為腐植質和有機碳存量呈正比，非腐植質包括醣類、胺基酸等，從植物殘體分解後經多種重組與聚合的變化，形成無定型及較穩定腐植物質；前述過程稱為「腐植化作用」（humification），是一種主要的土壤碳封存策略；如果描述生物殘質的有機物被分解到無機物（如礦物質及二氧化碳等）的過程，則稱之為「礦化作用」（mineralization），這些作用都是土壤中的自然現象。
土壤固碳必備法寶：腐植質
總之，土壤碳匯物質的來源是生物殘體，需要土壤微生物的分解，才有土壤後續的轉化、聚合、穩定化作用，形成穩定的腐植物質，進而產生土壤碳匯。根據這個觀點，殘體的有機物分解越慢，及整個分解過程中保留的殘留物越多，土壤碳匯就愈多。
腐植物質是自然界形成的有機物質，結構複雜且穩定性高，能夠抵抗微生物酵素的分解，不僅是土壤碳匯的基礎，也是農地保水保肥的「肥力指標」，又能吸附重金屬等有毒物質及農藥，減少作物吸收、汙染擴散，可說是「解毒基站」。
因為土壤腐植物質來源的有機物質種類及成分複雜，形成的時間漫長，所形成的腐植物質是複雜的無定型構造物，其分子、結構和化學性質具有異質性。科學家將土壤中的腐植物質萃取出來研究，有相當高的難度，至今主要的土壤有機物質萃取分類方式有化學法與物理法兩種，增進我們對土壤腐植質的了解。
腐植化作用形成腐植物質的催化機制，包括生物及非生物兩種，生物轉化作用是學界最具廣泛共識的土壤腐植質形成機制。
當有機殘質被微生物分解時，土壤微生物改變的化合物及新化合物，透過土壤有機化學及生物轉化促成多元反應聚合作用（polymerization），產生了腐植化作用，形成穩定的腐植物質。
土壤微生物的催化作用是以酵素協助分解有機物，形成酚類及非酚類的基質，再由基質中的聚合作用形成腐植物質；另一方面，主要來自細菌及真菌的酵素也是腐植化作用中的關鍵。這些酵素包括以下幾種：
- 酪胺酸酶（tyrosinase）
一種含銅的酶，是形成黑色素（melanin）的啟動酵素，並不參與分解過程，僅參與聚合作用，是作為碳儲存的關鍵調節劑及可用於增強土壤中腐植質的合成。
- 漆酶（laccase）
是一種含有4個銅離子簇的重要酶，利用分子氧作為電子受體，氧化木質素╱聚合物相關的酚類或非酚類化合物，產生自由基中間體，自由基中間體可以進一步相互偶聯形成腐植物質。
- 過氧化物酶（peroxidases）
主要包括木質素過氧化物酶（lignin peroxidase）及錳過氧化物酶（manganese peroxidase）。木質素過氧化物酶是一種血紅素蛋白的木質素氧化酶，具有直接氧化木質素中非酚結構的獨特能力，有助進一步形成腐植物質；錳過氧化物酶是一種血紅素蛋白的木質素氧化酶，催化二價錳原子（Mn2+）氧化為三價錳原子（Mn3+），後者透過草酸、丙二酸、酒石酸或乳酸鹽等雙齒螯合劑穩定，並充當非特異性擴散氧化劑，透過苯氧基中間體合成多種酚類化合物和芳香胺，有助形成腐植物質。
微生物殘體可占有機碳80％
近年來學界透過測量植物根部與土壤的碳同位素分餾值（δ13C）❶ 特徵，以及分析土壤中的醣胺，如葡萄糖胺（GlcN）、胞壁酸（MurN）和半乳糖胺（GalN），了解微生物殘體（microbial necromass）對土壤有機質貢獻的定量評估，並認為土壤中超過50%鹼萃取物質可能由微生物細胞中可辨別的有機物組成，微生物殘體對土壤有機碳的貢獻在平衡穩態下可以達到82%，據此建議土壤碳吸存之策略應聚焦於適當管理土壤微生物，包括促進微生物生質量與活性。
有研究指出微生物殘體平均占土壤有機碳的50%或更多。土壤的微生物碳泵（microbial carbon pump，MCP）❷ 概念強調了土壤微生物合成代謝的重要性，以及對土壤有機碳形成和穩定的貢獻，可用於闡明土壤有機碳的來源、形成和封存。
土壤成分結構影響有機質固存
與其他金屬氧化物如三氧化二鐵（Fe2O3）或氧化鋁（Al2O3）相比，氧化錳（MnO2）具有最高的腐植化活性；具有2比1層狀結構的黏土，比具有1比1結構的黏土礦物表現出更高的潛力。
非生物作用機制主張，土壤有機碳及氮的保護及穩定，與礦物的黏粒（Clay）或坋粒（Silt）加黏粒含量有關。黏粒和坋粒含量高的土壤也可能形成微團聚體和大團聚體，進一步保護土壤有機質。
土壤團粒穩定性（soil aggregate stability）是土壤健康的重要物理指標，除了改善土壤孔隙度、排水和植物水分利用率、減少土壤板結、支持生物活動及土壤養分循環，土壤團粒也被認為可保護有機質累積。土壤有機碳及氮含量隨著土壤團聚穩定性的提高而增加，土壤團聚體穩定性促進了土壤有機質固存，而充足的土壤有機質可以有效維持土壤品質。
