環境永續》生物炭可改善瘠劣土壤品質、封存大氣中的二氧化碳

全球可耕種農地土壤普遍面臨有機質耗損、地力衰竭的現象,加上氣候變化引起的降水不均,過度施用化學肥料造成土壤酸化和鹽鹼化等問題,進而影響農業產能。本中心邱志郁研究員團隊和工研院簡全基研究員團隊合作研究,以大數據分析近十年間全球107個生物炭實驗地點的數據。研究發現,施用「生物炭」可以調節土壤酸鹼值和影響微生物族群結構和功能,將來可望針對生物炭材料的性質和土壤的條件進行調整,強化土壤微生物的機能,藉此有效改善土壤品質,並減少大氣中二氧化碳濃度。研究成果發表於《全球生物變遷─生質能源》(Global Change Biology-Bioenergy)期刊。

  生物炭泛指以高溫隔氧熱裂解(悶燒)生物資材所製成富含碳的固體物質,所使用的原料包括木材、農業廢棄物。市面上販售的木炭 、竹炭就是典型具備商業價值的生物炭。近年來,應用生物炭改良農耕土壤已掀起全球一股風潮。主要原因是生物炭可長久保存在土壤中甚至達千年,其疏鬆富含微細孔洞的特性,可保持水份且提供土壤微生物適宜生長的環境,遂能有效地將各類有機物和氮磷鉀營養要素轉化固定在土壤中,維持土壤的肥力。

雖然目前研究已知,生物炭可提升土壤品質及間接減少大氣中的二氧化碳等雙重價值,相關的研究論文數量近年內也飛速成長。然而,受限於生物炭本身不同的性質和施用方式、氣候環境、栽種方式、作物種類、土壤種類、土壤的物理和化學性質差異等條件,生物炭在土壤中對於微生物的作用功能及其間的調控作用機制,迄今尚未能確實釐清。

為了進一步瞭解生物炭在土壤中的影響機制,邱志郁的研究團隊透過R語言程式建構混合線性模型和結構方程模型深入解析全球107個生物炭實驗地點的數據,探討三個面向:生物炭對土壤微生物群落、碳源代謝活性的影響。其次為探討生物炭施用量和施用時間對土壤微生物生質碳素量、土壤呼吸、微生物功能多樣性的影響。最後,探討土壤性質、生物炭性質(諸如製備時之熱裂解溫度)此等因子對微生物的影響。

研究結果顯示,生物炭的施用量及其性質 對真菌和細菌有不同的影響機制。施用生物炭會對土壤中的真菌族群構成直接的影響;細菌族群則是間接經由土壤性質的變化而改變。較高pH值(偏鹼性)的生物炭會降低土壤中細菌、真菌、放線菌的數量。因此,在酸性土壤中,施用生物炭對真菌量及微生物多元功能活性有明顯的施用效果。反之,在鹼性土壤中並不明顯。此發現有助於克服過往生物炭施用上的盲點。

  生物炭早已被烙印在人類的文明歷史,但直到上世紀末,生物炭才被證實可展現在農耕栽培的舞台。1966年荷蘭土壤學家Sombroek在亞馬遜極少數地區發現異於尋常的黑土。在熱帶高溫多濕的環境下,有機物分解旺盛,土壤有機質普遍偏低。但是當地的農地土壤竟然富含有機質,黝黑而極為肥沃。截然有別於原始農業栽植型態──刀耕火種所衍生土壤貧瘠劣化的現象,遂引起土壤學家投入研究。而其中的關鍵即為:這類土壤存在著經過悶燒而形成的「生物炭」,疏鬆保水的豐富孔洞,適於微生物生長,遂能有效地將生活廢棄物如糞尿、廚餘轉化並固定為植物所需的營養要素,成就了這令學者驚豔不已的沃土。1992年更有學者提出利用生物炭將碳封存於土壤中的概念。在貧瘠的土壤中施用大量的生物炭,不僅間接削減大氣中的二氧化碳,更可同時提升土壤的品質,促進生產力。在生態的實質意義並不亞於人工造林。

除此之外,生物炭在節能減碳、循環經濟上具備重要意義。工研院簡全基研究員表示,目前臺灣每年有近2,300萬公噸的農業廢棄物(包括果樹行道樹修剪枝條、稻殼、稻草、食品加工殘餘資材等),可運用工研院開發的炭化爐製備生物炭。這套系統無需外加能源,幾乎不會產生煙霧,無空氣污染之虞,更可將熱能回收。凝結的揮發性液體的副產品也存在經濟價值,可開發成殺菌、植物葉肥等產品使用。

該項研究成果未來也將與工研院、高雄改良場合作,進一步延伸後續的工作如下:
一、根據農產廢棄物材料的性質,開發製成適切的生物炭成品,加速農業廢棄物資源化和提升土壤的品質。
二、利用生物炭可裨益微生物棲息的特性,提升植物益生菌(包括叢枝菌根真菌)在土壤中的作用效能。
三、檢視生物炭在不同類型瘠劣土壤的施用效果。並深入探討施用生物炭對於耕地土壤微生物相和功能的影響。

論文第一作者為邱志郁研究室的研究助理許文歡。通訊作者為邱志郁研究員。研究團隊另包括美國喬治亞大學、瑞典農業科技大學。該項研究的部分成果──〈施用生物炭對於土壤微生物族群和功能的影響〉(Functional response of the soil microbial community to biochar applications),已發表於國際期刊《全球生物變遷─生質能源》(Global Change Biology-Bioenergy)」。並被該期刊選錄製成影片公開於YouTube和Twitter網頁。
‧論文連結:http://dx.doi.org/10.1111/gcbb.12773
‧YouTube: https://youtu.be/CFH20JFGAXA
‧Twitter: https://twitter.com/GCB_Bioenergy/status/1328748872726941702