土壤黃碳之形成機制及挑戰

楊秋忠
中央研究院院士/教育部終生榮譽國家講座/中興大學講座教授

　　自然碳匯包括森林的綠碳、海洋的藍碳及土壤的黃碳，黃碳係指土壤碳匯的有機碳及無機碳，主要來自植物及微生物的固定的碳。在農田的耕作下，因施肥及作物種植因子影響下，土壤無機碳因酸化引起大量的二氧化碳排放流失。因此，農地的土壤碳匯主要是指土壤有機碳(SOC)，土壤有機碳是「地力指標」及地球「碳中和」的救星！農地本來每年都需要施入有機質肥料，以增加或維持土壤有機質含量才能永續經營，而增加土壤有機碳的輸入才能增加土壤碳匯。因此，土壤施入有機質肥料兼具永續農業作物的生產及土壤碳匯。土壤黃碳的有機質的形成機制複雜，包括生物化學、有機化學及無機化學的催化作用，將有機物質分解、轉化、聚合之後的有機產物，包括不容易分解的腐植物質 (如黃酸、腐植酸、腐植素等) 及容易分解的非腐植物質 (如纖維素、木質素、蛋白質、油脂、醣類、有機酸等)。存在土壤中的物理型態可分顆粒有機物質 (POM) (10-270 mesh) 及礦物相關有機物質 (MAOM)(<270 mesh)。其中只有腐植物質最穩定，才能保存在土壤中數百年，它的結構係為極複雜的多種直鍊及環狀有機化合物混合的無定形構造物，是土壤碳匯的穩定有機質，對農業土壤養分及水分具有高保持能力，及能降低土壤鹽分與毒物質對作物的危害程度。但增加土壤碳儲存的挑戰主要是形成腐植質的速率慢、持續被分解、有飽和現象、供應有機資材量不足、土壤微生物系統難控制等問題。尤其亞熱帶-熱帶的地區要增進土壤碳匯較為困難，從台灣長期生態研究區發現增進土壤碳匯以施用堆肥及添加氮肥的處理為最有效，但施用綠肥的有機質處理之土壤有機質含量與不施用有機質的化學肥料處理相近，顯示長期施用綠肥的新鮮有機質容易被分解殆盡，需要in situ法的特定技術或ex situ法以穩定化的有機質來解決綠肥的問題。根據全球農耕管理方式的研究報導減排率約為每年每公頃0.2-7.5 t CO₂e，施用生物炭/穩定有機碳可達10.3-15.7 t CO₂e。而科學上要解決各項挑戰都有方法及對策，其中需要充分利用有機廢棄物的碳源，建立完整的社區有機廢棄物的再利用收集系統及量產穩定有機質場提供大量土壤碳匯資材，以擴大全面性土壤碳匯的前瞻戰略，並降低成本及價格，才能全面普及推廣。 本研究室首次發現土壤腐植酸中含有多胺 (polyamines) 之植物生長刺激素，並首次發現常溫常壓下腐植酸具有非蛋白質酵素之固氮作用。首創全球唯一標靶酵素處理技術，已可快速處理有機廢棄物量產製成穩定之有機質肥料，提供土壤碳匯的資材，突破傳統3個月堆肥過程，縮短至3小時，保留原有的碳總量，兼具環保與高碳利用效益，可解決傳統有機廢棄物處理之速度、惡臭及環境污染問題，更解決了數千年來人類對有機廢棄物處理的困境。生產之有機質肥料可依一般作物之基肥施用，其效果兼具土壤碳匯的長效肥料及改良土壤之多重功能，以達增進地力與作物生產，並可節省化學肥料之使用量，一舉數得。