生物炭提升土壤品質 中研院大數據分析調控機制
2020-12-04
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中研院生物多樣性研究中心研究員邱志郁與工研院研究團隊透過大數據分析，發現生物炭會對土壤中真菌族群構成直接影響，也能減少大氣中二氧化碳濃度，4日召開記者會說明研究成果。
助攻環境永續 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。本院生物多樣性研究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
新聞來源：中央研究院 院新聞稿
【圖片來源：中央社】
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
新聞來源：中央研究院 院新聞稿
【圖片來源：中央社】
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