慈心活動課程集錦
慈心活動課程集錦 2024 / 03 / 07 1288

地球氣候變遷議題刻不容緩。為了避免氣候災難,全球多國宣示在2050年前,達到溫室氣體淨零排放的目標。慈心基金會2021年加入致力於土壤碳匯的聯合國「千分之四倡議聯盟」,在友善農業的基礎上,投入減碳、增匯的倡導與實踐。

為了讓大眾更加認識農業碳匯,慈心邀請專家為我們解答相關問題,推出<農業碳匯 專家怎麼說 >系列,期待與更多人一同關心、了解。

土壤團粒如何組成、與我們的生活有什麼關係?從<從一粒土壤出發:看看我們的環境與地球>一文深入淺出的說明,會驚訝於看似不起眼但卻能長養萬物的土壤世界是如此豐富而重要,在此特別取得日本國家科學博物館刊物<MilSil>及和穎朗太博士、淺野真希博士兩位作者慷慨授權翻譯成中文,與台灣的讀者分享。

 

【作者介紹】

和穎朗太:1999年獲美國奧勒岡州立大學博士學位。2005年獲頒美國緬因州立大學博士學位。畢業後任職於京都大學生態研究中心和國立環境研究所,自2008年起擔任農業環境技術研究所任期制研究員,2013 年起擔任該研究所的高級研究員。

淺野真希:2007 年獲得築波大學生命環境化學研究所碩博一貫博士學位。曾就職於慶應義塾大學和農業環境技術研究所,2015年起擔任築波大學助理教授。

(攝影 / 何孟詞)

 在一茶匙的土壤中,有著相當於全球人口數量的微小生物(微生物)。它們生活在結構非常複雜的 "土壤團粒 "中。為什麼在土壤團粒中,有著許多生物賴以為生的地方和食物?土壤團粒和我們的生活又有何關係?

 

一吋土地中存在著五億個靈魂!

當您漫步於森林或田野時,是否曾想過腳下的土壤有著多少、什麼樣的生物?事實上,在進行明治神宮森林土壤考察時發現,一個成年人腳印大小的面積下,一共住著 80,590隻土壤動物,其中包括 74,810 隻蜈蚣、3,280 隻蟎蟲、1,845 隻褐蟲和 479 隻石蠅(青木,1984 年)。微生物(細菌和絲狀真菌)的數量和多樣性甚至更可觀:一茶匙土壤中有著相當於全世界的人口數量--數十億的微生物。既然自然環境中的土是由微小生物的活動所構成,因此應該可以說"一吋土地中存在著五億個靈魂"吧。

那土壤是如何讓這麼多生物共存的呢?

 

土壤團粒:土壤生物的住處是由隧道連接而成的地下迷宮

土壤作為許多生物的家園,非常不可思議。熱帶雨林擁有豐富的生物多樣性,部分原因是熱帶雨林的樹木高聳,因此有許多住處(棲息地)可供利用。

就土壤而言,細分來看,有著各種大小不一、形狀各異、材質不同的小棲息地,宛如地下迷宮一樣以通道連接著。且迷宮內部如同熱帶雨林一般常保溫暖濕潤。這迷宮是一座生物多樣性的寶庫,讓我們來看看這座地下迷宮的結構吧!

在植物生根和許多土壤生物生存的土壤中,有著許多被稱為"團粒"--直徑幾公釐到幾公分大的圓形土塊(圖一)肉眼看上去像是球狀物,但當你用顯微鏡觀察時,你會看到它們表面有凹凸和洞穴。也可以看到沙粒、落葉和根部的碎片被像水泥一樣的物質填充其中。

 

這些縫隙和洞是怎麼形成的呢?它們不是由微型鼴鼠挖掘而成的。真實的土壤團粒中究竟是什麼樣子呢? 透過 CT(電腦斷層)掃描觀察,看似一個整體的球狀物,實際上是由不同大小的粒子堆積形成的嵌套結構,之間遍佈網狀的細小空隙(土壤孔隙)(圖。團粒雖然看起來是由緊密的土壤組成,但放大後可以清楚地看到,團粒過半數的體積被空氣和水佔據。細小的間隙用來保持水分,大型的間隙則通過供應空氣和排水來維持土壤的保水性和通氣性。

 

這些縫隙為生物提供了容身之處。雖然這些縫隙看起來都很狹窄,但如果把一個細菌的大小類比為人類小孩的身高,驚人的是,一個團粒就如同一座山那麼高大(圖三)。如果把團粒的縫隙譬喻成生物居住的房間,那麼這些房間可能是極小而經常充滿水的房間,或者是由食物所築成牆壁的房間,也可能是氧氣不足的房間,又或者是非常巨大;且會發生洪水的房間。不同種類的生物可以居住在不同環境和大小的房間裡(圖四)

實際上,人們對土壤團粒微生物的生存環境和生活方式所知甚少。例如,生活在團粒內部和外部的微生物種類是不同的;小團粒內可能居住著一定數量的微生物,而在團粒外部的大型間隙中生活的微生物,可能會隨著水分環境的變化而大幅增加或減少。(服部,1966)再者,團粒中的生物也建立了與陸地生物相似的食物鏈。就像小型草食動物躲藏在洞穴中以避免肉食動物的攻擊一樣,團粒中的小縫隙也為微生物們提供了躲避石蠅和蜈蚣等土壤動物的庇護所。試著想像一下!我們腳下的土壤中有許多少生物在此居住。這樣一想是不是讓人感到興奮呢!隨著住在團粒迷宮裡的許多生物進食與被進食,在此過程中有機物質如落葉被分解,同時釋放出植物所需的元素,如氮、磷和鉀,使它們轉化為植物容易吸收的形式(無機形態)。如果土壤荒廢、土壤團粒消失的話,不僅會失去土壤原本所有的保水性和通氣性,原來居住在土壤中的土壤動物和微生物,其分解活性也會隨之降低,進而導致森林和草原上的植物以及田地裡的作物缺乏營養而無法生長。

 

組成土壤團粒的秘密

透過土壤生物的作用,在地表植物和地下岩石(以及它們的風化產物,即土壤礦物)之間,形成了團粒。這個團粒既富含有機物又富含從岩石而來的養分鹽。那麼,團粒是由什麼組成?又是如何形成的呢?從前面的CT掃描圖(圖三)中可以了解,較大的團粒是由較小的團粒所組成的。但並非只是聚合在一起這麼簡單,每個團粒在顏色和形狀上皆有差異,且世界各地的土壤,大團粒和內部的小團粒之間,都有著不同的材料和性質(團粒的分層結構)。一般來說,大的團粒被稱為巨大團粒(>250微米,0.025公分,1,000微米 = 1 公釐(mm)),是透由易分解的植物根系和菌絲體,讓小團粒相互黏合,這些團粒在生物活動活躍時形成、分解,在此過桯不斷循環。另一方面,形成大團粒的小團粒被稱為微小團粒(<250 微米,0.025公分),穩定性高,不易分解(圖五)

 

如果將已經無法再分解的微小團粒以實驗的方法分解到亞微米級(一微米/0.0001公分以下),可以將它們的要素分為兩大部分。第一部分是無機物,包括細碎的岩石礦物(一次礦物)和從岩石中溶出後重新結晶的黏土礦物(二次礦物),以及金屬離子如鋁和鐵等;第二種是在土壤中的生物作用下被細分或分解的有機物,包括由植物組織所形成相對未降解的物質、多糖類、蛋白質、脂類等其他微生物代謝產物。而形成微小團粒的有機物大多以有機-無機聚合體的形式存在,與黏土礦物和金屬離子緊密結合,微生物似乎難以分解這些物質。近年來,隨著利用放射光的分析技術的發展,已逐漸可以納米級解析度直接研究團粒內部有機物和無機物之分佈。觀察由火山灰所形成,被稱為日本黑硼土的這種土,結果顯示,即使是直徑約為3微米的小顆粒,實際上也是由更小更複雜的有機物和無機物聚集而成,意即此土也是團粒(圖六)

在這些亞微米級的團粒中,小型有機物和無機物發生結合反應,即是土壤團粒結構發展,支持水、空氣、養分的循環以及維持生命的基礎。然而,有機物和無機物的組合不同,穩定性也不同,因此仍有許多至今未明之處。弄清亞微觀團粒的性質,對於瞭解土壤結構及生態系統形成機制非常重要。

 

 

土壤團粒與地球的未來

亞微米級的土壤團粒形成,不僅支持著身旁森林、草原植物和作物的生長,同時透過陸地生態系中水和養分的循環,與全球環境有著密切關係。以碳和氮為例,陸地生態系統中70%的碳和80%左右的氮存在於土壤中,其中大部分以有機物和無機物的聚合體形式存在於土壤中。

從地球暖化這個與碳息息相關的環境問題來看,土壤團粒是值得關注的。儘管一粒土壤中所含的有機物微乎其微,但全球土壤(深度2公尺)中,約有2400千兆噸的碳以土壤有機物的形式儲存著。這大約是大氣中二氧化碳含量的三倍,植物生物量的四倍。土壤中的二氧化碳每年通過土壤微生物的分解活動排放到大氣中的排放量,大約是每年人類活動排放量的10倍。如果隨著全球暖化導致土壤溫度升高、微生物分解活動增加,那二氧化碳這個土壤有機物來源的釋放速度可能會超過植物通過光合作用時所消耗的速度,從而導致失衡。如此一來,大氣中的二氧化碳濃度可能會上升,進而導致更嚴重的全球暖化問題(圖七)。另一方面,由於團粒具有保持有機物穩定的能力,如果將有機物置入土壤並進行適當的管理,就有可能把碳暫時隔離在大氣之外。然而,對於土壤有機質分解的速度是否會依著今後預測的氣候變化而導致溫度和濕度條件發生變化這個問題上,專家們持有不同的看法。造成這種情況的主因是,仍有大量關於土壤中發生的分解控制過程無法解釋。因此,包括我們自己在內,世界上許多科學家都正在鑽研這個問題。

 

如果把團粒的形成置於地球及生物進化的時間軸上來看,經過漫長的歲月,透過太陽能獲得能量的植物(生產者)和以植物製造的有機物為能源的依賴型微生物(分解者),以及岩石等礦物風化而成的土壤材料相互作用,形成了碳和營養鹽循環的陸地生態系統。其中,土壤(尤其是富含團粒的表層土壤)在維持生物生命及最佳條件上發揮了重要的功能。透由農業現代化提高了作物生產效率、減少了饑荒的同時,世界各地這些維持最佳條件的肥沃表層土卻在劣化。總而言之,造成土壤劣化的原因是,拖拉機耕作破壞團粒、以化學肥料裁種作物而不以堆肥方式讓有機物重回土裡,以及無法形成團粒等因素所引起的。另一方面,以土壤肥沃度和生物多樣性高、可持續性強的的傳統耕作(King,2009 年)替代慣行農耕的方法,也逐漸流行。


由於人類的經濟活動導致森林和草地減少、都市化導致道路舖設普及,再加上全球暖化等因素導致未來氣候變化,使得作為最佳環境維護系統的土壤團粒有了巨大改變。只要人類繼續生活在地球表面,就有必要加深對土壤的瞭解,並與土壤共生共存。

 

參考資料

1 青木淳― :『自然の診断役 土ダニ』日本放送出版協会(1983)

2 青山正和『土壌団粒―形成崩壊のドラマと有機物利用』農山漁村文化協会(2010)

3 服部勉 富下清貴 齋藤明広:『改訂版 土の微生物学』養賢堂(2008)

4 Tlsda , 」M and Oades J M :0「ganlc matter and water stable

aggregates ln soi s 」Soi Sci 62:141-163 (1982)

5 日本土壌肥料学会土壌教育委員会編:『新版土をどう教えるか―現場で役立つ環境教育教材』古今書院 (2009)

6 デイビッド モントゴメリー:F土の文明史』片岡夏実訳、築地書館(201o)

7 久馬=岡」FI食料生産と環境』化学同人(1997)

特別致謝:本文特別感謝日本國家科學博物館及和穎朗太先生協助進行相關圖文授權事宜。