【國際土壤年專題】生物碳(Biochar):改良土壤新方法?

Biochar
生物碳。圖片來源:wiki

撰文|葉綠舒

聽過生物碳(Biochar)嗎?它是將樹皮等農業生物廢棄物在低氧的狀況下進行熱裂解(pyrolysis)而成(參1)。熱裂解聽來雖然高深,說穿了也不神奇;從木頭燒成木炭,就是熱裂解。

近年來,農業界發現生物碳可以改良土壤;生物碳可以使砂土儲水的能力增加92%;而在黏土中加入生物碳,則可使水分流動的速度上昇300%。也因此,生物碳的銷售量從2008年至今,每年都增加三倍。

 

其實,生物碳真的不是什麼新鮮玩意兒。幾千年前居住在亞瑪遜流域的原住民,便懂得製作terra preta,那就是生物碳的前身。而我們的農民會在收穫後焚燒田裡的雜草與稻梗(燒田),除了可以殺死害蟲、產生草木灰以外,也有小部分的生物碳形成(堆燒法也可以產炭,只是效率低得多)。但是terra preta在歐洲人入侵南美後便停止製作,而燒田則因為容易產生煙霧,在現在的都市也不可行了。

不過,最近十年,生物碳開始大行其道。這也使得學界對生物碳產生了極大的興趣。世界各地的研究團隊紛紛投入對生物碳的研究之後,他們發現:生物碳不只是能改良土壤的透水率,它還能吸收一氧化二氮(N2O,溫室氣體,強度為二氧化碳的300倍)(參2),而且效果可以持續五年!

此外,生物碳還能抑制有害細菌生長,降低他們的致病力。萊斯大學(Rice University)的研究顯示,生物碳可能是藉著干擾細菌接收它們用以互相連絡的分子(acyl-homoserine lactone,AHL),使細菌認為自己孑然一身,不敢興風作浪(參3)。

N-Acyl_Homoserine_Lactone
AHL的結構。圖片來源:wiki

上面說了這麼多好處,生物碳是否能提升農作物的產量呢?歐洲的研究團隊發現,生物碳可以使植物的葉片長大130%,因此整株植物直徑增加了一倍;而根也鑽了一倍深(參4)。

看起來,生物碳似乎是很棒的土壤改良劑!更棒的是,由於生物碳可以用各種植物性廢棄物製作(包括生質能源的廢棄物),因此引起了業界極大的興趣。

不過,也有些研究發現,生物碳還是有些問題的。有研究團隊發現,雖然它可以使作物長得好,但似乎也會使得植物的防衛基因(plant defense gene)表現量下降(參4);不過,筆者想,是否因為生物碳中斷了細菌之間的聯繫,使得威脅大減,所以就不需要表現這麼多的防衛基因呢?畢竟對自營生物來說,多合成一個蛋白質都會增加負擔。

Charcoal_Kiln
亞利桑納州廢棄的木炭窯。圖片來源:wiki

另外,還有研究發現,當生物碳加到一定量(2%)以上,玉米的產量反而減少(參5)。但是,所有的這些研究,使用的生物碳的來源相當分歧:有的使用麥梗(參2)、有使用紙廠廢棄物、植物性廚餘的(參5)、有使用木屑的(參4)、也有使用單一樹種(牧豆樹Prosopis glandulosa)的(參3)。而熱裂解使用的溫度也各不相同,由攝氏1200度到300度都有。

即使在單一研究中,在不同溫度下進行熱裂解的生物碳,也會產生不同的效應。例如對土壤中細菌的抑制,研究團隊就發現,只有在攝氏700度下進行熱裂解的生物碳,才有抑菌的效果;而在另一個研究上則發現,高溫(攝氏525-600度)下熱裂解的生物碳,對於固碳的效果較差(參6)。

雖然都是生物碳,不過它們的效果如此多變,因此有人主張不能稱呼生物碳為biochar,而應該加上複數,稱為biochars。筆者認為,或許更應該做的是標明原料來源,這樣還可以讓使用的農民們了解到,究竟是哪種植物為原料所製造的生物碳,才適合自己的農地與農作物呢!

除此之外,不知道生物碳的價錢是否親民呢?在田裡隨便堆一堆殘枝、落葉燒一燒當然不花錢,但未必有效,也不見得環保;但若價格昂貴(可以想見高溫熱裂解的生物碳一定不便宜,也相對不是那麼環保),則廣大的農民未必負擔得起,到最後可能只是都市農夫的玩具罷了。不論如何,生物碳對改良土壤是有效的,但還需要更多試驗以及原料履歷制度,不能只是什麼亂七八糟的植物性事業廢棄物都拿來隨便燒一燒就做,否則只怕到最後成了利弊參半,甚至弊大於利,成為被唾棄的炭粉罷了。

參考文獻:
1. Rachel Cernansky. 2015. State-of-the-art Soil. Nature. 517:258-260.
2. Xiaoyu Liu et. al., 2014. Sustainable biochar effects for low carbon crop production: A 5-crop season field experiment on a low fertility soil from Central China. Agricultural Systems. 129:22-29.
3. Caroline A. Masiello et. al., 2013. Biochar and Microbial Signaling: Production Conditions Determine Effects on Microbial Communication. Environmental Science & Technology. 47:11496-11503. DOI: 10.1021/es401458s
4. Maud Viger et. al. 2014. More plant growth but less plant defense? First global gene expression data for plants grown in soil amended with biochar. Global Change Biology. DOI:10.1111/gcbb.12182
5. Shelby Rajkovich et. al. 2012. Corn growth and nitrogen nutrition after additions of biochars with varying properties to a temperate soil. Biol. Fertil. Soils. 48:271-284
6. Andrew R. Zimmerman. 2011. Positive and negative carbon mineralization priming effects among a variety of biochar-amended soils. Soil Biology & Biochemistry. 43:1169-1179

 

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5 thoughts on “【國際土壤年專題】生物碳(Biochar):改良土壤新方法?

  • 2015 年 03 月 14 日 at 16:45:46
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    這的確是好用心的一篇報導,十分感謝作者。

    沒有單一個作法可解決土壤的所有問題,生物碳當然也不行,我想了解的是,一個健康的土壤環境應該是怎樣的面貌,而以目前的普遍土壤狀態下,加入生物碳,是否有機會讓現在的土壤演替到健康的土壤?

    這份報告除了土壤的物理性質與植物生理學的訊息之外,若是可以加上生物碳對於土壤微生物菌菌相的影響,生物碳與腐質土的相互關係,以及一些行動方針,那就太好了。

    再次感謝大作!

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  • 2015 年 07 月 08 日 at 09:28:48
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    最近開始認識生物炭,但對於他的著迷一直很粗淺地在對外宣稱的好處上,但對於其中的機制和變因卻不甚理解

    非常感謝這篇文章讓我了解生物炭背後真正複雜的因素,也希望台灣有更多人投入生物炭的開發

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  • 2016 年 05 月 10 日 at 10:53:05
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    日本農夫教的燻稻穀 我常一次五袋從碾米廠買來 自己燻成炭 過程也燻地瓜 一舉兩得 炭改良土與儲炭助環

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  • 2016 年 05 月 19 日 at 19:04:51
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    所以「生物碳」是各種不同的有機化合物囉?(也含胺、硫…)

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  • 2016 年 05 月 25 日 at 20:48:59
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    生物炭的名字是生質炭

    1. 使土壤升質
    2. 使環境升質
    3. 使地球升質
    4. 使蔬菜升質

    生質炭做了這些,使你的菜升值喔!

    1. 有保熱作用,使土壤與水環境溫度平衡,促進土壤微生物微生態豐富,也促進蔬菜生長及減少寒熱害。
    2. 質松多孔使透氣良好,增加根部及土壤環境有氧作用以及土壤蓬鬆化。
    3. 保水透水作用,保持土壤濕度,減少土壤乾害與濕害。
    鹽基置換良好,使土壤保肥能力增強。
    4. 穩定土壤酸鹼質。
    5. 吸附力大,有吸收毒素之作用。
    6. 減少連作障害。
    7. 可去除禽畜糞之異味。
    8. 撒布于植物周圍可防止蟲類(如軟體動物)等入侵。

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