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生物碳(Biochar):改良土壤新方法?

生物碳。圖片來源:wiki

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(1)。熱裂解聽來雖然高深,說穿了也不神奇;從木頭燒成木炭,也是熱裂解。

亞利桑納州廢棄的木炭窯。圖片來源:wiki

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)(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(3)。

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(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(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。

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(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(2)、有使用紙廠廢棄物、植物性廚餘的(5)、有使用木屑的(4)、也有使用單一樹種(牧豆樹Prosopis glandulosa)的(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(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。

(台大科教中心擁有本文版權,其他單位需經同意始可轉載)

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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為什麼「種豆南山下,草盛豆苗稀」?

陶淵明在「歸園田居」詩中,曾經提到「種豆南山下,草盛豆苗稀」。這首詩大家都很熟了,也是很受歡迎的國文教材,但是,有多少人認真去想為什麼「草盛豆苗稀」呢?難道只是因為陶淵明不會種田嗎?

雖然根據歷史的記載,「歸園田居」可能真的就是在他剛隱居的時候寫的(1);而在那時候,可能他的耕種技術也的確是還有待提升;不過筆者卻認為,從生物學的角度來看,「草盛豆苗稀」也不全是耕種技術的問題。

首先,我們來看一下氣候。陶淵明隱居的地點在潯陽柴桑,也就是現在的江西省九江市星子縣。當地是北緯29.44度,在北回歸線以北,屬於濕潤型亞熱帶氣候(2),1971-2000的年平均溫度為攝氏17.03度,每年四月就不再有攝氏零度以下的低溫(3)。雖然還是比臺灣偏北(台北市是北緯25.02度),大致上還是屬於溫和的氣候,植物的種類應該也不會相差太多。即使考慮近年來全球暖化的問題,應該也不會超過攝氏一度(4)。

在亞熱帶的台灣,夏天通常並不是植物茂盛生長的時期。為什麼呢?因為世界上90%的陸生植物是C3植物,這些植物在氣溫超過攝氏30度時,會因為光呼吸作用(photorespiration)造成水分的消耗大量上昇。C3植物(如大豆)在攝氏30度時,每抓一個二氧化碳分子就要消耗833個水(5),於是植物的生長速度就開始變慢。

不過,並不是所有的植物在夏天時生長速度都會變慢唷!有些植物,如玉米、甘蔗等,反而在夏天時長得特別好。為什麼呢?

原來玉米與甘蔗是所謂的C4植物,它們既耐熱又耐旱,跟C3植物比較起來,在攝氏30度時C4植物每抓一個二氧化碳的分子只消耗277個水(5),所以夏天的時候,它們的生長速度ㄧ點都不受影響呢!
說到這裡,讀者可能會想:什麼是C4植物?為什麼它們能夠既耐熱又耐旱呢?
所謂的C3、C4植物,指得是它們在光合作用上的不同。C3植物進行光合作用時,是由卡爾文循環(Calvin cycle)的酵素(RuBisCo,如圖二)直接抓取溶解在細胞中的二氧化碳,與核酮糖1,5-二磷酸(ribulose 1,5-bisphosphate,RuBP)進行反應;


而C4植物則在卡爾文循環上面,又增加了幾個步驟,而且這幾個步驟還跟卡爾文循環在不同的組織中進行呢(如圖三)!為什麼會這樣呢?


原來,C4植物多半都生活在亞熱帶或熱帶,在這些氣候區,植物進行光合作用時,會遇到一個大問題。

這個問題來自於卡爾文循環的第…

孔雀秋海棠的光合作用魔術

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一般的葉綠體,通常葉綠餅的排列是散亂的(如圖);孔雀秋海棠的虹彩體的葉綠餅卻排得如此整齊,有什麼作用呢?

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不過,這些虹彩體不只是會反射藍光而已。研究團隊還發現,虹彩體讓孔雀秋海棠吸收較長波的綠光與紅光的能力提升了!這對孔雀秋海棠是非常重要的,因為它們通常在熱帶雨林的地面上生長。

在熱帶雨林裡,光線都被大樹給遮住了,使得地表的光線極弱。弱到怎樣的地步呢?大約是樹冠光線強度的百萬到千萬分之一喔!而且還不只是光線變弱而已,因為雨林中的大樹們把進行光合作用所需的兩個主要波段的光(460奈米與680奈米)都吸收得差不多了,在這樣的環境下,孔雀秋海棠如果不發展出吸收一點綠光的本事,還真的會混不下去。

事實上,因為這些特殊的構造,虹彩體比一般的葉綠體進行光合作用的效率更高。研究團隊藉著測量葉綠體的螢光(葉綠體進行光合作用時,一部份的葉綠素會把吸收的光以暗紅色的螢光發射出去;所以可以藉著測量螢光了解植物進行光合作用的效率)發現,虹彩體進行光合作用的效率,比一般的葉綠體都好。不過,當光線變強的時候,虹彩體的效率就沒有那麼好了;這或許就是為何,當我們把孔雀秋海棠種在光線…

【原來作物有故事】鳳梨 漂洋過海在臺灣發揚光大

作者:葉綠舒、王奕盛、梁丞志

在台灣提到鳳梨,一定會想到鳳梨酥這代表台灣的伴手禮。但是鳳梨其實不是台灣原產的水果喔!鳳梨原產於熱帶南美洲,在哥倫布1493年的第二次航行時於瓜德羅普的村莊中發現後引進歐洲,約於16世紀中葉傳入中國;台灣則是在1605年先由葡萄牙人引進澳門,再由閩粵傳入台灣,至今已有三百多年歷史。

在台灣,鳳梨因為台語諧音「旺來」很吉利而廣受大眾喜愛,但其實鳳梨的名字是根據它果實的型態來的,因為果實的前端有一叢綠色的葉片,讓以前的人覺得很像鳳尾,加上果肉的顏色像梨,所以就取名為「鳳梨」。至於英文的名稱也是因為果實的外型像毬果、而肉質香甜,所以就被取名為「松蘋果」(pineapple)啦!其實鳳梨果實的毬果狀的外觀主要是因為鳳梨是「聚合果」,每顆鳳梨是由200朵鳳梨花集合而成的!而它的學名Ananas則是來自於圖皮語,意思是很棒的水果。

在哥倫布把鳳梨引進歐洲以後,因為它的香甜好滋味讓它大受歡迎;但是身為熱帶水果的鳳梨,在溫帶的歐洲長得並不好!為了要讓王公貴族們吃到鳳梨,十六世紀的園丁們發明了「鳳梨暖爐」:把單顆鳳梨放在由馬糞堆肥做的暖床上的木製棚架,並升起爐火來保持溫暖,好讓鳳梨這熱帶植物可以在溫帶的歐洲開花結果;世界上第一個溫室就這樣誕生了,並由此開啟了歐洲建造溫室的熱潮!

鳳梨不只是改變了歐洲,在日本人到台灣後,嚐到了鳳梨的香甜滋味,便開始推動鳳梨產業。1903年,岡村庄太郎於鳳山設置岡村鳳梨工廠,生產鳳梨罐頭;後來逐漸形成中部以員林、南部以鳳山為中心的鳳梨生產體系。在1938年時,鳳梨罐頭工廠女工竟然佔了全台灣女性勞動人數三分之一以上呢!光復以後台灣的鳳梨產業也曾在1971年登上世界第一,讓台灣被稱為「鳳梨王國」。但是後來不敵其他國家的競爭,已經由外銷罐頭改為多以內銷鮮食鳳梨為主的型態了。

從清朝、日治時代直到現在,台灣的鳳梨品系一直都一樣嗎?當然不是囉!最早的鳳梨被稱為「在來種」,後來日治時代為了製作罐頭方便,從夏威夷引進了開英種;到了1980年以後,因為罐頭外銷敵不過競爭,台灣的鳳梨改為內銷且以鮮食為主,為了挽救鳳梨產業,農改場、農試所便培育出各種不同適合鮮食的鳳梨:包括不用削皮可以直接剝來吃的釋迦鳳梨(台農4號),最適合在秋冬生產的冬蜜鳳梨(台農13號),有特殊香氣的香水鳳梨(台農11號),以及因為果肉乳白色被稱為牛奶鳳梨的台農20號等…