文／黃裕銘 英國牛津大學植物科學系博士
因應氣候變遷對農業的衝擊及可能影響糧食安全，進而需要科學化農業實作管理，內含涉及氣候－作物－土壤－肥料的交互關係，〈因應氣候變遷作物科學化管理〉一文擬於《豐年》雜誌分別用3篇文章進行說明，包含第一篇〈農業實作的誤解觀念及做法〉、第二篇〈調節實作以抗高溫、水分及其它逆境〉、第三篇〈提升土壤有機碳的田間實作方式〉。本篇為第二篇〈調節實作以抗高溫、水分及其它逆境〉的中篇，主要談到土壤有機質對降低乾旱造成損失以及地下水的功能。
近年臺灣中南部雨量低 降低地區性缺水農損為要
2022年臺灣東北部年雨量超過1萬毫米，可是從臺南、大武、恆春3個氣象站的歷史平均雨量1,299毫米來看，較氣候值少了將近4成雨量，創30年新低。根據世界氣象組織（World Meteorological Organization, WMO）在2017年的相關指引，標準的氣候值是指利用最近30年間觀測所得的氣象數據計算出來的平均值，並建議每10年做出更新。臺灣的氣候值是以13個平地測站平均值作為參考，2021年臺灣平均年總雨量為1,997.4毫米，比氣候值少165.2毫米，約為氣候值2,162.68毫米的92％。2020年臺灣平均年總雨量為1,742.4毫米，比氣候平均值少了464.7毫米，僅為氣候平均值2,207.0毫米的78％，為有紀錄以來第7名少雨。
依據臺灣中央氣象局資料顯示，臺灣平均年降雨量從1990年到2020年中有9年低於2,000毫米，同時臺灣不同地區在不同季節的降雨量差異相當大，尤其相當重要的中南部農業生產區，更是雨量低的地區。如何降低地區性因缺水造成的農損會是重要課題。
土壤有機質 可增加土壤有效水含量
前人研究中發現，在土壤有效含水量（available water capacity, AWC）的單位採用體積比（cm3 水／100 cm3 土壤），土壤有效含水量是以田間容水量（field capacity, FC）減去永久凋萎點（permanent wilting point, PWP）。田間容水量和永久凋萎點的土壤水勢能分別在10～33及1500 kPa（0.1～0.33及15 atm（大氣壓）。有些土壤科學研究證明，土壤有機質（SOM）提高了土壤田間容水量大於永久凋萎點，所以可以提高土壤有效含水量。
土壤有機質的親水性及對土壤構造的正面效應，能提高土壤團粒的形成及穩定性，因此增加保留植物可利用水的土壤孔隙度，也強化水的入滲及保留在根圈土壤。研究文獻中指出，土壤有機質降低會造成土壤團粒化作用、團粒穩定度降低且提高土壤容重（bulk density, BD），如此會降低水的入滲及提高土壤沖蝕。
許多研究發現，土壤有機質提高中到粗質地土壤的土壤有效含水量，比細質地土壤高，同時發現黏粒較高土壤需要較高的土壤有機質以穩定土壤團粒。當土壤沖蝕造成土壤有機質降低，則在降低土壤有機質，對土壤有效含水量的影響程度降低。而在嚴重沖蝕的土壤，黏粒的重要性比土壤有機質高。
土壤有機質 能降低乾旱所造成損失
許多文獻顯示，提高土壤有機質在相似質地土壤可以提高土壤保水力，同時可以提高土壤團粒化及較大土壤孔隙而改善水的入滲。許多研究討論土壤有機質較高和有機質較低土壤的比較，當土壤有機質較高，可以保留較多水分及降低植物因極端溫度造成的產量損失。最近研究顯示，土壤有機質對植物有效含水量的實際效應不大，且對土壤含水量的增加量是否足夠降低乾旱所引起的損失，並不清楚；有研究證明較高土壤有機質地區，其長期不同年間產量的變異性較低；有些田間試驗研究顯示，提高土壤有機質的實作可以保護產量，但這些不是明確測試有機質的相對效應，也沒有提供城鎮或區域規模資訊。有些研究者的研究方式沒有將不同土壤質地、作物別、管理方式等會影響土壤有機質的因素區分開來，因而將雜亂的數據經過統計往往就沒能有好的相關性，所以Kane et al.（2021）等才會利用更廣泛及區域為主，且他們採用玉米單一作物的方式進行分類後的統計分析，也得到最可靠的論述。
Renwick et al.（2021）經過36年的多樣輪作田及不耕犁田進行採取遮雨控制研究，結果顯示，多樣化玉米－大豆和小穀粒作物及綠肥輪作可以減輕玉米因乾旱的損失可以達17.1±6.1％，在不耕犁系統則對抗旱沒有效應。
Iizumi and Wagai（2019）指出提升土壤有機碳（SOC）強化土壤肥力及雨水的有效利用，提高作物的耐旱及提高產量。他們統計分析全球作物及土壤數據，發現全球超過70％的作物生產區，特別是乾旱區，在表土0～30公分提升相對較少量的有機碳，就可以提高作物的抗旱性。以降低現存及耐受上限差距，全球土壤有機碳提高48.7億公噸碳在乾旱年可以提高農民經濟產出16％。提高這些土壤有機質量同時可以降低全球10年平均增溫0.011°C。
土壤有機碳濃度影響耐旱差距（drought tolerance gap, DTgap）是非線性相關，在乾旱地區亦即降雨量／蒸發散量（P/PET）低於0.45、土壤碳低的地區其相關的敏感性較高，這種地區土壤有機碳從近於零提高到4～9 kg C m-2，就能降低相當量的耐旱差距。耐旱差距，是指乾旱年的產量／正常年產量的比值，其和1的差距即為耐旱差距。如下頁圖中黃色部分就是耐旱差距。圖中拉丁美洲及加勒比海區的黃色部分較短，其所需提高土壤有機碳較少（17％），中東及北非黃色部分長，所以須提高土壤有機碳較多（52％）。在較潮溼地區，土壤有機碳對耐旱差距的減緩較小。在乾旱地區提高土壤有機碳，降低耐旱差距的斜率在近4～9 kg C m-2時，降率較大。在中等溼潤區（0.45＜P/PET＜1.0）影響趨勢相同但是較不顯著。高有機碳土壤（＞10kgCm2）較少，所以在中等溼潤區的表現較不確定。在高溼地區（1.0 P ≦PET），提高土壤有機碳不會降低耐旱差距。
Kane et al.（2021）研究美國754城鎮從2000～2016年間共1萬2,376個城鎮的年資料，其中有5,945個城鎮於夏季有乾旱現象，結果顯示在乾旱年，土壤有機質較高的城鎮，其玉米產量較高、損失較低、所付乾旱保險利率也較低。在極度乾旱年，土壤有機質每提高1％，其每公頃產量提高2.2±0.33公噸及減少負債支出36±4.76％。土壤黏粒較高，則土壤乾旱程度較低，土壤有機質的效應相對也較低。關於土壤有機質提高可降低旱害的部分原因，可能由於其提高了土壤有效含水量及提高土壤陽離子交換容量，進而提高保肥力，可能還有些未了解的因素。此研究顯示，土壤有機質可以預估地區性的產量適應性（yield resilience），分析結果指出土壤有機質對土壤健康及碳存的定量協同效益，可以提供農業政策及經費預算規劃參考。
發揮毛細管作用 地下水提供作物水分
土壤剖面中，土壤水及鹽分的移動及淺層地下水經由毛細管上升受季節性影響，而淺層地下水有助於決定灌溉時程及乾燥地區農業發展。Gao et al.（2017）首度發展納入淺層地下水的農業水生產力模式（Agricultural Water Productivity Model for Shallow Groundwater, AWPM-SG），經由滲漏計法（lysimeter）試驗研究校正及確認兩年，用地下水位及葉面積指數，所預測土壤溼度和觀測值一致。結果顯示地下水位1公尺的地下水，經由毛細管上升可以提供達41％植物的蒸發散量；當地下水位在2公尺深度，則提供量只有6％。消耗每立方公尺水的產量幾乎是一常數（2.3 kg/m3），毛細管水提供部分可以降低灌溉水的需要量，進而提高灌溉水的產能。
這些學者繼續於2020年提出對農業水生產力模式的研究，加入土壤水鹽分，使精確描述利用現有有效數據，計算從淺層地下水提供土壤水及鹽分循環及模擬土壤鹽分對作物的影響。修改後的農業水生產力模式，經由2016年玉米田間試驗，由土壤水分、土壤鹽分、地下水深度及葉面積指數發現和觀測值一致。結果顯示地下水鹽度（2.0 g/L）對作物產量的影響，稍微低於作物對於水的使用，玉米消耗1公尺深地下水量低於2公尺深地下水3％，地下水1公尺深者玉米產量低於2公尺深地下水者只有1％。在相同的地下水深度，鹽度越高，玉米水產能（productivity）越大，及玉米灌溉水產能越小。此模式了解到淺層地下水的貢獻可以節省地區用水。
一研究提出紅花（safflower）在地下水位50公分～120公分條件下，鹽分地下水可提供紅花53～55％需要的水，淡地下水可以提供紅花所需82％的水。另外也有研究發現，地下水位0.6～0.8公尺下的地下水，經毛細管提供水可達其所需水量（65公分）的三分之二量。
有些研究量化地下水提供作物水分需要量的比率，在地下水位0.7～1.5公尺範圍地下水，經由毛細管提供的水可以達蒸發散量的20～40％。Kahlown et al.（2005）採用Lysmeter的研究發現，在地下水位0.5公尺下，地下水經由毛細管提供的水足夠小麥水分需求，對太陽花可提供超過80％的水分需求。另有兩年研究地下水對作物產量的影響，發現地下水位0.5～0.75公尺的地，和地下水位1公尺的土壤相比，前者玉米產量高出5～10％，大豆增產23％。Huo et al.（2011）提出淺層地下水可以提高灌溉水的生產力。
Kroes et al.（2016）研究發現荷蘭三角洲沒有毛細管水上升的地區，其牧草、玉米及馬鈴薯產量分別減少25、4及15％或每公頃乾物產量3.2、0.5及1.6公噸。
地下水經由毛細管往上升，往往可以提供相當量的水分給作物利用，在水分管理上有必要納入這項水源，尤其在沒有雨水的季節。有研究在不同土壤毛細管水提供的貢獻在浸水弱育土（Aquepts Inceptisols，世界土壤參比美國分類系統的類別之一）有90～150毫米，浸水有機質土（Aquepts Histosols）有60～130毫米。
在乾旱年有機質土的毛細管水可提供40～50％，但是某些弱育土的毛細管水貢獻幾乎接近零。研究也有提出淺層地下水提供每天3.6毫米（mm/day），占玉米水分蒸發散量的18％。另一研究分析全球有22～32％面積受淺層地下水影響，其中7～17％面積的地下水位或其毛細管水上升高度可以達到植物根圈的深度。這種結果顯示，河流的三角洲位置也是重要的農業地區。
一研究發現，南美洲國家玻利維亞的Irpani地區地下水經由毛細管上升量可以提供藜麥蒸發散量的8～25％，其比率受氣候條件尤其雨量大小影響。另有研究發現在阿根廷大草原，地下水位1.5～2.0公尺區域毛細管水可提供高達30％大豆水分需要量。
在西歐「低地國」荷蘭，地下水位小於2公尺的區域占85％面積，此種地區的地下水經毛細管上升可以達到作物根圈。荷蘭夏天土壤剖面的水及地下水經由毛細管上升都可以補充作物在夏季水的高需要量。另研究發現荷蘭的壤質土壤地下水位低於2.5公尺，其毛細管水提供根圈土壤最高達每天2毫米（mm/day）。亦有研究指出，淺層地下水對作物需水量可以有相當重要的貢獻，然而往往受到忽略。土壤質地會影響地下水經毛細管水上升的量，壤質土壤的毛細管水提供量比砂質土高，可達2倍。
結語
本文上篇談到氣候變遷影響作物產量的重要因素是熱及水的問題，提到不同光合作用類型植物對水的利用效益，以及有哪些有機材料及耕作實作可以提高土壤有機質、提高土壤有效水分，進而降低土壤溫度及降低氣候變遷極端氣候對農作的損害。本文中篇整理土壤有機質的提高如何降低乾旱造成的損失程度，以及土壤地下水能供應多少水給作物吸收利用。本文下篇將藉由實例討論如何灌溉可以讓作物收益最高。
（參考文獻請洽作者，續文請見豐年雜誌73卷5期）
更多文章請見《豐年雜誌》2023年4月號
