文．圖／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〈提高土壤有機碳的田間實作方式〉。第三篇〈提高土壤有機碳的田間實作方式〉將分就水田作物水稻、根莖作物地瓜、雜糧作物玉米與園藝作物番石榴進行說明，本篇為水稻篇。
稻稈回歸農田，不僅可以將養分回歸農田，節省肥料的投入，更重要是其有機質轉化為土壤腐植質，作為改良土壤的資材，並增加土壤碳匯，減緩溫室效應氣體排放以及減緩極端氣候的衝擊；稻稈所含矽有相當多為有效矽，可以提高下一期作物的矽源，降低下一期作作物（尤其水稻）的病蟲害發生。
但是，由於稻稈含有高量的纖維素、半纖維素等碳水化合物，易引起微生物大量繁殖，也易引起下一期作作物養分氮、磷及硫的失衡，因微生物會搶走土壤中有效性氮、磷及硫，導致缺氮、缺磷、缺硫而生長不良，在水田更會引起土壤厭氣醱酵，產生溫室效應氣體甲烷，甚至造成水稻窒息病，尤其是二期稻。
因此水稻收割後，儘快使稻稈和土壤接觸，及利用微生物將大部分的纖維素及半纖維素降解，不僅可以避免大量甲烷產生及水稻窒息病，也可以避免旱田作物初期可能缺氮、缺磷、缺硫的問題。適合的有益微生物可以促進其分解，而使下一作作物更安全。好的微生物群如游離固氮菌，還可以使稻稈分解的過程進行固氮，提高土壤有效性氮；有的可幫助分解源稻稈所存在的病原菌及蟲卵，降低病蟲害原；更有些微生物可以促進下一作作物根系生長，及形成可協助植物根吸收微量要素的能力。
在密集關注減排及增匯議題的當代，如何應用與結合有益微生物的綜合管理是相當關鍵的技術整合。
稻稈回歸農田的意義及相關問題
水稻稈（莖及葉）所含氮（N）、磷（P）及鉀（K）養分占全吸收量的40、30及80％，意味著這些養分回歸農田，則可以提供下一作的作物利用，然而水稻稈養分濃度氮（0.57％）、磷（0.031％）、鉀（1.25％）、硫（S）（0.1％）及矽（Si）（5％），碳氮比（C／N）及碳磷比（C／P）偏高，植體需要先經過微生物降解以降低碳氮比及碳磷比，才不至引起負面影響。
現代高產水稻品種其收穫指數（穀粒重／全株乾物重）約在0.45～0.50，研究分析資料顯示，收穫時稻稈的養分範圍氮（0.5～0.8％）、磷（0.031～0.052％）、鉀（0.97～1.38％）、硫（0.05～0.10％）及矽（4～7％），這些養分可轉為作物吸收率分別為40％、30～35%、80～85％、40～50％及80％。近些年有許多研究強調矽對作物抗病性，筆者在1980年代莊作權教授指導下研究相當多水稻施用爐渣（矽肥），的確提高水稻產量及降低病蟲害，尤其在酸性土壤的效益更突出。
有研究指出，稻稈犁入乾燥土壤至少3星期再播種或插秧，才不致影響作物生長及水田產生甲烷。為了縮短前面所說的負面作用，需要使用可以促進稻稈快速降解纖維素及半纖維素的微生物。微生物群最好包括游離固氮菌且含好氣菌及兼氣菌，更重要是這些微生物還具有強的雞丁分解酵素，以便可以克制稻稈中可能所含病蟲害源，並能分泌植物生長激素吲哚乙酸（IAA）及載鐵物質，可以促進下一期作物的根系生長及微量要素的吸收。越南一研究發現，水稻田將稻稈移除，其土壤有機碳（SOC）不會改變；但是若稻稈回填土壤，則土壤有機碳由1.28％提高到1.65％。
水田土壤碳存較高的機制
在相同碳投入下，在水田土壤的碳存效益高於旱田，主要和其微生物活性較低，但草酸鹽可溶性鐵較高及物理穩定性較高（如土壤構造）有關。微生物衍生碳因為微生物和土壤密切接觸形成有機－無機結合體而受保護，所以比未受保護的植物衍生碳穩定。
Chen et al.（2021）針對定量4個氣候區土壤有機碳來自植物及微生物衍生情形，他們經由比對水田及旱田的土壤有機碳路徑檢定土壤有機碳累積，顯示水田土壤有機碳的留存效益比旱田高出39～127％，其差異在較溫暖地區高於較涼地區。微生物衍生土壤有機碳在旱田較高，因為水田浸水的厭氣環境抑制微生物分解植物碳，所以有較高比率土壤有機碳來自植物衍生。兩種土地使用型態中，其最大植物衍生土壤有機碳條件為在中年平均溫（intermediate mean annual temperature）（15～20℃）、中性土壤（pH～7.3）、極低黏砂比（Clay/Sand）型態土地；而高溫（～24°C）、低土壤pH（～5）及高黏砂比土地較有利微生物衍生碳。在溫暖氣候區浸水的水田土壤，其微生物衍生的土壤有機碳應該來自細菌的合成，真菌在水田環境下的貢獻無法與在好氣環境的貢獻相比。
在水田轉作為旱田的狀況下，研究顯示在中國東部表土（0～15公分）可能高達504百萬噸碳（Tg C）分解釋出二氧化碳（CO2），其中90％來自受保護性較低的植物衍生碳。因此保護水田系統及其他人為溼地，以及經由永續管理保持土壤以提高這些地的碳存，是未來保持全球土壤碳存及緩和氣候變遷的關鍵實作。
Wei et al.（2022）統合分析（meta-analysis）研究持續水田、水旱輪作田及鄰近旱作土壤，其土壤微生物生質碳（microbial biomass carbon, MBC）的差異。結果顯示：（一） 水田土壤的土壤生質碳量是旱田土壤的2倍，主因水稻根碳及根圈沉積物高於旱作；（二） 水田氧氣較低，因而降低微生物置換率；（三） 水田土壤微生物碳同化效益較高；（四） 水田土壤鐵氫氧化及氧化物穩定土壤有機碳。土壤有機碳中微生物生質碳比率在水旱輪作、水田及旱田土壤分別為3.5％、2.5％及2.1％。
水田土壤的碳氮比（12.4±0.11）高於旱田土壤（9.9±0.21），此反應出水田土壤因為有硝酸態氮的淋洗及脫氮作用而損失較高氮，厭氣環境的碳損失較低。水田土壤氧氣濃度較低，其土壤微生物生物質的置換率比旱田低1.1～1.6倍。由逐步複迴歸及殘餘分析結果顯示，在水田及水旱輪作田微生物生質碳主要影響因子相似（如全氮TN及總有機碳OC），旱田土壤主要影響因子為酸鹼值（pH）及總有機碳。在年平均溫及年降雨量結合效應下，水田和旱田碳及氮存最大量出現在涼及溼潤條件，最小量出現在溫暖乾燥氣候。
針對氣候及土壤物理及化學性因子定量分析結果顯示：（一） 在土壤管理如打漿（puddling）及淹水增加土壤物理－化學性質控制土壤穩定性而降低氣候的影響效應；（二） 氣候（如年平均雨量）要影響旱田碳及氮存量，水田碳及氮存量主要影響因子是化學性質如酸鹼值。而水田土壤較高碳及氮存量主要來自：（一） 水稻比旱作穀物有較高的總有機碳進入土壤；（二） 植物殘體及土壤有機質（SOM）在厭氧環境分解較慢。（三） 鐵鋁氧化物對土壤有機質的生化穩定性具重要性。
Deroo et al.（2021）報告，水田浸水下，有機質進行厭氣分解，將使原和三價鐵離子（Fe3+）結合的土壤有機碳溶出，增加土壤中微生物碳源，接著礦化釋出二氧化碳及甲烷（CH4）。盆栽試驗兩種孟加拉土壤種植水稻，加入玉米稈並進行浸水（CF）及乾溼交替（AWD）處理，測其土壤有機碳及草酸可抽出鐵（FeOX）比值；測水溶有機質及釋出的甲烷及二氧化碳的穩定碳同位素比值（δ13C）特徵，以判別其碳來自玉米稈或來自原土壤有機質。結果加入玉米稈在浸水處理有較高的鐵還原且SOC：FeOX比值最高，然而此刺激作用刺激礦化作用產生二氧化碳及甲烷的程度較刺激有機質釋出性低，在乾溼交替甚至為負的作用。顯示外加有機質未必一定產生促進土壤有機碳的礦化作用。
一期及二期水稻田對土壤有機碳存的差異性
Wang et al.（2015）研究中國亞熱帶地區稻稈犁入土壤對土壤總有機碳（TSOC）、活性土壤有機碳（ASOC）及碳匯管理指標（carbon pool management index , CPMI） 的影響。早稻（一期稻）、晚稻（二期稻）採後馬上將3.3公噸／公頃稻稈犁入表土10公分土壤，於一期及二期稻收後測表土40公分土壤總有機碳及4個其他活性土壤有機碳。結果顯示施入稻稈土壤其土壤總有機碳、輕有機碳（light fraction organic carbon, LFOC）、溶解有機碳（dissolved organic carbon, DOC）及微生物生質碳高於沒施稻稈的對照組7.1～128.6％。
經相關性分析土壤總有機碳、溶解有機碳、輕有機碳、微生物生質碳及不穩定有機碳（labile organic carbon, LOC）無論一、二期稻皆顯著正相關；土壤總有機碳及活性土壤有機碳和土壤水含量及土壤全氮量皆為正相關。稻稈犁入土壤對一期稻顯著提高土壤碳庫管理指數（CPMI）及其他活性土壤有機碳，在二期稻未達顯著。一期稻稻稈犁入土壤，使其在好氣狀態分解，有利於提高土壤碳庫管理指數。
水田及旱田土壤有機碳提高的差異
一般田間試驗研究需要長時間才能看出對土壤有機碳影響的程度，且成本高，我們可以由已經發表的文章進行了解。由於土壤性質影響土壤有機碳的穩定性，所以Guo和 Lin 2001的研究採用土地相鄰近的農田資料作比對，以消除土壤性質的差異，他們文章結論是水田土壤有機碳比鄰近旱田的土壤有機碳高出12～58％。
Yan et al.（2013）採用長期施肥處理研究，水田耕作起自1981年， 旱田試驗起自1986年，每個試驗有9種化學肥料或有機肥料處理：CK沒施肥、N、P、K、NP、NK、NPK、2NPK（2倍肥）及NPKOM（加廄肥）。水田土壤有機碳在施肥下每公頃提高6.7～15.3公噸，旱田土壤在CK、N、P、K及NP等5種肥料處理土壤有機碳每公頃降低1.2～3.8公噸， 其他4種施肥處理每公頃增加0.5～ 7.4公噸。
Wei et al.（2021）研究比對578處水田及其鄰近旱田土壤有機碳及全氮，發現在0～35公分深度土層平均碳存量水田和旱田分別為每公頃31及47公噸，全氮含量分別為每公頃2.2及3.2公噸。
施用化學肥料提高土壤有機質的實例
有許多學者常強調施用化學肥料無法提高土壤有機碳， 然而大家都知道適當施用化學肥料會提高作物產量，當然會提高作物的殘體量，尤其許多研究也提到作物的根對提高土壤有機碳的效益高於地上部，其根的生物質量和產量有密切關係。2012年一研究中國南方4個每年二期作水稻田，未施肥料處理，每年土壤碳投入量是每公頃1.6～2.1公噸，有施化學肥料處理則較高，每年每公頃有2.6～5.1公噸，與另一2009年的研究估算二期水稻區施用化學肥料土壤有機碳投入量每年每公頃2.93～5.11公噸相近。
水轉旱及旱轉水對土壤有機碳的影響
連續幾年的乾旱導致嚴重缺水，農業部提出鼓勵水田轉作旱田。這種變動對土壤碳存是否有所影響？
Ren et al.（2020）在中國南方地區從1980～2017年進行水田持續水田、旱轉水的新水田、持續旱田、水轉旱的新旱田等4種種植方法。結果顯示1980年水田土壤的土壤有機質、全氮及速效磷（AP）值顯著高於旱田，但是2017年資料顯示差異未達顯著水準。同樣4種種植方法比較其1980年和2017年間土壤有機質的變動，可以發現分別為1.05、－2.72、5.39、7.89g·kg-1（每公斤該物質所含另一種成分克數）。所有作物耕作系統皆提高土壤酸鹼值、速效磷、速效鉀（AK）。土壤有機質在新水田顯著提高，持續水田者的土壤有機質增加量低，且持續水田處理顯著弱化總氮和土壤有機質的相關性。
Liu（2017）的研究報告指出，中國農田使用肥料從1980年開始每年提高肥料用量，平均每年增加4.1％，在1980年N：P2O5：K2O比值為1：0.3：0.05， 逐年提高磷酐（P2O5）及氧化鉀（K2O）比率，到2014年已達1：0.5：0.43， 接近作物需求的1：0.50：0.50。其氮磷鉀肥施用量不僅超過作物需求，可以顯示其養分利用率低，且超過環境安全臨界值，尤其1988年以後。
有機質投入對土壤有機碳的累積
投入有機質的量及品質對土壤有機碳的累積及動態具重要角色。例如有研究顯示植物根及堆肥對土壤有機碳的存留高於秸稈的碳；根的碳比地上部的碳對土壤有機碳的影響較大也較穩定；長期堆肥的施用一般會提高表土的土壤有機碳存量，但是可能降低底土的土壤有機碳存量。
Tang et al.（2022）提出中國南方兩期水稻區進行36年不同長期施肥實作（只施化肥MF）、稻稈加化肥（RF）、30％廄肥加70％化肥（三廄七化肥OM）及不施肥（CK）， 對照對土壤碳存及氮肥有效性（NUE）的影響結果。結果顯示稻稈加化肥及三廄七化肥處理比只施化肥及不施肥高。結果顯示稻稈加化肥及三廄七化肥兩處理除了直接施入水田的有機碳外， 分別比只施化肥提高1 . 5 4 ％ 及3.01％。稻稈加化肥及三廄七化肥處理土壤總碳（TOC）增加速率及表土層有機碳存速率比只施化肥處理分別提高55.56％、88.89％及48.05％、76.62％，由於土壤有機碳的提高，其土壤碳存及氮肥有效性也各別提高10.43％及22.61％。兩期作水稻產量，稻稈加化肥及三廄七化肥處理也分別比只施化肥每公頃提高1,009.5及1,166.5公斤。只施化肥處理，其土壤總碳28.05±1.40 g/kg顯著高於不施化肥的24.62±1.23 g/kg，土壤總氮（TSN）及土壤總磷（TSP）在只施化肥也都高於不施化肥。
Kai et al.（2020）研究施用有機質雞糞堆肥（N：P2O5：K2O＝120：150：100 kg·ha-1）及化學肥料（N：P2O5：K2O＝110：120：100 kg·ha-1）對水稻生長及土壤化學及生物性質的影響。結果顯示，施用有機肥處理水稻穀粒數、千粒重顯著高於化學肥料處理。土壤總有機碳及酸鹼值也顯著較高。土壤微生物生質體、氮循環活性、磷循環活性也較高，但是未達顯著水準。
Tang et al.（2022）在遼寧省研究水稻移植（插秧）、直播、加入稻稈及經450℃ 裂解的生物碳， 對水稻產量及土壤生物與物理性質的影響。結果顯示，移植處理產量比直播高出10.6％，添加稻稈處理產量比生物碳處理分別高出7.1及8.2％。
Liu et al.（2016）研究水田添加生物碳和不施化肥對照下水稻生產的碳足跡。碳足跡計算納入碳源過程，包含裂解費用、肥料及農藥、農場工資、溫室氣體及碳匯過程。經過2011～2013年連續3年水稻生長循環，其碳化土壤（CS）處理的碳強度高於對照，結果提高甲烷排放量。由於生產生物碳裂解用淨電能消耗的變異，使中國大陸方法（CBC）水稻生產的碳強度介於0.04～0.44 kg CO2-Ce kg-1 grain，也就是需要提升裂解能量耗損效益，否則無法降低水稻生產的碳足跡。
有機質投入土壤方式不同的影響
Wang et al.（2015）田間試驗將不同量稻稈（0.5、1.0、2.0 kg·m2）埋在不同深度（10、20、30、40公分）的土層，進行4年水稻和小麥輪作。試驗結果顯示，在埋稻稈層上面及下面1 0公分層土壤的土壤總碳及不穩定有機碳含量皆提高。水稻產量以埋在20公分深處理顯著高於其他深度處理，埋入稻稈處理高於沒施用及施用化肥。
地區（地形）農業耕作實作差異性
泰國北方主要是山區，種植水稻有採用梯田方式及非梯田方式，一研究比對這兩種方式土壤有機碳存量、土壤養分及土壤沖蝕度。其表土10公分的土壤有機碳在梯田和非梯田分別為每公頃21.84及21.61公噸碳。兩者間的沖蝕性沒有明顯差異。多數土壤有效養分如銨氮（NH4-N）、硝酸鹽氮（NO3-N）、有效性鉀、有效性鈣及有效性鎂在梯田土壤低於非梯田土壤，這可能由於梯田土壤的水是由較高田往較低田持續流動，造成養分的流失。土壤沖蝕性和土壤有機碳降低有關，因此如何降低沖蝕，乃至於梯田如何管理水田灌溉方式以減少養分流失，都是相當重要的課題。
Arunrat et al.（2020）主要在了解泰國東北區砂質土壤有機碳含量，研究區域土壤超過70.7％土壤砂質含量超過50％。此地區前40年資料顯示土壤有機碳含量0.34～31.2 g·kg-1。無水灌溉區在中度乾旱季因為土壤沖蝕使土壤碳存較低。土壤有機碳提高1g·kg-1，提高水稻產量302 kg·ha-1，這地區土壤碳存（碳飽和C sat）預估可提高4.1～140.6％。
碳足跡的差異性探討
生物碳的生產過程，從收集、乾燥、設備、裂解處理程序、運送及施用等各階段都需要能源，因此會產生碳排，而Mohammadi et al.（2020）研究指出，水稻生產系統施用生物碳無法縮減碳足跡。
裂解稻稈主要是回收能源，同時可以將碳穩固在生物碳，以降低肥料需求及提高作物產量。定量評估環境生命週期評估（environmental life cycle assessment, E-LCA）生物碳處理水稻，所生產稻穀每公斤所排出的碳當量值介於－1.43～2.79 kg CO2-eq/kg grain，顯示其碳足跡低於未施生物碳處理。施用生物碳最主要是降低土壤甲烷排放，對氣候變遷緩和效益介於－40～70％，所以需要有因應策略，例如補助生物碳費用及未來將降低碳排價值化機制等，以有利稻農的經濟利益。
結論
（一）提高土壤碳存最簡單的方法，就是利用合理化施肥，讓作物長出最高生物質及最高產量，其根系留存在土壤且較穩定的有機質是最多的。
（二）施用化學肥料提高水田及旱田作物產量，自然可以提高土壤有機質及土壤碳存，尤其水田土壤。
（三）使用堆肥化過程，使堆肥含高量腐植質再施入土壤，是迅速提高土壤碳存的方法。
（四）提高作物殘體和土壤接觸，例如水田耕犁使土壤起漿，使作物殘體
和土壤顆粒緊密接觸，最能穩定土壤有機質。
（五）水田轉旱田往往會降低土壤的碳存量。
（六）優良土壤微生物的選擇及添加現地處理作物殘體，不僅是提高土壤碳存，更大大降低肥料的用量及施作成本。
（七）生物碳直接使用可以提高土壤碳存，但是其生產成本需要有配套補助政策，農民才能從中獲利。
（參考文獻請洽作者）
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