文╱黃裕銘 英國牛津大學植物科學系博士
全球土壤有機碳（SOC）估計有15,500萬噸，大氣圈含7,600萬噸的碳，活植物體中則有約5,600萬噸碳，因此土壤是陸地最大的有機碳（organic carbon, OC）匯區。在過去200年，生態系統中損失50%的有機碳，因此讓土壤增加碳匯，對於減緩地球暖化有顯著功效。聯合國氣候變遷綱要公約組織於2015年巴黎會議提出「千分之四倡議」(4 Per 1000 Initiative: Soils for Food Security and Climate)，倡議提高土壤有機碳以緩和地球暖化。
如何增加土壤的碳匯潛力，被廣泛運用的方式包括保育耕犁方式的作物耕作、在具有邊際效應的土地上種植多年生植物、重新檢視被嚴重擾動的土壤區域，如採礦區，這些土地同樣也具碳匯潛力。土壤的碳匯潛力評估上，有機碳越高，其土壤呼吸作用越高，所以時間越久，土壤的碳匯量會每年逐步降低。例如美國21世紀碳匯規劃，預計從1980年代的每年3億3,000萬公噸碳降到2050年的2億1,000萬公噸，以及2100年的1億3,000萬公噸碳。美國的溫帶草原地帶，約有三分之一是種植玉米的田地，採用生物地理模式研究多種氣候及土壤使用改變對氣候變遷的影響，結果顯示玉米粒及玉米莖葉生物質量到2050年可能達8,870～1億470萬公噸碳，比設定成基礎年的2010年增加70～101%，即便區域移除50%玉米莖葉，屆時依然可以保持土壤有機碳及肥力。重視玉米的碳匯潛力，成為固碳的好方法。
使用多種資料評估 改變耕作方式 玉米田土地碳匯有潛能
提出要精準評估土壤碳匯，需要有精確的空間模式以對應土壤、氣候、土壤條件來管理，因此Grace與Robertson（2021）使用來自州土壤地理資料庫、國家土地利用資料庫、及PRISM氣候圖來計算農耕及土壤使用改變對土壤有機碳的碳匯影響，具體指標為牧草面積和森林面積增長，評估美國東玉米帶印第安納（Indiana）、肯塔基（Kentucky）、馬里蘭（Maryland）、密西根（Michigan）、俄亥俄（Ohio）、賓夕凡尼亞（Pennsylvania）、及西維吉尼亞（West Virginia）等州土壤的碳匯潛力。得出結果，20世紀末美國東玉米帶有1,530萬公頃耕作地含6億3,200萬公噸碳，估算比1800年代少52%。如果主要作物土地完全採用不耕犁實作，20年後具有恢復1億4,700萬公噸碳的潛力，如果持續傳統耕犁則會進一步損失3,500萬公噸土壤有機碳。在碳匯熱點區進行不耕犁20年更可以增加2,800萬公噸碳的碳匯。若將經濟邊際的農業土地轉為森林可以增加1,300萬公噸土壤有機碳及3億8,100萬公噸地上植體的碳。把礦區土壤再利用，種植森林可以增加400萬公噸土壤有機碳及4,200萬公噸的生物質。
兩期主要作物間選擇合適覆蓋作物 改善土壤促進植物健康、降低碳排
覆蓋作物指的是種在兩期主作物之間，用於降低土壤裸露沖蝕的作物，所以一般覆蓋作物通常不具有收獲的經濟價值。但一般來說，覆蓋作物被認為對土壤碳匯有綜合的增益效果。農民透過選擇何種（what）、何時（when）、及何地（where）種覆蓋作物，再考量氣候、土壤條件，運用不同的田間管理模式，會影響到主要的經濟作物（cash crops）的產量及碳排。
例如，在乾燥及半乾燥等缺水氣候環境中，種植覆蓋作物也需要用水，可能降低經濟作物能用的量造成降低產量；然而在溫帶環境種植覆蓋作物可以改善土壤及植物健康，因此評估起來種植覆蓋作物還是有發揮效益。現在談的主要溫室氣體有一氧化二氮（N2O）、二氧化碳（CO2）、及甲烷（CH4），一般會簡化以二氧化碳當量（CO2e）來表示。本篇文章討論上只用二氧化碳，因為其直接和土壤有機碳有關。二氧化碳排放量評估有幾種方法，包括直接測排放量、模式估算排放量、測土壤有機碳時間差量，或包含前3種方法。以本主題來說，最直接的方式是同時測量有種覆蓋作物及無種植覆蓋作物處理的土地，兩者田間試驗之土壤有機碳時間差值。研究指出種有覆蓋植物，少耕犁的土壤有機碳排放比傳統耕犁低。
關於覆蓋作物對於玉米作物輪作的碳排以及碳匯影響，有4篇研究可以參考。Joshi等人（2023）提出覆蓋作物跟土壤有機碳的關聯程度，受土壤型態、氣候、作物輪作、耕犁方法、覆蓋作物生長，及此管理方式的時間等因子影響。從Web of Science與Google Scholar上發表有關主題的文章一共3,856篇中選出61篇文章、一共198對有無覆蓋物的玉米輪作田區資料比對，發現覆蓋作物平均提高土壤有機碳含量7.3%。研究結果提出，覆蓋作物搭配玉米輪作，預估在美國可以每年提高5.5百萬公噸土壤有機碳，在全球每年可以有175百萬公噸土壤有機碳碳匯量。顯示覆蓋作物是固定大氣碳的可行策略，讓玉米生產也能對減緩氣候變遷有幫助。
Blanco-Canqui（2022）則發現覆蓋作物是否能夠發揮效益，跟田地原本的使用狀態有關。透過研究美國77組玉米種植系統，比較同時有以及沒有種覆蓋作物的研究，發現只有29%案例，其種覆蓋作物處理有較高的碳匯。這些覆蓋作物對土壤有機碳有正面效應的案例，都是土壤起始有機碳低、覆蓋作物生物質產量高，及已經有多年種植的田地。因此該研究提出，包括耕犁方法、覆蓋作物種類、施肥、灌溉、起使土壤有機碳量、土壤質地，及氣候都會影響玉米田的碳匯。
Bonifas等人（2005）的研究比較玉米以及覆蓋植物天鵝絨葉草根生長與氮肥用量的關係。研究中以直徑28公分深60公分的盆栽埋在土壤中，每盆分別種植玉米及天鵝絨葉草，分兩年以不同氮肥量做比較。2001年每盆施0、1、3公克氮肥，2002年每盆施0、2、6公克氮肥，每期作各調查10個生長階段日期，比較玉米及天鵝絨葉草生物質分配於地上部及地下部比率的影響。發現玉米及天鵝絨葉草根的莖葉比值隨植物的生長而下降，當氮量增加，其比值也下降，兩種植物相比，在所有氮用量下根莖葉比值玉米大於天鵝絨葉草。天鵝絨葉草的根莖葉比值當氮為限制因子時，其在2001及2002年比例為46%以及82%，玉米相比之下比值只由29%提高到45%。此結果顯示在限制氮情況下天鵝絨葉草對光線的競爭會低於玉米。天鵝絨葉草在美國可能造成玉米及大豆的經濟損失，需要適當控制此草。
Khorramdel等人（2013）於2008～2009及2009～2010年在伊朗Ferdowsi大學農場進行2個田間試驗。試驗有4種處理，包括2低投入管理系統（採用每公頃30公噸乳牛廄肥或30公噸都市家庭垃圾堆肥，種植密度每平方公分6.67株）、一中等投入系統（每公頃15公噸堆肥加尿素150公斤，盤犁及耕犁，在5片葉時施1.5L ha-1 2,4-D❶控制雜草，種植密度每平方公分8.89株）及一高投入系統（每公頃施用尿素300公斤，盤犁及耕犁各兩次，播種後施2L ha-1巴拉瓜在5片葉時施1.5L ha-1 2,4-D，種植密度每平方公分13.3株）。結果顯示在玉米殘體中碳及氮最大量發生在高投入系統，分別為0.8及0.02kg m-2，最低量在施堆肥處理，分別為0.5與0.01kg m-2。土壤不穩定及穩定碳量最高及最低分別在施廄肥（0.92及1.05%）及高投入系統（0.06及0.004%）。碳匯最大量在乳牛廄肥處理達每公頃4.1公噸，最低量為高投入處理的每公頃0.01公噸。試驗處理對玉米根、莖、葉及總生物質產量（公斤／平方公尺／年）的影響來說，玉米根、莖、葉及總生物質產量以最高投入處理顯著高於中投入及乳牛廄肥處理，廄肥處理產量顯著最低。
玉米及其他能源作物製作酒精 比較土地使用差異下的碳排多寡
Dunn等人（2013）討論土地使用改變（land use change, LUC）增加生物燃料生產的優缺現象，使用可計算一般平衡（computable general equilibrium, CGE）研究全球範圍下的玉米、玉米稈、柳枝稷（switchgrass）及芒草（miscanthus）這4種不同植物生產酒精的碳排差異。結果顯示芒草及玉米生產的酒精在基礎狀況模式的假設下具最低（－10g CO2e／MJ❷）及最高（7.6g CO2e／MJ）碳排，玉米酒精碳排比過去的研究來得低。至於製作柳枝稷酒精，假設由森林轉作及採收木材使用，得碳排是2.8g CO2e／MJ。柳枝稷因為生物質產量較低，所以其碳排比芒草高。另外一群研究者Hill等人（2009）從長期休耕保育計畫（CRP, Conservation Reserve Program）估算土地改種柳枝稷、玉米、草原草及芒草時排放量。結果顯示柳枝稷和芒草的排放量分別為0.5及0.2g CO2e／MJ，玉米稈沒有轉作的碳排放跟其生產方式有關。
註❶2,4-二氯苯氧乙酸（英語：2,4-dichlorophenoxyacetic acid），通稱2,4-滴或2,4-D，為植物生長調節劑或是作為除草劑用途。❷CO2e／MJ，每兆焦耳（MJ）能量所產生的碳當量排放量，為碳排係數的單位。
玉米適合生長環境
玉米生長受氣候、土壤及水等因子影響，以下就玉米生長週期不同階段來解釋環境因素的影響。
- 種植條件
以種植深度約5公分來說，一般氣溫10～12.8℃時需18～21天冒芽，15.6～18.3℃時8～10天冒芽。影響發芽的還有表面覆土，在不耕犁的狀況下，如果敷蓋植體多，土溫低，發芽率會比較低。在堪薩斯州種植時，4月初播種氣溫還低，在淺層土壤種植地溫比較高，可以促進玉米發芽。在臺灣由於氣溫較高，所以不耕犁情況下，有先前作物殘體敷蓋遮陰降低土壤溫度，及降低水分蒸發對播種的玉米有益其發芽及生長。
- 土壤溼度
土壤濕度很重要，如果太濕土壤可能交結在一起形成土塊硬殼，讓芽不容易穿透冒出。
- 玉米水分需要量
Licht與Archontoulis（2017）在美國伊利諾州立大學以35種不同環境研究玉米植株的蒸散作用，及蒸發散作用所消耗水分。1英畝（0.454公頃）消耗1英吋水，等同於每公頃消耗272公噸水，以此為準來計算玉米田不同生長期間，每天每公頃玉米田土壤蒸發水及蒸散水量（公噸／公頃／天），播種發芽到第6片葉25天中其損失水量分別為每天每公頃1.0及20.0公噸，第6片葉到第12片葉植後42天間分別為每天每公頃4及24公噸，第12片葉到抽絲期植後65天間分別為每天每公頃23及18公噸，抽絲到水泡期植後80天間分別為每天每公頃38及18公噸，水泡期到麵團期植後97天間分別為每天每公頃43及14公噸，麵團期到馬齒期植後110天間分別為每天每公頃36及12公噸，馬齒期到成熟期植後130天間分別為每天每公頃24.5及10.5公噸。
- 耐鹽性
總合許多學者研究玉米從發芽到採收不同階段的耐鹽性研究，可以如Maas等人（1983）將玉米生長分成3個30天期代表營養生長期、雄穗抽出期及穀粒充實期加上發芽期共4個階段。玉米耐鹽性和其育種的基因有關，以下分成發芽期、營養生長期、雄穗抽出期及穀粒充實期來探討玉米不同品種的耐鹽特性。
發芽期
Maas等人（1983）研究16個栽培種發現玉米在發芽期間相對耐鹽。有2個品種可耐到土壤水EC值❸10dS／m❹，鹽分高會延遲發芽時間，但6天後種籽全發芽。盆栽試驗中有3個品種對鹽分最敏感，鹽分到6.2dS／m就顯著降低發芽，其他7個品種到15dS／m都沒有受影響，其中兩個品種鹽分提高到20dS／m都會發芽。臺灣的研究中，吳昭慧（2014）提出玉米種子對鹽份耐受性，台南21號對鹽分屬敏感性等級，耐鹽加權指數22。臺南20號屬中度敏感其耐鹽加權指數44。吉珍屬中度耐鹽其耐鹽加權指數67。雪珍、臺農1號、及華珍等四個品種屬耐鹽性強等級，其各別耐鹽指數為78、78及100。
營養生長期
發芽後到21天的營養生長期對鹽分較敏感，其開始抑制生長臨界值是1dS／m，每提高1dS／m生長速率降低4.9%，然後交耐鹽其起始抑制生長的EC為5.8dS／m，超過後對生長抑制率為7.7%，對玉米粒產量降低率是10.1%（Maas et al., 1983）。蔡（2008）模擬11種鹽分（0%~3（49.9dS／m））逆境結果顯示玉米幼苗耐鹽性，黑美珍品種在幼苗耐鹽指數是最高的，83%為耐鹽性強，臺南21號幼苗耐鹽指數是最低的25%。
雄穗抽出期
雄穗抽出期中，EC 9dS／m以下對生長沒有影響（Maas et al., 1983），在雄穗抽出期開始灌鹽水6-9g／l（10.4-15.3dS／m）鹽水對產量的影響小於種植開始灌3g／l（5.41dS／m）鹽水的影響還小（Kaddah and Ghowail 1964）。
穀粒充實期
穀粒充實期鹽研究顯示EC值9dS／m以下對生長沒有影響（Maas et al., 1983）。
全生長期研究
Saqib與Schubert（2023）用4個耐鹽品系及1鹽分敏感品種分別重於對照組土壤EC值2.0-2.5dS／m及鹽分土壤EC 10-12dS／m。結果顯示只有鹽分敏感品種產量受影響，而耐鹽品種產量全沒有受影響。
（參考文獻請洽作者）
