《因應氣候變遷作物科學化管理系列二》 調節實作以抗高溫、 水分及其他逆境(上)

因應氣候變遷,土壤保水力

因應氣候變遷,土壤保水力成為抗高溫逆境的重要關鍵。(攝影/吳尚鴻)

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、水分及其他逆境〉、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、水分及其他逆境〉的上篇。

要降低大氣中CO2濃度除了減少工業碳排外,土壤碳存可能具關鍵角色,主因其在農業系統中具有多重的生態功能。使用永續農業實作提高土壤有機碳(Soil organic carbon,SOC)一直被認為可以減緩氣候變遷所造成廣泛的社會問題。事實上,農業開發以來,農地土壤損失土壤有機碳達116Gt(1160億公噸)。土壤有機質低時,土壤有效養分降低,且由於土壤團粒化及構造不良導致土壤密實,造成土壤高沖蝕。更甚者,土壤微生物減少、低水分入滲、低保水能力。已知由農業生態實作可導引農業土壤再碳化,因此重建土壤是可能的,可以經由提高有機質的投入,以及經最少土壤干擾以降低土壤有機碳的損失。這些實作投入提高的農業土地肥沃度,也許可以提高食物安全性及抗氣候變遷。最近也有研究顯示,提高土壤有機碳存量能提高產量,減少產量的變異以及乾旱造成的產量損失。

氣候變遷影響作物產量 輪作是最適合的耕作模式

許多學者利用不同預測模式評估氣候變遷對作物產量的影響。Deryng etal.(2014)用72個氣候變遷情境全球作物模式(PEGASUS),量化極端氣候變遷熱逆境對玉米、春小麥及大豆產量全球在21世紀的影響。結果顯示,在不同RCPs(代表濃度路徑)對玉米產量預測有逐漸不良影響,到2080年代玉米產量可能雙倍損失,但是對春麥及大豆,到2080年代前,相較於1980年代將因CO2濃度提高而有改善產量;而熱帶及亞熱帶地區仍可能面臨產量下降。在RCP 8.5下考慮CO2濃度提高效應,在開花期有熱障礙(heat stress at anthesis,HAS)對玉米產量損失可能加倍,春小麥產量可能減少一半,大豆可能減少四分之一。進一步探討發現,在RCP2.6時假設忽略CO2提高效應,和RCP8.5比較,可以降低80%損失。整體而言,熱及水逆境影響作物產量,兩者同時存在時將更嚴重,可經由田間實作管理來降低熱障礙。

Vogel et al.(2019)以亞國家(subnational)產量資料經由機制式模式運算,研究極端氣候對玉米、大豆、水稻及春麥產量異常的衝擊。研究結果顯示,以作物生長期氣候因子包括平均氣溫及極端氣候來解釋產量異常的變異,有18~43%來自極端氣候。其中溫度和產量異常的關係大於降雨和產量異常的關係,亦即溫度比降雨更影響產量,且灌溉可以減緩部分極端高溫對產量的負面影響。Vogel et al.(2019)模式可以預估極端氣候對作物產量全球影響熱區,其中北美受影響的作物包括玉米、春小麥及大豆;亞洲為玉米及水稻,歐洲為春小麥。Wei et al.(2020)研究在中國乾燥及半乾燥區,發現扁豆(lentil)-小麥-玉米及玉米-豌豆輪作是最適合的耕作模式,可以同時達到經濟性及生態發展,包括水的保育及土壤有機碳的存留。

Drebenstedt et al.(2020)評估德國農業系統中土壤溫度及降雨型態的改變對作物產量的影響,研究結果顯示對土壤溫度及雨量改變溫和,對油菜種子產量及養分成分沒有負面影響。

CO2濃度高低影響作物 C4型作物重要性提高

植物光合作用,是植物利用太陽能,將從空氣中擴散進入葉片的CO2經不同的化學反應作用程序轉化成碳水化合物,其反應型態依其最初形成的有機化合物碳數目而分為C3、C4型,再因C4型中有白天的氣孔打開同時吸收CO2及進行光合作用的典型C4型,也有夜晚打開氣孔進行固定CO2、白天氣孔關閉下進行光合作用合成碳水化合物的CAM型植物(景天酸代謝,crassulacean acid metabolism,簡稱CAM,是一種將氣孔開啟限制在夜間以減少水分散失的光合作用途徑)。在4千萬年前因為大氣CO2濃度(1000 ppm)高,所以C3型光合作用效率高,接著大氣CO2濃度逐漸降低到冰河期只有180 ppm左右,此時漸漸演化形成固定CO2效率更高的C4型植物。在乾旱及鹽分地區演化出CAM型植物。

植物氣孔打開讓植體內氣體和大氣交換的速率稱為氣孔導度,氣孔導度越大表示CO2進入葉片速率越大,但是同時葉內的水蒸氣擴散到大氣的速率也越大,水蒸氣擴散到大氣稱為蒸散作用而損失植體內水分。大氣CO2濃度提高時,氣孔導度會降低同時蒸散作用也降低,而降低水分及養分吸收,造成其生物質中養分降低。許多土壤中植物養分隨著水移動到根圈讓植物吸收。如此農產品養分濃度較低,人的營養攝取就受影響,昆蟲也因此吃更多農作物以補足其營養。

世界農糧組織(FAO)也說明,在其他因素都適合的條件下,C3型植物如水稻在大氣中CO2濃度提高下是有利的,在有不良因子如生長期水分溼度不良(旱或澇)、養分有效性不足或溫度高於最適溫度範圍下,則會減少原本CO2提高可以帶來的正面效應。研究也提出,在CO2濃度提高下,植物的根、莖、葉、花及果的養分濃度較低,尤其蛋白質、礦物成分及微量要素(如鋅及鐵)。

C4型植物因為其葉片構造本身就會先提高葉內CO2的濃度,因此大氣CO2濃度的提高對其光合速率影響較小。在有水分逆境時,多數C4型作物水的損失較低,它們的產量受影響程度較低。

雖然還有相當多介於C3~C4型中間的植物,礙於篇幅,本篇只將典型C3、C4、及CAM型植物的特性列出。以光合作用效率、耐熱性及水利用效率來看,C3植物劣於C4及CAM型植物,因此在未來氣溫逐漸提高及缺水時間更多的氣候條件下,C4型作物的重要性可能提高,C4型植物種類在分類上的目及科,請參考「被子植物中至少有一C4型植物的科」一表。

溫度影響土壤水分蒸發量 冬天土壤溫度高而蒸發快

Kidron and Kronenfeld(2015)研究不同水盤大小及不同水/土溫在不同遮陰下的水分蒸發速率。水盤水分蒸發受到其水溫的影響大,最高溫每提高1°C水蒸發量提高0.08 mm/day,提高水盤蒸發速率約8.3%。相似影響可以發現當底土溫度(5公分深度)提高使土壤蒸發速率提高0.07 mm/day,會降低0~10公分土層土壤有效水分約6.6%。綜合而言,土壤溫度提高1°C,將使表土土壤蒸散速率提高約10%。有更多研究指出,冬天土壤溫度高於氣溫將提高土壤水分蒸發量。

①緩解熱障礙 灌溉可減少產量損失

Siebert et al.(2017)研究顯示,整個歐洲熱浪對小麥及玉米的影響可以因為灌溉降低地表溫度而顯著降低衝擊,並證明採用植被溫度,才能顯示熱浪在有灌溉和沒有灌溉下對作物產量衝擊的差異性。在有灌溉地區,若採用氣溫評估熱量對作物產量的衝擊,將會高估其影響程度。標準氣溫及氣候變遷預測都監測離地面2公尺高度的溫度,證據顯示作物植被上方的溫度更具相關性。植被溫度(Tcan)和氣溫(Tair)可差10°C以上,甚至在溫帶地區也是如此。有研究也顯示,高蒸發散速率可以冷卻植被溫度,但是土壤水分過低、蒸發速率低時,植被溫度可能高於氣溫。所以植被溫度及相對熱障礙,在有灌溉和看天田的農業環境裡會有相當大的差異,特別是乾燥地區;而灌溉可以降低土壤溫度,可能減少高溫造成的產量損失。

Luan et al.(2021)發展機制模式,將作物能量及水平衡測定植被溫度反應植物特性、隨機環境條件及灌溉的應用,以小麥作為研究作物,發現植物植被溫度在充分灌溉下明顯跟隨氣溫變化。如果土壤水分勢能低於-0.14MPa,進一步減少土壤有效水分到-0.62MPa,則植被溫度會快速升高,將高於氣溫10°C。另有研究指出,充分灌溉可以降低植被溫度,但是往往不容易使植被溫度保持在低於熱傷害的臨界值;而持續植物蒸發作用的冷卻,灌溉可以降低植被溫度。

②降低熱障礙 可採不整地耕犁方式

Suat Irmak(2016)研究發現,不整地耕犁的玉米及大豆種植,其表土層土壤溫度比盤犁(disk-tilled)土壤低可達4.4~5.6°C。

③降低熱障礙 排除土壤排水問題

Jin et al.(2008)研究在冷溫下,排水不良土壤底土排水對土壤溫度的影響。田間研究發現,底土排水對壤土及黏壤土都可以提高土壤溫度,尤其在30~60公分深度可提高4°C。Palta et al.(2010)研究底土間歇淹水對鷹嘴豆生長的影響,發現會降低根的生長及增殖,特別於上層60公分,而降低三分之二的乾物重,種子產量降低50%。

降低缺水問題 增有機質提升土壤保水性

土壤有效水分受土壤性質的影響,包括孔隙率、田間容水量、凋萎點水分、植物有效性含水量、大孔隙流及質地。氣候變遷造成高強度雨或乾旱,大大影響土壤水的有效性及其分布。土壤水有效性、水留存以及土壤水入滲速率也強烈的影響其生態功能。土壤水入滲增加土壤水的留存、降低土壤沖蝕、減少暴洪及乾旱風險。Holsten et al.(2009)評估,在21世紀中期,土壤有效水分可能減少4~15%。

Hudson(1994)報告指出,前50年的研究顯示土壤有機質(soil organic matter,SOM)對土壤有效含水量(available water capacity,AWC)影響小或沒有影響,他對這種結論的正確性有懷疑。他將土壤依土壤質地分為三群組,結果發現土壤有機質提高,其田間容水量體積提高的比率較高。土壤有機質與土壤有效含水量有正相關,其相關性統計上極其顯著,所有土壤群的土壤有機質量從0.5%提高到3%時,其土壤有效含水量超過兩倍。此外,土壤有機質的比重輕,在相同重量下其體積較大,研究發現當土壤有機質重量含量1~6%下,其體積含量則達5~25%。這表示土壤有機質會遠遠降低土壤的容重,減少植物根的生長阻力。

Minasny and McBratney(2017)指出,土壤含水量對陸地生物圈的水及能量平衡相當重要,它對作物的蒸發散速率及產量有決定性的作用,而提高土壤有機質含量可以改善土壤含水量已被廣泛接受。他們綜合分析(meta-analysis)收集自60篇科學發表文章中,遍布全球的超過5萬筆數據,以研討土壤有機碳和土壤飽和水、田間容水量、凋萎點及有效含水量的關係。結果顯示礦質土壤(指土壤有機質<2%的土壤)土壤有機碳提高1%,對土壤飽和水、田間容水量、凋萎點及有效含水量平均各別提高2.95、1.61、0.17及1.16 mm H2O 100 mm soil-1。其提高量對砂質土壤最多,其次是壤土,對黏土最少。

氣候變遷對土壤有機質的影響

Tan et al.等為了研究雨量多寡影響植被生長而影響土壤有機質含量,他們採用相同年降雨量地區等年降雨量400 mm線,從中國東北大興安嶺往西南經過張家口-蘭州-拉薩-喜馬拉雅山脈東部,橫跨中國6,000公里長,採集27個採樣點土壤,其年均溫從-5.1°C到9.1°C,如此設定去除降雨因素下土壤有機碳和年平均溫度的相關性,發現年平均溫越高,土壤有機質含量越低。Prokopyeva et al(2021)在莫斯科進行兩個田間試驗,發現長期土地使用歷史在估算碳投入時有很大的未確定性;在未來氣候條件下,雨季相對顯著的非栗鈣土帶的農業土壤,對土壤有機碳存留的潛能也許最大。

綠肥作物在最佳時機回歸農田
綠肥作物在最佳時機回歸農田,有助於提高土壤有機碳含量。(攝影/吳尚鴻)

提升土壤有機碳的田間實作 作物殘體回歸農田

Dai et al.(2021)研究中國耕犁實作對土壤有機碳存留以及表土微生物族群的衝擊。他們發現深犁改變土壤微生物群的組成,並與土壤有機碳循環相關;同時增加基因庫的豐富度,包括碳水化合物的運輸及新陳代謝。在中國北方平原,這地區有大量的小麥和玉米稈回歸農田,而深犁可能提高秸稈碳轉化為土壤有機碳。

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。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,根部的碳比地上部的碳對土壤有機碳的衝擊較大也較穩定。長期堆肥的施用一般會提高表土的有機碳存量,但可能降低底土的有機碳存量。

Meena et al.(2020)分析水稻殘體的留存及葉面施用鉀肥,對水的利用及對印度西北部小麥的利益度,因為可以提高水的使用效益,尤其水有效性有限的環境下能因此提高小麥產量。Wang et al.(2020)研究也認為,作物殘體回歸農田,無論是切細、混入土壤或與低量氮肥混合埋入土壤,都改善有機碳的存留。顯示作物殘體回歸農田,長期而言是有效抗氣候變遷影響的智慧實作。

研究顯示玉米與其他作物的輪作模式
研究顯示玉米與其他作物的輪作模式可達到保水及土壤的有機碳存。(攝影/張雅茹)

Koishi et al.(2020)研究瑞士傳統作物耕作系統長期使用不同有機添加物,對土壤有機質的量及品質的效應。他們發現動物廄肥的養分較高,所以比綠肥及秸稈更適合提高土壤碳存留。Doan et al.(2021)等研究生物碳、堆肥及其混合使用在東南亞3個國家的短期效應,結果顯示在相似的化肥及灌溉下,其生物質及玉米產量高度受氣候條件影響,因而認為這些有機添加物的效益沒有期待的那麼大。

農業及都市有機資材入土 可提高土壤碳存量

Gobin et al.(2011)盤點整理跨歐盟國家對農業殘體及都市垃圾等回歸農田對土壤碳存的影響。農田的有機材料來源來自作物殘體如一年生及多年生作物殘體及施用廄肥,而作物殘體在10%做為生物能量來源(意即當成食物),保留90%回田情況下,土壤有機質可以保持豐富維持在2005年的水準(C-rich,C-media,BAU);如果使用30%或50%做為生物能源,則土壤有機質可能落在低(C-Low)及差(C-Poor)的狀態;如果100%作物殘體回歸農田,則土壤有機質最高。能夠同化為腐植化有機碳的量,第一是有賴產量,作物產量越高其作物殘體量就高,第二是有賴其盛行氣候,冷溫及乾燥氣候較不利。歐盟27國的土壤碳在秸稈還田下平均為每公頃0.86公噸(t/ha),沒還田的平均只有每公頃0.44公噸。作物產量較高的比利時、荷蘭、愛爾蘭、英國、德國、盧森堡及法國,土壤有機碳含量高於27國平均值。

不同作物的不同比率作物殘體回歸農田,歐盟27國平均土壤有機碳量(公噸/公頃)Base 2030、(C-Rich,C-Med,BAU)、C-low、C-poor、C-worst,作物殘體回歸農田比率分別為100%、90%、70%、50%、0%。評估使用廄肥及堆肥到農田的情境,堆肥是採用都市廢棄物製成的堆肥;BAU為農田使用平時量的廄肥及堆肥;C-Rich及C-Med為其廄肥用量依舊而分別提高50%及25%堆肥;C-low情境為有20%的廄肥作為能源使用,C-poor是40%廄肥作為能源使用。上述顯示,生物廢棄物作為堆肥使用到農田可以提高土壤碳存。 家庭及公家機關(學校、醫院、辦公廳及商店)是都市廢棄物堆肥的潛在提供者。廚餘堆肥材料是廚房的蔬菜、水果及庭園廢棄物;綠色堆肥材料是樹木修枝、樹幹、草及樹葉,評估廚餘堆肥的量約只有綠色堆肥的一半,每年人均產量約150公斤/人。

土壤有機質存量 黏土坋土高於砂土壤土

細質地土壤含較高量的黏粒及坋粒在自然中的有機質含量高於粗質地砂或砂質壤土。砂、壤土及黏土有機質含量潛能分別<1%、2~3%、4~5%。植物根和土壤密切接合且含較高量木質素,其存留在土壤的比率高於地上部植體。燕麥試驗殘體在土壤中1年,地上部植體殘留三分之一,而根部有機質殘留42%。毛苕子於春天犁入土壤5個月,地上部只存留13%碳,根部殘留碳達50%。在自然的植被下,熱帶土壤有機質含量和溫帶土壤相近,但耕作土壤則以熱帶土壤較低,土壤有機質含量和年均溫及年雨量有關,最大值在雨量800 mm,年均溫18°C。一般認為土壤有機質含量可視為土壤肥力的指標,Greenland等(1975)建議能使土壤穩定的土壤有機質含量關鍵值為3.5%,而Deploey和Poesen(1985)認為2%。

不同質地水田土壤 對地下水補注影響不同

Razavipour and Farrokh(2014)在伊朗7個地區不同質地(砂質壤土、壤土、黏質壤土、坋質壤土、黏土及坋質黏壤土)研究測定水田土壤滲漏水速率。結果顯示土壤容重、土粒粒徑分布尤其黏粒及砂粒比率效益更顯著,容重、黏粒及砂粒比率相關係數R2值分別為0.32、0.91及0.79。

將土壤滲漏水速率分為4級,第一級(I)極高滲漏率,極輕質地(黏粒含量<8%)土壤水滲漏速率為0.74 cm day-1。第二級(II)高滲漏率,輕質地(黏粒含量8~16%)土壤水滲漏速率為0.54 cm day-1。第三級(III),中等滲漏率,中質地(黏粒含量16~44%)土壤水滲漏速率為0.32 cm day-1。第四級(IV),重質地(黏粒含量>44%)土壤水滲漏率0.15 cm day-1

Long and Koontanakulvong(2019)研究指出,土壤深層滲漏水速率對地下水的補充相當重要,尤其是乾旱年。該研究在3種土壤採用理查氏方程式(Richard’s function)及利用水分監測設備監測田間土壤水分,砂質黏壤土、砂質黏土及黏土的深層滲漏水率分別為4.5、3.5及2.4 mm day-1,年滲漏比率分別為0.34、0.27及0.04,在降雨強度4~14 mm day-1下其平均每月滲漏速率分別為2~4.5、1.5~3.5及0.5~2 mm day-1

提高土壤有機質有助抗逆境

氣候變遷對作物產量影響最大的因子是高溫及乾旱期缺水問題,未來在某些缺水源無法滿足作物灌溉水的地區,可能需要增加較耐旱、耐熱及較高水利用效益的C4型作物如玉米、甘蔗、小米、高粱、莧菜等,適當土壤有機質及水分管理也是抗逆境重要的課題。提高土壤有機質的實作不僅可以改善土壤肥力,更可以提高土壤保水力,尤其提高整個土壤剖面的保水力,同時可以提高雨水入滲率又降低土壤沖蝕,使土壤肥力更永續。也就是說,糧食安全的重要關鍵在於土壤有機質的逐漸提高,而這又可以增加將大氣中的CO2的碳固存在土壤,以降低大氣CO2濃度減緩氣候變遷的衝擊。

(參考文獻請洽作者,續文請見豐年雜誌73卷4期)

更多文章請見《豐年雜誌》2023年3月號