跳到主要內容

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

留言

這個網誌中的熱門文章

關於蕃薯,你知道你吃的是什麼品種嗎?

蕃薯( Ipomoea batatas )從臺灣人的主食、轉變為副食、又轉變為飼料,最後在養生的風潮下,再度躍上餐桌,成為美食,可有人關心過,我們吃的蕃薯是什麼品種嗎? 圖片來源: 農委會 上面這張照片裡的蕃薯,中間的TN57與TN66,就是台農57號與台農66號,是臺灣最受歡迎的兩種蕃薯喔! 台農57號在1955年由嘉義農試分所將日治時代培育出的台農27號與南瑞苕種(Nancy hall)雜交育成。它黃皮黃肉,目前還是全臺灣產量最大的蕃薯。口感鬆軟,適合烤、煮食或製作薯條。主要產地在雲林、台南、高雄。適合在四~十月間種植。台農57號還曾經隨著農技團飄洋過海到史瓦濟蘭去,協助他們解決糧食問題呢! 至於台農66號呢,就是所謂的紅心蕃薯啦!台農66號是1975年也是由嘉義農試分所選出,1982年正式命名。它是目前栽植最普遍的食用紅肉番薯。在臺灣,幾乎全年皆可栽種,秋冬作五個月可收穫,春夏作四個月就可以收穫囉! 最右邊的台農73號,就是現在所謂的「芋仔蕃薯」啦!它是在1990年以台農62號(♂)x清水紫心(♀)雜交後,在2002年選拔出優良子代CYY90-C17,並於2007年正式命名。由於肉色為深紫色,所以得到「芋仔蕃薯」的暱稱。本品種富含cyanidin 及peonidin 等花青素,具抗氧化功用。 至於常吃的蕃薯葉,則是以桃園2號與台農71號為主,這兩種葉菜蕃薯都不用撕皮就可以直接煮來吃,而且莖葉不易倒伏,方便農民採收喔! 如果您愛吃的是蕃薯的加工食品,如蕃薯餅、蜜蕃薯、蕃薯酥,其實他們大多也是用台農57號與66號來加工的喔! 參考文獻: 蔡承豪、楊韻平。2004。臺灣蕃薯文化誌。貓頭鷹出版。 行政院農委會。 甘藷主題館 。

在太空站種蔬菜好像不太安全?

  羅曼生菜,萵苣的一種。圖片來源: 維基百科 美國致力於在太空站種蔬菜已經不是新聞了,之前他們還確認了太空站種出來的蔬菜與地表種出來的一樣營養。 這當然是好事,可是,最近的研究卻發現,在太空站種蔬菜,要非常小心! 發生了什麼事呢?原來,科學家發現,微重力狀況會讓萵苣(lettuce)的氣孔(stomata)更傾向於張開,而這使得萵苣更容易被病菌感染。 研究團隊如何製造微重力狀態呢?他們使用了一種稱為2-D旋轉儀(clinostat)的設備來模擬微重力環境。透過以每分鐘2圈(2 RPM)和每分鐘4圈(4 RPM)的速度旋轉萵苣,可以創造出類似於太空中微重力的條件。 為什麼這樣轉可以模擬微重力環境呢?原來,這種旋轉可以避免植物細胞內的平衡石(statoliths,一種參與重力感應的胞器,含有密度特別高的澱粉顆粒)停留在固定一處,從而模擬了缺乏重力的狀態。 接著,他們觀察植物在微重力狀況下的狀況。他們發現,在沒有病菌的狀況下,每分鐘2圈的速度會讓植物的氣孔開口變小,但每分鐘4圈的速度對氣孔的開閉沒有多大影響。 可是,如果同時有病菌存在時,不論是每分鐘2圈還是4圈,萵苣的氣孔都沒有辦法關得像有重力狀況一樣小。這會造成什麼影響呢? 研究團隊透過使用共聚焦顯微鏡對葉片組織進行堆疊影像分析,來觀察並量化模擬微重力條件下沙門氏菌的入侵深度。他們發現,在每分鐘4轉(4 RPM)條件下,與未旋轉的對照組相比,沙門氏菌的入侵更深,並且在植物內的菌群密度也更高。這意味著模擬微重力條件下的旋轉,不僅促進了沙門氏菌通過氣孔來入侵,也有利於這些病原體在植物組織內的生長和擴散。 這顯然是個壞消息,但是研究團隊並不氣餒,他們想知道,如果提供植物益菌,能不能讓植物提升防禦力呢? 於是他們加入了枯草桿菌(Bacillus subtilis)UD1022。UD1022是一種植物生長促進根圈細菌(PGPR),過去已知,它透過多種機制對植物有益,能促進生長、增強抗逆性、以及作為生物防治劑對抗病原體。研究團隊的觀察發現,UD1022也能夠限制氣孔張開的幅度,從而限制了沙門氏菌等病原體通過氣孔進入植物內部。 然而,研究團隊發現,在模擬微重力條件下,UD1022對氣孔開口的限制作用受到了強烈的抑制。在每分鐘4轉(4 RPM)的條件下,與未旋轉的對照組相比,UD1022處理的植物其氣孔開口寬度

發光矮牽牛(petunia)即將於美國上市

  圖片來源: Nature 在1986年,第一株發光植物--發光的煙草( Nicotiana tabacum )問世了。那時候,就聽到有人說,或許有一天,我們可以讓路樹發光,那樣就不需要路燈,可以省下許多電費。 聽起來很棒,不是嗎? 今天的新聞提到,由 Light Bio公司 製造的「螢火蟲矮牽牛」(Firefly Petunia)即將在美國上市。事實上,美國本土48州已經可以預購了。 從發光煙草到螢火蟲矮牽牛,這條路走了將近40年。 對Light Bio的CEO與共同創辦人Keith Wood來說,這尤其意義非凡,因為他就是當初做出發光煙草的人。 但是,螢火蟲矮牽牛與發光煙草,完全是兩回事。 當初的發光煙草,是植入普通東方螢火蟲( Photinus pyralis )的冷光素酶(luciferase)。螢光素酶需要接觸到它的受質「冷光素」(luciferin),將冷光素氧化後才會發出冷光。所以,這樣的發光機制意味著,你要提供它冷光素,才會看到光。如果真想要把它拿來當作路燈,是非常不實用的。 不過,冷光素酶在生物科技上的應用非常廣泛。它被拿來當作所謂的「報告基因」(reporter gene)使用。科學家只要把相關基因的啟動子(promoter)後面接上冷光素酶的基因,就可以定量該啟動子在特定狀況下的表現量。 但是,對於想要看植物在黑暗中自己熠熠發光的人們來說,冷光素酶顯然不是選擇。 後來有從維多利亞多管發光水母( Aequorea victoria )中分離出來的綠色螢光蛋白(GFP,green fluorescent protein)。綠色螢光蛋白不需要受質,但是它需要光的刺激:395 nm和475 nm分別是最大和次大的激發波長。所以,要它發光,要額外提供給它395 nm的光波。這也是為什麼,之前曾經引起一波熱潮的螢光魚,需要購買特殊的燈管。 自然界會發出冷光或螢光的,也並不只限於螢火蟲與水母。還有一大群蕈類,也會發出螢光。即將上市的螢火蟲矮牽牛,其實是植入了小皮傘科(Marasmiaceae)的 Neonothopanus nambi 的整條螢光途徑。這個基因需要咖啡酸(caffeic acid)作為受質,不過植物本來就會合成咖啡酸,所以不是什麼大問題。 2023年9月,美國農業部核准了螢火蟲矮牽牛上市。為了要通過審查,Light