減緩極端氣候 土壤碳匯對「碳中和」扮演重要角色

撰文／楊秋忠　中研院院士、中興大學講座教授、地天泰農業生技創辦人

地球「發燒」了！

根據聯合國世界氣象組織《2023年全球氣候狀況報告》資料，2023年是1850年有全球氣溫紀錄以來最熱的一年，相較於20世紀的平均溫度高了1.18度，科學家公認是工業革命以來地球最熱一年；全球各地熱浪、野火事件頻傳，連亞馬遜雨林都出現乾旱現象。

地球為何發燒？如何拯救？第一個問題大家很清楚，人類工業革命後，主要問題是地球「碳循環」的失衡。「碳循環」中最大量的動態，是陸域與海洋的生態系、沉積物等，由於呼吸作用、沉積物擾動、氣壓差等因素釋出二氧化碳到大氣，而包括高等植物、藻類及微生物的固碳作用，也會固定空氣中的二氧化碳，形成碳循環。

過去地球大氣碳循環的二氧化碳進出量相當平衡，但工業革命後因人類大量開採燃燒石化燃料、使用水泥及改變土地利用型態，目前每年約向大氣釋出9至10 GtC，導致大氣中二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等溫室效應氣體濃度上升，引發全球氣溫暖化與極端氣候的問題。（按：1GtC＝1 gigaton of carbon 表示10億公噸碳）

如何拯救，主要關鍵是全球「碳循環」不平衡，因此減少溫室效應氣體的「碳中和」（carbon neutrality）是解方，已成為全球關注焦點。本文希望讓讀者了解現今「碳中和」的方法與瓶頸，及如何發揮土壤功能，扮演拯救地球「發燒」的角色。

人類的作為確實會影響地球，讓地球恢復碳循環的平衡，良好的土地管理利用不可或缺。（圖片來源／elizabeth lies on Unsplash）

達成「碳中和」的主要方法優勢及瓶頸

地球需要以「碳中和」來「退燒」，現今「碳中和」的方法主要有三種方法，分別說明如下：

1. 減少碳排放（減排）：減少碳排放是先需要工、商、農業界及生活多方盡力參與碳盤查後的減碳方法，層面較廣，以使用綠能、節能減碳策施及減少碳足跡為主軸。但有些工業製程及工藝就是耗能高的產業，減少碳排放需要下很大的功夫及成本，也因此衍生出「碳抵換」（carbon offset）與「碳權」（carbon credit）相關交易機制。全球需要一致的明確政策及誘因制度導引才能獲得成果。
2. 碳捕捉及封存（carbon capture and storage, CCS）：碳捕捉及封存是指應用於工業設施，如發電廠、水泥廠或鋼鐵廠，早期由油氣礦區開始，提取廠區內二氧化碳並固定，然後移至地下或海底封存；油氣礦區會將二氧化碳加壓液化，注入油田增加開採效率。全球企業及政府已投資上百億美元，但碳捕捉及封存耗能，成本仍不符經濟效益，需要有降低成本的技術及經營運作，以及政府激勵的政策，才能有經濟、安全及有效的碳捕捉及封存。
3. 自然碳匯（natural carbon sinks）：自然碳匯是地球上最大量的碳庫，包括生物及土壤／沉泥的碳儲存。生物碳吸存可分為陸域森林（綠碳）、土壤（黃碳）及海洋（藍碳）等自然方法，各國已在實踐用以減少大氣的二氧化碳。土壤碳吸存是生物體的殘體及微生物的作用形成穩定結構的有機及無機的碳，儲存在土壤與海洋沉泥中，碳儲存可達數千萬年，土壤／沉泥的碳儲存以「小兵立大功」的方式增加有機及無機的碳儲存。

以上「碳中和」三大方法各有其優勢及瓶頸，如下表所列。政府的政策是導引「碳中和」成功或失敗的關鍵，需要「胡蘿蔔與棒子」的政策及確實執行的決心才能收效，也更需要科研創新技術的發展，以降低成本及精進達成目標。

土壤碳匯為何是地球救星？

從地球碳循環的總量及動態的觀點，全球陸域每年碳循環120 GtC/year，植物自身呼吸釋出約60 GtC回到大氣，剩餘60 GtC經植物光合作用形成有機物質再進入土壤，自然狀況下經微生物分解及呼吸作用回到大氣，每年也達60 GtC，已知幾千年間都達平衡狀態。

工業革命之後，現今人為碳排量達9至10 GtC/yr，相較於陸域有機物分解及呼吸作用回到大氣的60 GtC/yr仍小很多。因此，著手減緩陸域有機物因分解及呼吸作用釋出二氧化碳，是積極、大量抵銷碳排放的有效作法。

聯合國農糧組織（FAO）2023年底出版的《2023年FAO統計年鑑》統計，至2021年全球全球農業用地約47.9億公頃。依估計，增加土壤中1%穩定的有機質含量，可以增加碳匯約63 GtC，土壤碳匯的潛力很大；9到10 GtC/yr的人為汙染量，估算只要全球農地土壤約增加0.14%有機質含量即可有效抵銷。而在2015年聯合國氣候變化大會（COP 21）便已啟動「千分之四倡議」，旨在確保農業在應對氣候變遷方面發揮作用，在表層30至40公分的土壤中，碳含量每年增加土壤碳含量的0.4%，大氣中二氧化碳（CO2）的每年增加就會停止，可兼顧土壤促進糧食安全和解決氣候問題。

依據聯合國環境署2024年版《食物浪費指數報告》指出，2022年人們浪費了約 10.5億噸食物，相較於2021年統計呈上升趨勢。食物浪費的有機廢棄物約占世界碳排放總量8～10%，現今有機廢棄物處理仍以焚燒及掩埋為主，焚燒會增加大氣二氧化碳量等溫室氣體及空氣汙染問題，掩埋後有機物的分解也會產生二氧化碳、甲烷及氧化亞氮等溫室氣體。

為減少有機物處理、分解等碳排，可將有機廢棄物製成有機質肥料或穩定的土壤改良劑，使有機物回到農田，透過土壤微生物的轉化及穩定化形成不易分解的土壤有機質，成為「土壤碳匯」的碳源增加碳匯。此法不僅能助益農業生產、維持土壤地力邁向永續農業，又解決有機廢棄物，還有機會申請碳權、協助達成淨零排放的「碳中和」目標，有一舉數得之效，是最具潛力且可行性的方法。

食物等有機廢棄物再利用，比如製成生物炭，對降低氧化亞氮等溫室氣體排放是有效方法。（圖片來源／Joshua Hoehne on Unsplash）

增加土壤碳匯的要領及技術

增加土壤碳匯的要領，主要是取決於有機碳（organic carbon，指含碳有機質）對土壤「輸入」要大於「輸出」的速率。若輸有機碳入量愈大，而碳的輸出量愈少，則土壤碳匯量愈大。說明其方法如下：

1. 增加土壤有機碳含量的「輸入」方法：

（1）直接施入有機質到土壤：就是充分利用所有有機物，包括植物、動物、微生物的殘體、排泄物、分泌物等有機物資材，可採用施入有機質、適量施肥／氮素、及種植綠肥，或以作物與豆科植物之輪作、敷蓋（mulch）殘體、將一年生作物轉化多年生草及豆類，以及復育高度退化的土壤等方法，以增加作物殘體，來增加土壤有機碳含量。因直接施入土壤的生鮮有機質較容易被微生物分解釋放二氧化碳，導致微生物作用活躍的亞熱帶及熱帶地區之土壤碳匯不如溫帶及寒帶地區。

（2）先處理有機物，製成穩定的有機質再施入土壤：有機物先處理穩定後，如製成堆肥、生物碳等，再施入土壤中，能更有效的增加土壤有機質含量；國內外都尋求能快速處理的資材、方法，如國內研發之TTT酵素。有機質施入土壤前的處理目的，是要使有機質構成較穩定的構造，才能在土壤中延長碳儲存的時間。例如有機質經酵素反應或微生物腐熟化的有機質肥料／堆肥，或先經熱處理的生物炭（biochar），才容易增加土壤中的穩定及持久有機質的含量。

（3）增加土壤微生物固碳及固氮：以施用光合微生物及固氮之微生物製劑的方法，增加土壤微生物固定二氧化碳可增加土壤有機及無機碳源，而微生物固定的氮素有助土壤的穩定有機質結構的功效，即可促進土壤碳儲存。增加土壤微生物固碳及固氮作用對增加土壤有機質含量的效果受環境的影響最大。

2. 減少土壤有機物分解「輸出」的方法：

（1）利用農業栽培管理：在農業栽培管理方面，主要原理是降低地土壤溫度及氧氣含量，以減少土壤有機物之分解。可採用敷蓋殘體及覆蓋作物以降低地土壤溫度；可採用將一年生作物轉化多年生草和豆類或植樹，以及免耕／最少耕犁（No-till farming or lowtill farming）及長期種植水田等方法，都能降低土壤氧氣含量，減少土壤有機物分解。此外，減少施用化學肥料及農藥，可緩減土壤有機質分解及劣化問題。

（2）增進土壤有機物轉化成穩定有機質：土壤中的穩定有機質是最不容易被分解的有機質型態，穩定高的有機質可以保存數千百年。可利用物理法增加結構安定性、化學法增加芳香族及氮素成分的穩定及聚合程度，及生物法增加酵素的多樣性，以達成增加土壤有機物的穩定化過程，形成穩定的有機質構造。

綜合上述農業管理增加碳匯的方法，主要作用機制如下表所示：

影響土壤碳匯的因素

1. 人為因素：現今有機廢棄物再利用的政策及執行，需要環境部與農業部跨部會整合檢討重視，否則要增加有機廢棄物再利用的量仍有很大困難。有機廢棄物原本大多就直接或間接來自土壤，能回到土壤是真正實踐「循環農業」、「循環經濟」的最後一哩路。
2. 環境及管理因素：土壤有機物分解的流失速率主要受氣候、土壤及栽培管理等多種因素控制。氣候因子主要是溫度和降水，土壤則是包括土壤的物理狀態、化學成分、生物因子等影響。作物栽培管理，及施入土壤中的有機資材的結構型態及成分，也是土壤碳匯多寡的關鍵。有機資材經酵素或微生物技術處理、堆肥化、碳化，可有助土壤碳匯的功能。

人類生活影響地球環境，是當今地球上的事實，氣候變遷反撲人類生活，也是當今地球上的事實。人類要從新開始調整生產及生活方式，從農業角度，需要盡快做出明智的土地利用和管理決策，以增加土壤有機質儲量。因此，採用低碳農業的技術、加速擴大規模，以增加土壤碳匯，已有其迫切性。相關作法需要政府制定土壤碳匯認證監管框架，目前農業部已提出「改進農業土地管理方法學」草案送交環境部，未來更需要政府以政策與計劃來激勵農民，實踐更多低碳農業方法。

良好的農業管理可以減少碳排，且能夠具一舉數得之效。（圖片來源／chen yanhui on Unsplash）

資源循環減少碳排，事在人為

要增加施入土壤的有機質量，應改變現在有機物、有機廢棄物未能充分及有效利用的問題，例如焚燒及掩埋廢料中，有大量可再利用的有機質，及都市及鄉村的有機物沒充分及有效利用。

個人倡議，未來循環經濟推動，減少產生大量甲烷，將所有可用的有機廢棄物或農業剩餘資材，均有效施入土壤或其他方式再利用；此舉對於增進土壤、植物碳匯，乃至生態，均能有直接間接的助益，應在此類思考基礎上，增加生態系統服務給付（PES）及碳匯可納入的辦法，或提供相關獎勵、媒合企業ESG合作。

有效利用有機物／有機廢棄物的土壤碳儲存，不僅可減緩氣候變遷，而且可增進土壤地力及植物養分有效性及經濟循環，可確保農業糧食安全，又可解決有機廢棄物的焚燒、掩埋及亂棄的環保及大氣汙染問題，一舉數得，是值得全人類大力推動、於「發燒」困境中拯救地球的方法。

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