挽救我們的土壤

知識新知 07/01/2011


面對人口增加與糧食需求問題,研究人員必須攜手合作,緩和目前嚴重的土壤損毀,想辦法挽救地球上最珍貴卻岌岌可危的這個資源。

許多研究人員致力於如何增強農業,以面對這人口日增而糧食短缺的世界。然而,他們卻閃避了地球的土壤如何負荷的問題。

地球上的土壤岌岌可危。過去十年來,中國西北乾旱塵暴區的狀況,內蒙古草原的沙漠化,以及橫越非洲中北部的廣闊沙塵暴,都可作為見證。世界上某些地方的土壤流失,每公頃一年超過五十噸,比土壤形成的速率快上一百倍。換句話說,在某些地方,我們每年流失將近半公分土壤層的珍貴資源。

與此同時,地球人口和財富增加,農業生產必須大幅增強,才能因應二○三○年糧食需求增加百分之五十,二○五○年可能增長一倍的情勢。這些數字並不樂觀。

科學家有必要儘速研擬一套土壤流失和惡化的預測架構,以便有系統的評估可能的解決方法,並採取最好的辦法。

有一條具前景的路。過去四年來,在各地的設立臨界層觀測站,已經建立起一個田野調查站的全球網絡。跨領域的團隊研究土壤生產與惡化的原理,致力設計量化的預測模型。這個計畫有很大的潛力。如果國家計畫之間有更緊密的合作,計畫與決策者有密切的整合,這個計畫可以加速,也應該加速。

嚴重流失

土壤位於地球「臨界層」的中心,臨界層是從樹冠層頂端延展到我們地下蓄水層底部的薄薄護面。當岩石碎裂、溶解,經由土壤有機物的作用,變成微粒,與腐敗的生物群和活的微生物相結合,成為較大的聚集,土壤就形成了。一塊肥沃的土壤至少有百分之六十是這種零點二五至十公釐的微粒。這些聚集物的礦物養份和有機養份極為均衡,是經由微生物作用,成為有益於植物的物質。土壤聚集物之內和之間的孔隙,保有足夠的水份讓生物成長,並促進排水,而且使得氧能到達植物根部。

當土壤被雨水從原野上沖走,或是乾旱時被沙塵暴掠走,這組合而成的自然資源就流失了。土壤惡化,則是由於污染,由於灌溉水蒸發後鹽份聚積,由於密集使用機械造成顆粒密實。而城市鋪蓋在土壤之上,可以說是把土壤封起來了。自從一九五○年以來,歐洲城市在地理上拓下的印記,已經增加了將近百分之八十,而且還在持續擴大。在較暖和的條件下,微生物分解有機物質較快,於是二氧化碳和其他溫室氣體釋放到大氣中,有利的土壤聚集物流失,養份迅速枯竭。一份研究估計,英格蘭和威爾斯的土壤,每年流失百分之零點六的碳含量,這可能是拜氣候變遷之賜。

生命支撐

土壤的功用遠超過支持農業和林業,還能貯藏碳、過濾水、轉變養份、維持生物多樣性。農耕增強及其他人為改變之後,這些重要角色會如何變化,要如何因應農業而加強,而這又會如何影響人類,尚未知曉。

臨界層觀測站是設計來填補這些知識空缺的。美國國家科學基金會已經投資三千萬美元,挹注在六個臨界層觀測站和十一個分站。這主要是基礎科學的工作,為了解在各種環境裡,臨界層的發展變化和土壤的作用過程。從亞利桑那的乾地,到波多黎各的熱帶雨林,從沿岸的德拉威,到洛磯山脈,這些不同環境都在研究的範圍內。

歐盟執行委員會也投注資金,支持耗費一千萬美元的臨界層觀測站計畫。這項計畫有十個站,分布在歐洲、美國、中國,研究如何緩解土壤的危機。四個核心的歐洲站代表土壤循環的各個關鍵階段。在瑞士的達瑪冰河站,研究人員研究過去一百五十年來,地球暖化導致冰河後退,因而暴露的岩床上新土壤形成的發展階段。在奧地利的富其仙比哥站,研究自上一次的冰河作用,開啟了數千年來土壤形成的進展階段,造成沉澱物在多瑙河沿岸堆積氾濫平原上土壤的肥力。捷克的里希納站,研究的是二十世紀末葉酸雨侵害的地區,人為管理的森林裡土壤的復原。希臘克里特島的可伊利亞里斯站,則有受到千年農耕影響的成熟土壤,而由於地球的暖化,土壤沙漠化的危機迫在眉睫。

結合這些觀測站,可以為多種目的提供資料,設計出土壤品質的預測模型;對於土壤生態系的益處估算金錢價值;評估土地經營方式改變後環境所付出的代價。這些都是重要的階梯,循此可以主動設計出解決問題的辦法,以增強農業,中止沙漠化,並貯存更多大氣中的碳,而不傷害土壤未來的價值。

現在世界各地有超過三十個臨界層觀測站,有極大的潛能使土壤研究改觀。舉例來說,若再加上從撒哈拉到北極的臨界層觀測站,將有助於評估氣候對土壤的影響。這對沿地中海區域尤其急迫,跨政府氣候變遷小組預測,這個地區在本世紀氣溫會上升攝氏一至五點五度,主要在夏季,到二○七○年,降雨量會減少百分之三十至四十五,地表流動的雨水會減少百分之六至三十六。利用土壤品質的量化模型,可以評估不同的緩解策略,從減少放牧到復興梯田,鼓勵堆肥或改變農作物的混合,看看利弊得失如何。

臨界層觀測站的努力仍然遺漏了兩個重要部分。其一是研究方法上更好的國際整合,在這一方面的努力才剛起步。二○○八年九月,可伊利亞里斯觀測站主辦首次的聯合培訓,有歐洲、中國、美國的團隊參加。二○一○年,位於大學公園的賓州大學,在歇爾山觀測站進行一門田野課程;波多的科羅拉多大學,今年六月在波多溪臨界層觀測站主辦年輕科學家的專題研討會。這些團隊正在設計方法,以便製作出所有觀測站通用的資料集和模型,來研究地理範圍更廣的臨界層環境,拓展知識的疆界。

第二個遺漏的部分是與政府和商業活動更密切的合作。由歐洲政策直接推動的研究,和美國國家科學基金會的基礎研究,是有力的結合。若是在研究的計畫中納入商業夥伴,將有助於把研究成果轉換成實際的解決方案。

挑戰是很顯然的。我們需要精準的預測方法,來量化土壤的自然資本,並作最好的利用,來評估該守成還是該擴張,以決定如何振衰起敝。我們必需在十年內做好這些事。

(本文為二○一一年六月九日《自然》雜誌的專文,文章是由英國雪菲得大學奎托研究院主任班瓦特(Steve Banwart)與他領導的SoilTrEC研究聯盟協力完成)
【知識通訊評論月刊一○五期】2011.07.01

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