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永續土壤資源保育——知「微」知章

國立中興大學環境工程學系吳向宸助理教授 12/03/2020 464 點閱

  隨著全球環境保護意識的興起,國際間近年皆立志朝向更加永續的方向發展。最近一次聯合國的國際永續發展目標(Sustainable Development Goals, Goal 17; www.un.org, 2015),在環境保育的共識上,涵蓋了朝向永續農業消除糧食危機、永續水資源管理確保用水權益、永續能源發展與供給、綠色消費與永續工業生產模式、減緩氣候變遷及全球暖化、永續海洋與森林資源利用、以及減緩土地沙漠劣化速度等目標,皆希望全面性地保護現今的地球資源,讓我們的後代可有充裕的可用資源與良好的生活環境。而其中牽涉多項永續發展的關鍵資源-「土壤資源」,往往因隨手可得的印象而容易遭大眾忽略其重要性,但其與永續農業、糧食危機、生態環境等方面皆息息相關。

一、土壤資源的重要性

  土壤形成的由來是岩石透過長時間物理、化學及生物作用後風化而得,具有多種類型與特性,屬於一種無法短時間再生的資源,因此十分珍貴,而一旦遭受破壞、污染或是退化,則很難藉由人工手段達到立即復原的效果。作為農作物生長的介質,蘊含並提供植物生長的必要元素,為土壤資源的主要功能之一,而持續維持質地健康且肥沃的土壤資源,才有助於維持農作物充足的產率,達到永續農業經營的成果,進而消除飢餓與糧食危機的風險。但如此珍貴的天然土壤資源,目前正以極快的速度逐漸消失。

二、土壤資源的破壞情形

  土壤退化(degradation)與污染(contamination)情形,為造成土壤資源破壞的主要因素,現今已將土壤退化視為是一種全球型的災害(Delong et al., 2015),其退化的成因主要經由大量土壤沖刷、侵蝕、鹽化、酸化、或壓實等過程所衍伸,且特別容易發生在農業密度較高的國家,例如:印度、南非、中東、中南美、以及東亞地區,而臺灣也被評估列為土壤相對退化程度較高的區域之一(Rekacewicz, 2008),顯示臺灣的土壤資源正深受土壤退化所影響。

  此外,農田土壤污染也是臺灣土壤資源面臨破壞的另一因素,由於臺灣農地經常坐落於工業住宅混合區域,過去公共排水及下水道尚未建設普及時,容易導致工業放流水或生活污水意外混入農業灌溉用水,導致農田遭受重金屬或有機污染物之污染。根據國內行政院環境保護署之統計資料,全臺至今仍有1,455筆農地遭受污染而成為公告場址(sgw.epa.gov.tw),由此可知我們寶貴的土壤資源正在面臨十分嚴峻的挑戰與衝擊。

三、綠色生物復育程序推向永續農業

  為了減緩與復育土壤退化及污染的問題,針對土壤資源以綠色生物復育程序之發展則具有相當重要的意義。土壤環境中天然存在許多不同種類的微生物,其族群會因為土壤資源所承受的環境條件、耕種方式、使用頻率與目的不同,而產生不同的微生物族群組成。如圖中分布情形結果可觀察到,密集耕種土壤與使用天然工法之有機耕種土壤,其微生物族群多樣性比重之差異,而這些微生物族群的種類,已逐漸成為評估土壤資源健康度的指標。除此之外,具有特定功能的微生物物種,近年來也被大量研究以了解其對於永續農業之應用性,其應用層面可初步分為以下三類作介紹。

密集耕種與有機耕種土壤微生物族群多樣性(界分類層級)分布情形

 

  1.面對土壤肥沃度與耕種效力方面,添加植物生長促進根圈微生物族群(plant growth promoting rhizobacteria)可做為「生物肥料」,過去熟知之根瘤菌(Rhizobium sp.)與慢生根瘤菌(Bradyrhizobium sp.)可協助固定氮氣轉化成氮肥,而溶磷菌(phosphate solubilizing microbes)則有助於協助植物磷源的攝取;另外,可分泌植物生長刺激荷爾蒙之微生物(Bacillus sp.或Enterobacter sp.),則有助於加速植物生長或達到更佳的作物產率(Lugtenberg and Kamilova, 2009),並同時減少化學肥料之施用。

  2.面對作物病蟲害方面,特定微生物則對於目標病蟲害具備「生物農藥」的功能。芽孢桿菌屬(Bacillus sp.)與假單胞菌屬(Pseudomonas sp.)族群,發現其可對鱗翅目幼蟲、蚊蟲幼蟲、蚋、蕈蚊等昆蟲產生殺蟲效果,可有效減少病蟲害對於耕種植物的衝擊(Copping and Menn, 2000),也可免除化學農藥的噴灑。

  3.面對土壤環境污染方面,添加可降解或轉化有毒污染物至低毒性甚至無毒產物之微生物族群,可使土壤資源透過「生物整治」加速達到淨化。過去時常施用但現今已逐步被禁用之有機氯類型化學農藥,例如:滴滴涕、靈丹、安殺番、可氯丹等,其殘留於農地土壤中易造成健康疑慮之環境問題,而許多有益之微生物族群,包含產鹼桿菌屬(Alcaligenes sp.)、博德特氏菌屬(Bordetella petrii)、鞘脂單胞菌屬(Sphingomonas paucimobilis)等(Uqab et al., 2016, Kumar and Pannu, 2018),可有效將上述幾類有機氯農藥轉化降解,降低污染物對健康影響之風險。

  整合「生物肥料」、「生物農藥」與「生物整治」三大功用微生物族群,有機會達到同時兼顧土壤肥沃度、作物病蟲害防治與土壤污染淨化的效應,成為以綠色生物復育程序,使農業經營與土壤資源利用朝向永續發展的目標。各類微生物所存在的特色與功能千變萬化,不僅可應用在土壤資源的保育,在其他各類天然資源也有許多功用,因此仍需要大量研究工作與人才的投入。小小的微生物細胞中即存在巨大潛力,能用來解決許多環境中我們所面臨的問題,善用牠們的特性將其發揮至適性之處,則可讓許多地球資源朝向永續經營維護的期望。

 

參考文獻:

https://www.un.org/sustainabledevelopment/sustainable-development-goals/

https://sgw.epa.gov.tw/ContaminatedSitesMap/Default.aspx

Copping, L. G., & Menn, J. J. (2000). Biopesticides: a review of their action, applications and efficacy. Pest Management Science: Formerly Pesticide Science, 56(8), 651-676.

DeLong, C., Cruse, R., & Wiener, J. (2015). The soil degradation paradox: Compromising our resources when we need them the most. Sustainability, 7(1), 866-879.

Kumar, D., & Pannu, R. (2018). Perspectives of lindane (γ-hexachlorocyclohexane) biodegradation from the environment: a review. Bioresources and Bioprocessing, 5(1), 29.

Lugtenberg, B., & Kamilova, F. (2009). Plant-growth-promoting rhizobacteria. Annual review of microbiology, 63, 541-556.

Rekacewicz, P. (2008). Global Soil Degradation. UNEP/GRID-Arendal—From Collection: IAASTD—International Assessment of Agricultural Science and Technology for Development.

Uqab, B., Mudasir, S., & Nazir, R. (2016). Review on bioremediation of pesticides. J Bioremediat Biodegrad, 7(343), 2.

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