土地利用型對土壤有機物劃分的影響

整理前人土壤有機物劃分的研究，不論研究地點、土地利用型，都是重質部或 礦物關聯部 (mineral-associated fraction) 的碳濃度最低，但由於所占重量最重，蘊 含的碳含量為有機物劃分中最多 (Paul et al., 2008; 李海波等, 2008; He et al., 2009;

Wagai et al., 2009; Grüneberg et al., 2013; Poeplau & Don, 2013)。本研究除了梅峰 NT (58.62%) 與武陵 NT (46.8 %) 的重質部碳含量比例低於六成以外，其他的重質部 碳含量比例都超過六成 (圖 9)。

LF 跟 IAF 的碳濃度較 HF 高 (表 8)，但重量較輕 (表 9)，使得其碳含量相對 較少 (圖 9)。本研究的結果同李海波等 (2008)、Grüneberg et al. (2013)、Poeplau &

Don (2013) 等的研究，顯示輕質部碳含量多於團粒內有機物；但也有研究指出團 粒有機物的碳含量多於輕質部 (Paul et al., 2008; Wagai et al., 2008)。推測不同研究 的輕質部與團粒內有機物碳含量組成比例趨勢不同的原因，可能是受到分離流程 差異 (例：有無震盪或超音波粉碎的能量差異) 的影響 (附錄表 1)。

輕質部 (LF)

少與礦物結合的輕質部 (LF) 碳含量是最容易受到土地利用變遷而改變的有 機物劃分 (John et al., 2005; Leifeld & Kögel-Knabner, 2005; Paul et al., 2008; Poeplau

& Don, 2013)。Paul et al (2008) 及 Poeplau and Don (2013) 分別在熱帶及溫帶做出 的有機物劃分，兩篇研究均顯示農 (牧) 地廢耕、造林後，因為植物殘體的輸入增 加，碎屑有機物 (particulate organic matter，是經濕篩法再經密度劃分的土壤有機 物，儲存穩定度類似本研究的 LF) 的碳含量會提升。本研究之實驗結果與前述研 究大致相符，瑞穗和清境的廢耕造林地 LF 碳含量顯著多於耕犁農地 (p < 0.05)，

梅峰、武陵與名間樣區是同趨勢 (F 多於 T)，但未達顯著水準 (Tukey HSD 事後檢 定的 p 值分別為 0.57、0.07 與 0.26)，暗示耕犁農地廢耕造林可提升輕質部碳含量。

除了自然有機物輸入增加造成的輕質部碳含量提升，農地若有外加有機質肥 料，則輕質部、團粒內有機物的碳含量也會增加 (李海波等, 2008)。圖 10 (a) 瑞穗、

武陵和梅峰樣區 NT 的 LF 碳含量多於 F 與 T，可能即為 NT 受到有機質肥料的影 響。以現地採樣觀察的印象，瑞穗、武陵和梅峰樣區的無耕犁農地土壤，其土壤顏 色較深，有機質質地鬆散，且外觀上未與土粒形成形成穩定的團粒構造，使得執行 土壤有機物劃分實驗能分離出較多的 LF (表 9)，印證了樣區內有機質並沒有跟礦 質土緊密結合，容易與礦物分離而懸浮於碘化鈉溶液中。梅峰、武陵與瑞穗樣區的 輕質部碳濃度同時也比同地點的 T 與 F 高 (表 8)。因此，曾經施加有機質肥料的

無耕犁農地，輕質部的碳含量較多 (表 9)。

團粒內有機物劃分 (IAF)

梅峰與瑞穗樣區的無耕犁農地同樣受前述有機質肥添加的影響，造成 NT 的團 粒內有機物 (IAF) 碳含量最高。若只比較耕犁農地 (T) 及廢耕造林地 (F)，瑞穗、

名間及武陵樣區都是 F 的 IAF 碳含量多於 T，清境樣區則是三種土地利用沒有顯 著差異 (圖 10 與表 8)。瑞穗、名間與武陵樣區的廢耕造林地 IAF 碳量能比耕犁農 地的高，可能是因為此三地的廢耕造林地都有茂密的草本植物，而草的生命週期短、

細根生產量大 (Woods et al., 1992)、根系分泌物有助於團粒形成 (Traoré et al., 2000)，

使廢耕造林地較容易以團粒的方式儲存碳，團粒內有機物劃分碳含量因而較 T 高。

Poeplau and Don (2013) 曾提及農地廢耕成草地可提升團粒內有機物，故筆者推測 本研究此三地點樣區的 F 的 IAF 碳含量較 T 多，可能受到草的影響。至於另外兩 個 F 與 T 的 IAF 碳含量沒有顯著差異的地點：梅峰樣區的水杉造林地地表覆蓋著 枯枝落葉層，農場又考量園區觀光而定期除草，導致林下幾乎無草本植物；清境的 肖楠造林地位於坡面、林蔭下僅少量蕨類植物。此兩處共通點是草本植物較武陵、

名間與瑞穗樣區少，因而本研究推測可能是地被草本植物多寡影響到團粒內有機 物的碳含量。

重質部 (HF)

Tong et al. (2016) 主張農地廢耕造林會顯著增加重質部的碳含量，卻也有溫帶 地區的研究表示重質部因分解轉換率慢，所以碳含量不易隨土地利用變遷而顯著 變化 (Poeplau & Don, 2013)，本研究中的不同地點結果各異，有的地點重質部碳含 量顯著變化，有的則無。只有低海拔的名間、瑞穗 F 重質部碳含量顯著多於相鄰的 T 及 NT；梅峰呈現 F 多於 T，但是 NT 的 HF 碳含量比 F 更多；武陵及清境則是 三種土地利用的 HF 碳含量無顯著差異 (圖 10)。本文探究造成土壤重質部碳含量

能否顯著改變的可能原因有兩個：一是土壤有效性氮的含量與有機物分解作用，二 是土壤質地。

有效性氮 (available nitrogen) 的充足與否可能會影響有機碳於不同劃分間移 轉，如 Neff et al. (2002) 指出長期施加氮肥雖不會顯著影響全土 (bulk soil) 碳濃 度，但是施肥會促進微生物作用而加快 SOM 分解轉換，使有機物從 LF 變成更穩 定的 HF 儲存。類似的想法也出現於 Wagai et al. (2008) 在婆羅洲闊葉林的研究，

海拔高的樣區枯落物氮含量較低，分解作用比較慢，所以礦化釋出的氮可能比低海 拔的少且釋出緩慢，但不同海拔的微生物將一單位有機物由輕質部轉換為重質部 所需的氮差不多，導致海拔較高處受限於有效性氮，土壤有機物較難由輕質部轉為 重質部，而以輕質部或團粒有機物的形態儲存碳。由此推測，本研究的名間與瑞穗 樣區 F 的 HF 碳含量會比 NT、T 高，可能是因為低海拔氣候較溫暖、闊葉樹枯落 物相對容易分解，林地的微生物能較快將 SOM 由 LF 轉化為 HF，所以此二地點的 農地廢耕造林後，林地與相鄰農地的重質部碳含量能有顯著差異。

第二個可能影響重質部碳含量的是土壤質地。如表 2 與表 3 所示，重質部碳 含量沒有顯著變化的武陵及清境樣區，坋粒及黏粒的比例較低 (武陵 37.5-45.0 %，

清境 43.7-58.7 %)，HF 碳含量顯著變化的梅峰、名間與瑞穗的坋粒及黏粒的比例 較高，三地點坋粒及黏粒的比例分別為 56.3-66.3%、78.7-88.7 % 與 76.3-80 %。坋 粒及黏粒有助於保存土壤有機碳，坋粒及黏粒的含量比 (silt and clay content %) 與 其碳含量 (silt and clay associated C) 顯著正相關，砂粒則無此關係 (Hassink, 1997;

Six et al., 2002)。因此，推測可能是黏粒與坋粒比例較高的土壤，礦質土表面積較 大，土壤有機碳儲存於土粒表面，所以梅峰、名間與瑞穗樣區廢耕造林後，有機碳 可被細顆粒礦物穩定保存，重質部碳含量顯著提升；武陵與清境樣區的重質部碳含 量雖然也有增加之勢，但未達顯著差異 (圖 10)。

4.5 土壤有機物劃分的碳 13 固態核磁共振光譜分析

土壤有機物以密度劃分的實驗與理論，是以土壤有機物與礦質土的結合形態，

影響土壤動物及微生物對土壤有機物的可取得性 (accessibility)，推判三種有機物 劃分的分解難易度，進而推測不同劃分於土壤的儲存時間長短 (Kutsch et al., 2009)。

若要討論土壤有機物劃分的成分差異，也就是「化學性差異」，則需要藉助其他儀

器，如：固態碳 13 核磁共振圖譜。固態核磁共振圖譜 (solid-state nuclear magnetic resonance，以下簡稱 NMR) 可提供土壤有機物化學組成的線索，作為分解難易度 與分解程度的佐證 (Wilson, 1987; Baldock et al., 1997)。

同土地利用型、不同有機物劃分間的比較

據前人研究指出：枯落物或初步分解的有機物，O/N-alkyl-C 較多、alkyl-C 較 少，使其 alkyl-C 及 O/N-alkyl-C 的訊號比值會較低，當分解過程持續進行，O/N-alkyl-C 會漸減、的訊號比值會較低，當分解過程持續進行，O/N-alkyl-C 漸增 (Baldock et al., 1997; Kögel-Knabner, 1997)，使得分解 較後期、與礦物結合較緊密之有機物的 alkyl-C 及 O/N-alkyl-C 訊號比值會比較大 (Mueller & Koegel-Knabner, 2009)，本研究的 LF 與 IAF 就呈現如此關係，IAF 的 alkyl-C 及 O/N-alkyl-C 比值較 LF 大 (表 10 與表 11)，代表 IAF 應為分解較後期的 土壤有機物劃分。

此外，若有機物的 aromatic-C 訊號較強，代表芳香族的有機物較多，暗示該有 機物可能較難分解 (Mueller & Koegel-Knabner, 2009)，本研究 IAF 的 aromatic-C 訊 號也比相對應的 LF 強。結合以上所述，肯定了 IAF 與 LF 相比，LF 屬於分解初 期、較容易分解的有機物，而 IAF 則是分解較後期且較難分解的有機物劃分，與 其他研究的結果一致 (Helfrich et al., 2006; Mueller & Koegel-Knabner, 2009; Boeni et al., 2014)。

同種有機物劃分、不同土地利用型的比較

比較三種土地利用型輕質部的 alkyl-C 與 O/N-alkyl-C 訊號，除了名間農地 (T 及 NT) 是 alkyl-C 較林地多、O/N-alkyl-C 比林地少，其餘四個地點的都是 F 的 alkyl-C 較 T 多、O/N-alkyl-C 較 T 少，但是 NT 就不一定多或少於 F (表 10)。若照 Boeni et al. (2014) 研究所述，有機物輸入越多的地點，因為新鮮的植物殘體輸入 豐富，O/N-alkyl-C 的訊號應該會比較強。然而，在名間樣區的 F 與 T 之間，F 有 機物輸入應該較 T 多，但 O/N-alkyl-C 的訊號卻比較弱。此現象在 Helfrich et al.

(2006) 也曾提及，因廢耕造林地的分解作用在枯枝落葉層就已開始，賦予 O/N-alkyl-C 訊號的多醣類 (polysaccharides) 可能在進入土壤前就已被微生物分解與消 耗，造成廢耕造林地土壤所分離出的輕質部 O/N-alkyl-C 訊號會比農地弱。

清境與名間輕質部的 alkyl-C、O/N-alkyl-C 比值是 NT 高於 F，但梅峰、武陵 與瑞穗樣區的 alkyl-C、O/N-alkyl-C 比值則呈現 NT 低於 F (表 10)，暗示了梅峰、

武陵及瑞穗的 NT 輕質部可能多醣類較多，比較容易被分解。同時，梅峰、武陵與 瑞穗樣區無耕犁農地 (NT) 的 LF 還有另一個特色──aromatic-C 及 O/N-alkyl-C 的 訊號都比同地點的 T 與 F 強，可能因為此三地的 NT 都有添加有機質肥料 (炭化 稻殼、豆粕或禽畜糞)，而有機質肥料可提升 aromatic-C 及 O/N-alkyl-C 的訊號 (Leifeld et al., 2002)，所以梅峰、武陵與瑞穗樣區無耕犁農地的 aromatic-C 及 O/N-alkyl-C 的訊號較強。

5.結論

農地廢耕造林可提升土壤有機碳濃度，但仍受地點的總體密度、含石率、人為 經營 (例：施加有機質肥) 等因素的影響，導致不同土地利用間的有機碳儲存量高 低趨勢不一定與有機碳濃度的趨勢相同。本研究選取成對試區研究，經巢狀變異數 分析可知：不論是耕犁農地與廢耕造林地，或是無耕犁農地與廢耕造林地，結果都 顯示廢耕造林可顯著提升表層 (0-10 cm) 及下層 (10-20 cm) 的 SOC 濃度及儲存 量。中海拔的無耕犁農地可能因施加有機質肥料而 SOC 濃度與 SOC 儲存量與廢 耕造林地無顯著差異，甚至比廢耕造林地多，不僅展現有機肥對於 SOC 儲存量估 算帶來的不確定性，也暗示了這種經營方式的農地可維持較多 SOC 儲存量。

不同土地利用型的土壤有機碳濃度均可隨海拔的提升而顯著增加，不論是表 層 (0-10 cm) 或下層 (10-20 cm) 土壤，都可建立配適度佳的線性迴歸模式。然而，

不同土地利用型的土壤有機碳濃度均可隨海拔的提升而顯著增加，不論是表 層 (0-10 cm) 或下層 (10-20 cm) 土壤，都可建立配適度佳的線性迴歸模式。然而，