2.1 土壤
盆栽土壤採集自大肚山農地土壤，採集時已有栽種花生。採集表層0-15 cm 的 土壤。將土壤風乾並混合均勻，打碎土壤團粒後通過2 mm 篩網。土壤質地為黏質 壤土(砂粒 25 %、坋粒 33%、黏粒 42%的黏質壤土。土壤碳含量為 0.7%、氮含量 0.12%，碳氮比 5.83。土壤 pH 值為 4.74。土壤性質的測定方法於論文 2.3 中詳述。
2.2 生物炭材料與製作方法
在本實驗製作生物炭的材料為稻殼 (rice husk, RH)、柳杉 (Cryptomeria japonica , CJ) 以及田菁 (Sesbania roxburghii Merr., SR) 等三種。稻殼來自彰化縣
二水鄉農會碾米廠的剩餘稻殼，品種以台梗九號為主。柳杉原料為台大實驗林疏 伐柳杉林木，大徑木先於台大實驗林水里木工廠經碎木機粉碎至長度2 - 5 cm 木片，
於野外風乾後，收集植體以供製作生物炭。田菁則採集自彰化芳苑休耕農地，種 植時間為6 個月，田菁新鮮地上部植體先經 65℃烘乾後，再將長度修剪成 2 - 5 cm 後，以供製作生物炭。稻殼、柳杉木材與田菁植體的含水率分別為9、11 與 11%。
未炭化植體分別以300℃和 500℃製作成生物炭，將未炭化植體樣品 25 g 放入 不鏽鋼杯 (6.5 x 6 cm) 中，並蓋上不鏽鋼蓋子後置於在灰化爐 (L9/S27,
Nabertherm, Germany) 中進行植體炭化，於 30 分鐘後升溫至目標熱解溫度 (300℃
與500℃)，之後在目標熱解溫度維持 2 小時，最後關閉電源，至降溫後打開灰化 爐。生物炭製作過程時，分別於植體炭化前秤量植體重量，經300℃或 500℃炭化 製成生物炭後，再秤量生物炭重量，計算製成生物炭回收率。回收率 = (生物炭重 量/原料植體重) * %。
未炭化植體和製成生物炭皆以粉碎機粉碎後通過2 mm 篩網後室溫儲存，以供
後續化學分析與盆栽試驗。在本實驗中的未炭化植體與生物炭樣品共9 種，在文
章中分別以RH-raw、RH-300、RH-500 表示稻殼未炭化植體、稻殼 300℃生物炭與 稻殼500℃生物炭；CJ-raw、CJ-300、CJ-500 表示柳杉未炭化植體、柳杉 300℃生 物炭與柳杉500℃生物炭；SR-raw、SR-300、SR-500 表示田菁未炭化植體、田菁 300℃生物炭與田菁 500℃生物炭。
2.2 土壤、未炭化植體與生物炭化學性質分析
(1) pH 值：土壤取樣品重量 8.0 g，未炭化植體與生物炭則取樣品重量 1.0 g，加入 20 ml 離子水，分別以樣品重量與水分體積比 1:2.5 與 1:20 的比例混合 (Tagoe et al., 2008; Yao et al., 2010)，經震盪一小時後，以 pH 電極計量測 pH 值 (720P, Istek, South Korea)。
(2) 碳、氮、氫、氧元素含量：將土壤、未炭化植體與生物炭樣品再以球磨機細磨 (Retsch MM400, Haan, Germany)，細磨後取粉末樣品 (粒徑<2mm) 進行分析，
土壤取樣品重量15-20 mg，包於 8 x 5 mm 錫囊 (tin capsules) 中；未炭化植體 與生物炭樣品則取重量1.5-2.5 mg，包於 4 x 3.2 mm 錫囊中。以元素分析儀 (Perkin Elmer 2400, Waltham, MA, USA) 量測 C、H、N 的百分比。將未炭化植 體與生物炭樣品扣除C、H、N 與灰分的重量百分比後，可求得樣品 O 的百分 比 (Chen et al., 2009)。最後計算碳氮比 (C/N ratio)、氧碳比 (O/C ratio) 與氫碳 比 (H/C ratio)，其中氧碳比與氫碳比分別代表材料的極性 (polarity) 與芳香性 (aromaticity) (Ahmad et al., 2012)。
(3) 土壤粒徑分析：以沉降法 (sedimentation) 進行量測，取土壤樣品 40 g，與 250 ml 蒸餾水及 100 ml 六偏磷酸鈉溶液 (HMP) (50 g L-1) 混合。利用攪拌器攪拌 五分鐘，倒入1000 ml 沉降筒中 (內徑 6cm，表面積 113.04cm2)，加蒸餾水至 1000 ml。同時準備 1000 ml 蒸餾水於沈降筒中最為對照組。以攪拌棒攪拌均勻 後，以鮑式比重計，量取40 秒時的讀數。靜置 7 小時，量取比重計讀數。於
40 秒與 7 小時以比重計皆量測一次對照組。
依下式換算出土壤砂粒 (Sand)、坋粒 (Silt) 、黏粒 (Clay) 比例：
i. Sand % = 100 － ( R40S - RL ) × 100/40 ii. Clay % = (R7h － RL) × 100/40
iii. Silt % = 100 – (Sand % + Clay % )
iv. R40S、R7h、RL = ( 1000x － 1000) × 2.65/1.65
x 為比重計讀值，以 40 秒讀值代入式 iv.求得 R40S、7 小時讀值代入式 iv.求 得R7h、以對照組讀值代入式 iv.求得 RL。
所得比例依美國農業部 (USDA) 土壤質地分類標準分類。
(4) 有效性磷含量：以 Mehlich-3 溶液進行未炭化植體與生物炭樣品的萃取與有效 性磷的測定 (Warnock et al., 2010; Mehlich, 1984)。萃取溶液利用鉬藍法
(molybdenum blue method) 呈色，再以分光光譜儀 (V630, Jascol, Japan) 測定樣 品有效性磷濃度 (mg kg-1) (Yuan et al., 2011)。
(5) 灰分 (ash) 含量：將未炭化植體與生物炭樣品以 105℃烘乾至絕乾重後，以乾 燒法 (dry combustion) 將樣品在燃燒爐中加熱至 550℃，加熱時間 30 分鐘，維 持在550℃ 2 小時。關閉電源，降溫後打開灰化爐，取出樣品灰分後同樣以 105
℃烘乾至絕乾重，量測灰分之絕乾重。灰分含量為灰分絕乾重與材料絕乾重之 重量百分比 (Song and Guo, 2011)。
(6) 鉀、鈉、鈣、鎂元素全量分析：先將已知絕乾重的未炭化植體與生物炭灰分樣 品加入5 ml 6 N HCl 溶解，靜置 10-15 分鐘後，溶液再經濾紙 (Advantec 2, 90mm) 過濾，並以1N HCl 定量到 100 ml，以原子吸光光譜儀 (Sens AA, GBC, Australia) 量測溶液中的鉀、鈉、鈣、鎂離子全量。
(7) 陽離子置換容量 (Cation exchange capacity, CEC) 與可交換性鹽基元素含量：未 炭化植體或生物炭樣品取0.4 g，以 1N pH 7.0 的 NH4OAc 溶液 40ml 淋洗兩次，
將淋洗液定量至100 ml 後，以原子吸光光譜儀量測溶液中的鉀、鈉、鈣、鎂離
子含量。以95%酒精 10ml 淋洗樣品兩次，去除附著於樣品上多餘的銨根離子。
之後樣品被吸附之銨根離子再以 KCl 取代，以 2N pH 7.0 的 KCl 溶液 40ml 淋 洗兩次，將淋洗液定量至100 ml 後，利用 Kjedahl 蒸餾法測定其中銨根離子的 含量，即為材料之CEC (張瑀芳等，2006; Brady and Weil, 2008)。
2.3 傅立葉轉換紅外線光譜分析(Fourier transform infrared, FTIR)
未炭化植體與生物炭的化學構造以傅立葉轉換紅外光譜儀 (FTS-40, Bio-Rad, USA) 分析。先將細磨樣品取 1-2 mg 混入 KBr 粉末 (總共 180 mg)，放入瑪瑙研缽 混勻後，再以油壓機打錠，製作KBr 錠劑，之後再將 KBr 錠劑置入 FTIR 分析室 中，進行紅外光光譜分析。紅外光波長掃描範圍為400-4000 cm-1，解析度為4 cm-1， 掃描次數為16 次。
根據前人研究，FTIR 圖譜對植體與生物炭的波峰位置解析如 Table 1 所示。
3600-3200 cm-1為O-H 的伸縮振動 (Keiluweit et al.,2010; Kim et al., 2012; Wu et al., 2012)；3070-3000 cm-1為芳香性C-H 的伸縮振動 (Kloss et al.,2011)；2980-2820 cm-1 為脂肪族C-H 的伸縮振動 (Kloss et al., 2011; Kim et al., 2012; Wu et al., 2012)；
1740-1700 cm-1為羧基上C=O 的伸縮振動 (Schwanninger et al., 2004; Uchimiya et al., 2011; Kim et al., 2012)；1610-1580 cm-1為芳香性的C=C 與 C=O 的伸縮振動 (Kloss et al., 2011; Uchimiya et al, 2011; Kim et al.,2012)；1500-1300 cm-1為C-H 或 來自碳酸根的不對稱性C-O 的伸縮振動 (Schwanninger et al., 2004; Kloss et al., 2011;)；1200-1000 cm-1為碳水化合物上C-O 的伸縮振動；885-750 cm-1為芳香性 C-H 的伸縮振動或來自碳酸根的 C-O 形 (Kloss et al.,2011; Schwanninger et al., 2004)；670 cm-1為平面外C-OH 的伸縮振動 (Schwanninger et al., 2004; Kloss et al., 2011)。不過，由於稻殼含有較高含量的 Si-O 構造，因此，1100、800、450 cm-1 除了來自碳水化合物的訊號外，尚有來自Si-O 的伸縮振動 (Schwanninger et al., 2004)。
2.4 固態核磁共振光譜分析 (Solid state nuclear magnetic resonance, NMR)
除FTIR 分析外，也進行固態 NMR 分析，利用清華大學貴重儀器中心的固態 核磁共振光譜儀 (Advance III 400, Bruker, Germany) 進行。NMR 實驗條件如下：
光譜頻率 (spectra frequency, SF01) 100.631 MHz，在交叉極化魔角旋轉 (cross polariation magic angle spinning, CP MAS) 下的自旋速度 (spinning rate) 10 KHZ，
接觸時間 (contact time, P15) 1000 μsec，遲滯時間 (delay time, D1) 1 sec，循環時間 1 sec，掃描次數 (number of scan, NS) 11,600 次，脈衝角度 (pluse angle, q2, P3) 2.70 sec，全圖範圍：-113.6~300.5 ppm。
NMR 圖譜的相對應化學結構如 Table 2 所示。對未炭化植體而言，22 ppm 為 半纖維素上的甲基 (methyl) 的化學位移 (Solum et al., 1995; Freitas et al., 2001)；30 ppm 為脂肪族鍊的化學位移 (Freitas et al., 2001; McBeath et al.,2011)；56 ppm 可能 來自紫丁香基木質素 (syringyl lignin) 和愈創木基木質素 (guaiacyl lignin) 單位或 是半纖維素的甲氧基 (methoxy)( Solum et al., 1995; Almendros et al., 2003)；80-70 ppm 的化學位移皆來自纖維素上的碳：65 和 89 ppm 為纖維素結晶的化學位移，63 和84 ppm 則為不定形纖維素 (Solum et al., 1995)；106 ppm 為木質素上異頭碳 (anomeric carbon) 的化學位移 (Solum et al., 1995)；148 與 128 ppm 分別為含氧與 非含氧的芳香族碳氫化合物的化學位移 (Freitas et al., 2001; Almendros et al., 2003)；
172 ppm 為半纖維素上羧基的化學位移 (Solum et al., 1995; Freitas et al.,2001;
Almendros et al., 2003)。同時我們參考 Baldock and Smernik. (2002)、Almendros et al.
(2003) 與張容蓉與鄒裕民 (2007) 的實驗結果，將13C-NMR 的化學位移做分類，
0-45 ppm 為烷基碳鍵結 (alkyl C)，45-110 ppm 為含氮或氧原子的烷基碳鍵結 (O/N- alkyl C)，110-160 ppm 為芳香族碳鍵結 (aromatic C)，160-190 ppm 為羰基碳鍵結 (carbonyl C)，190-225 ppm 為酮類炭鍵結 (ketone C) 。並計算在 0-225ppm 的區域 內，脂肪族炭 (0-110ppm) 與芳香族炭 (110-160 ppm) 的百分比。
2.5 植體與生物炭養分管柱淋洗試驗：
2.5.1 實驗裝置
實驗裝置設計Laird et al. (2010) 的設計，如圖 1 所示。管柱淋洗試驗設計係 參考，利用玻璃層析管柱 (內徑 5.5 cm, 高度 15 cm) 進行，於每週利用淋洗液淋 洗土壤管柱，之後再分析淋洗溶液養分濃度以了解土壤養分淋洗動態。取200 g 土 壤製作成土柱 (soil column)，在施加生物炭處理的土柱，則先均質混合 2 g 的生物 炭 (w/w = 1%) 後加入玻璃層析管中。在玻璃管底部放入 0.1 g 玻璃棉 (glass fiber) 使土壤顆粒不會從底部漏出。土壤表面使用玻璃纖維濾紙蓋上，確保淋洗時不會 破壞土壤表面。層析管以parafilm 封口膜封上開口，減少蒸散量，以探針刺數個小 孔保持通氣。加去離子水至60% 最大容水量 (maximum water holding capacity, MWHC)，並記錄重量。管柱放置於生長箱中 (25℃、相對濕度 80%) 孵育 (incubate)。
2.5.2 淋洗與養分元素分析
土壤管柱每週以0.001 M CaCl2 100 ml 加入土柱，層析管下方放置 150 ml 塑膠 廣口瓶。收集得到的淋洗液以100 ml 定量瓶定量，保存於塑膠廣口瓶中。淋洗時 間約為1 小時，不過會將土柱繼續置放至重量約與 60% MWHC 的重量相同後，再 放回生長箱中孵育。本實驗共進行5 週，而磷則收集到 7 週的資料。
實驗初期混入土壤土柱為8.5 cm 高，相當土壤密度 0.99 g cm-3，淋洗後期由 於受到淋洗作用影響，土柱高度減為8 cm 高，相當土壤密度 1.05 g cm-3。另外，
每次淋洗量大致為100 ml 左右，顯示實驗過程中無明顯水分蒸發釋出。
淋洗液先以濾紙 (Advantec 2, 90mm) 過濾後，濾液再進行以下養分元素分析。
淋洗出的鈣、鎂與鉀元素以原子吸光光譜儀 (Sens AA, GBC, Australia) 測量。NO3
-N 和 NH4-N 分別以 Modified Griess-Ilosvay 法(Broaddus et al., 1965) 和靛酚藍法 (salicylate indophenols blue)(Kempers, 1974) 測量。Phosphate-P 採用鉬藍法，呈色 後以分光光度計測量。
2.6 盆栽試驗
2.6.1 試驗處理
盆栽試驗的作物為糯玉米 (Zea may L.) 台農四號 (玉美珍)，種子向農友種苗 公司購買。使用的盆栽尺寸高16.5 cm、直徑 16.5cm。每盆裝入 2.5 kg 土壤，裝入 的土壤表面積約為201 cm2。處理分為未添加有機物以及加入不同的添加物包含稻 殼、柳杉、田菁的未炭化植體、300℃生物炭與 500℃生物炭，共 10 種處理。另外 再對每種處理分成肥料施用與未施用兩種。每種處理皆3 重複，實驗樣品數共 60 個盆栽。在加入未炭化植體與生物炭的處理中，每盆加入25 g 未炭化植體與生物 炭，以1%比例與土壤混合均勻。而對肥料施用處理上，則於種植前加入 N-60 kg ha-1 (NH4NO3)、K2O-37.5 kg ha-1 (K2SO4)、P2O5-37.5kg ha-1 (Ca(H2PO4)2．H2O)，以溶於 去離子水方式加入盆栽中當成土壤基肥。且在植株生長14 天後 (株高約 30 cm 左 右後)，對施肥樣區加入追肥，比例與基肥相同。
2.6.3 盆栽試驗設計
盆栽試驗於國立台灣大學森林系實驗溫室中進行，試驗期間為2011/10/19 ~ 2011/11/30。盆栽放置於大小 2.6 x 1.5 m 的平台上，採用完全逢機設計。每盆的間 隔約為15-20 cm，避免作物的葉片後彼此遮蔭。每盆首先種植糯玉米 (Zea may L.
var. ceratina Kulesh) 種子 3 粒，生長一週後，疏苗至留下一株生長最好的植株。
而對肥料施用處理，如前所述，在植株生長14 天時，進行追肥施用。實驗過程均
每日定期檢查土壤水分含量，並適時補充水分。待種植42 天後，進行植株採收。
2.6.4 葉片 SPAD 值與土壤 pH 值測量
2.6.4 葉片 SPAD 值與土壤 pH 值測量