植體與生物炭添加物對土壤養分淋洗的影響

4.2.1 未炭化植體添加對淋洗的影響

在本研究中混合未炭化植體的處理，皆造成土壤養分淋洗量的明顯改變，降 低了NO3-N 與無機態氮的淋洗量，但卻使 NH4-N 的淋洗量上升。相較於未添加土 壤，施用未炭化有機物進入土壤時，其高碳氮比 (稻殼、柳杉與田菁的碳氮比分別 為109、538 與 27) 造成的微生物固定化作用，使得有較低的無機態氮淋洗量。

在Novak et al. (2010) 的研究中，當土壤中加入 10 g kg^-1的柳枝稷 (switchgrass) 時，NO3-N 的淋洗量與未加入柳枝稷的土壤相較，有顯著性的下降。在 Zavalloni et al. (2011) 的實驗中，加入小麥殘體 (碳氮比=70) 的土壤，孵育試驗第 7 天後，土 壤中的總可溶性N 與 NO3-N 的量都有顯著性的下降，並持續到第 21 天，與本研 究的結果相同。Zavalloni et al. (2011) 亦指出當有機物的碳氮比大於 32 時，會刺 激土壤中的微生物進行固定化作用。

不過，本研究田菁植體的碳氮比雖小於32，但仍出現明顯固定化作用，這樣

的結果仍符合Qian and Schoenau (2002) 的研究結果，作者認為當施用有機物的碳 氮比大於15 時，就會出現氮固定化作用。此外，未炭化植體較控制組土壤有較高 的NH4-N 淋洗量，顯示植體的添加增加土壤的銨化作用 (ammonification)(Asmar et

al., 1994; Kuzyakov et al., 2000)，且施用未炭化植體所增加的銨化作用高於 300℃與 500℃生物炭的添加 (圖 )。

三種未炭化植體的施用同樣也造成了磷、鉀、鈣與鎂的固定化作用，即減少 養分的淋洗量。顯示未炭化植體添加後的微生物作用，在短時間的孵育試驗下，

不僅造成氮肥濃度下降，也同時引起其他養分的固定化作用。鉀淋洗量下降的幅 度在三種植體之間沒有顯著差異，而磷、鈣與鎂淋洗量的幅度則是在田菁未炭化 植體下降最多。

比較三種植體間，淋洗養分的減少量以SR-raw 的下降幅度最大，且其釋放的 NH4-N 的上升幅度也最高。因此，植體添加所引起固定化作用很可能與有機物組 成有關，由於田菁的組成以纖維素與半纖維素為主，而RH-raw 與 CJ-raw 則以木 質素為主，SR-raw 的結構比較容易被微生物分解利用，所造成的養分固定化作用 也相對較高。

4.2.2 生物炭與土壤混合對淋洗的影響

在生物炭的處理中，RH-300、CJ-500 與 SR-300 都會使 NO3-N 淋洗量顯著下 降，但生物炭添加的下降幅度明顯低於未炭化植體的添加。FTIR 與 NMR 結果中 顯示，三種材料在300℃時仍然保留來自纖維素與木質素的訊號，且脂肪族炭的比 例仍在50%以上，因此 RH-300 與 SR-300 造成 NO3--N 淋洗量的下降的原因，可能 還是來自於添加後的微生物固定化作用，不過，由於可利用碳源已大幅減少，使 得淋洗量明顯低於未炭化植體的添加。

生物炭對NO3

-的吸附是另外一個造成NO3-N 淋洗量下降的可能原因

(Prendergast-Miller et al., 2011; Yao et al., 2012)。在 Yao et al., 2012 的研究中，以甘 蔗渣 (sugarcane bagrass) 、花生殼 (peanut hull)、巴西胡椒木 (Brazilian pepper wood) 和竹子 (bamboo) 等四種材料分別以 300、450 與 600℃製成生物炭對 NO3-、 NH4+

與PO4

3-等的吸附，結果顯示四種生物炭在600℃才對 NO3

-具有吸附能力，而

450 與 300℃生物炭反而會釋放 NO3-到溶液中。在本研究中，CJ-500 對使 NO3-N 淋洗量顯著下降可能是CJ-500 對 NO3-的吸附，但需要進一步證實柳杉在以500℃

製成生物炭後對NO3-具有吸附能力。

NH4-N 的淋洗量低於 NO3-N 顯示土壤中的無機態氮以 NO3-N 為主。RH-300 與RH-500 處理的 NH4-N 淋洗量較控制組高，其中 RH-300 的 NH4-N 淋洗量有顯 著性的上升，顯示稻殼生物炭可能會在土壤中釋放出NH4+。在Yaoet al. (2012) 的 研究也顯示以450℃製成的生物炭中，甘蔗渣、花生殼與竹子生物炭會釋放 NH4+

到溶液中，只有胡椒木生物炭能吸附NH4+。

CJ-300、CJ-500、SR-300 與 SR-500 的處理都會使 NH4-N 淋洗量有顯著性的 下降，結果與Lehmann et al. (2003) 的研究結果相同。其研究結果顯示生物炭在土 壤中能使NH4+

的淋洗量下降，且經過施肥的土壤中，生物炭使NH4+

的淋洗量的效 果更為明顯。Lehmann et al. (2003) 則指出土壤使養分淋洗量下降的原因可能是生 物炭對養分的吸附或是因土壤保水力上升，連帶使養分一起保留在土壤中。

相較於未炭化植體引起的磷固定化作用，300℃或 500℃的生物炭添加並不會 改變磷的淋洗量，這與Laird et al. (2010) 的研究結果相同，在沒有加入糞肥的處 理中，48 週的淋洗試驗期間，生物炭添加並不會對磷的淋洗量產生影響。本研究 中的生物炭本身含有有效性磷，尤其以田菁生物炭最多，有160 mg kg^-1以上，卻 無法影響磷的淋洗量，這可能與本研究使用土壤有關，由於大肚山紅壤本身含有 較高的黏粒含量與鐵鋁氧化物，這些成份可能對土壤水中的磷酸根離子的吸附能 力較強 (Addiscott and Thomas, 2000)，因而減少了離子的淋洗。

對鉀、鈣與鎂元素而言，生物炭添加明顯增加這些陽離子元素的淋洗，結果 相近於Laird et al. (2010) 的研究結果，作者指出生物炭添加能增加 K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺

的淋洗。本研究進一步指出，500℃生物炭的淋洗量可明顯高於 300℃生物炭的淋 洗量，顯示熱解溫度愈高，愈容易將這些陽離子轉變成 (或礦化) 可溶性離子而被 淋洗出來。在三種材料製成的生物炭中，SR-300 與 SR-500 能夠使鉀與鈣元素淋洗

量顯著上升，其高淋洗量可能與田菁生物炭的元素含量有關。因為田菁生物炭的 鉀與鈣元素，無論是總含量或是交換性元素含量，其濃度均遠高於稻殼與柳杉生 物炭。