五南官網-樹木土壤學的基礎知識

Chapter 7 供應樹木生長的有機質的利用與還原

7.1 有機廢棄物的綠地還原

　　今後可能會變得更加嚴重的主要社會問題之一，是垃圾處理問題。其他問題包括大氣中二氧化碳濃度上升和全球暖化、乾旱、大氣汙染、水汙染、自然破壞、野生動植物滅絕、沙漠化加劇、人口快速增長和糧食短缺，以及新的流行病爆發和傳播等。由於眾多因素相互複雜作用，使這些問題被認為難以解決。但在垃圾處理方面，盡可能緩解問題的措施之一就是將廚房垃圾、建築廢棄物、下水汙泥、家畜糞便、食物廢渣、樹皮和木屑、羊毛屑、棉毛屑、紙漿汙泥、修剪的枝條、枯枝落葉等，這些生物來源的有機廢棄物回收循環再利用，例如：可以作為燃料、家畜飼料或透過將其回歸土壤改善貧瘠土，但如何將其還給土壤是一個大課題。
　　近年來在公園綠地中，為了循環有機資源，並抑制土壤表面的蒸散作用和防止雜草，經常將行道樹修剪的枝條削下來均勻撒在土壤表面（覆蓋）或混入土壤中。因為木質有機物大多是作為廢棄物焚燒，因此這種方法在有效利用木質有機物方面意義重大，而對樹木的生長雖然有很多好處，但另一方面卻也有幾個缺點，而且其中一些還是很嚴重的。

1. 有機廢棄物的綠地還原的得失
(1) 優點
　　這種方法對樹木和其他植物生長的優點有：
．利用地表的蒸散作用來保持土壤水分。
．防止土壤表層因踩踏而出現固結現象。
．長期慢慢分解，提供無機營養物質，如氮、磷和鉀等。順帶一提，有機物幾乎包含了植物生長所需的所有必需元素。
．抑制雜草生長、防止樹木被覆蓋和對水分的競爭。
．在晚秋到早春時，維持較高的土壤表層溫度，促進根系活動。
．防止雨滴和地表逕流對土壤表面的侵蝕。
．透過為土壤小動物和微生物提供棲息地和食物，而增加土壤生物的活動，藉此增加土壤孔隙，提高通氣透水性，並促進土壤團粒化。
．鋪在硬化的地面上時，可以提供緩衝作用，減少行人的疲勞。這種方法除了有效利用資源外，由於其各種優點，已在全國許多公園和綠地中採用。
(2) 問題點
　　然而，這種方法可能存在以下缺點，並在現實許多地方出現問題。大量的生有機物，特別是木屑和樹皮等木質有機物，覆蓋或混合在土壤表面時可能會引起各種障礙。尤其是土壤傳染性疾病和氮飢渴現象。
① 土壤傳染性疾病和蟲害的發生
　　木材的主要成分是纖維素、木質素和半纖維素，樹皮的話還多了蠟質的木栓質和單寧（多酚的一種）。這些物質都是木材的主要成分，需要花費時間來分解，而要腐朽腐植化就必須透過真菌進行。在真菌中，被稱為木材腐朽菌的真菌（主要是擔子菌類多孔菌目的菇，如多孔菌科）很重要。土壤中的木質有機物被這些腐朽菌逐漸分解，但同時也容易成為其他土壤傳染性疾病的溫床。在眾多的土壤病菌中，廣泛攻擊樹木的白紋羽病（圖7-1）、蜜環菌根腐病和白蠟多年臥孔菌白腐病（圖7-2）等，一邊生活在土壤中的木質有機物，一邊尋找機會入侵樹木的根部，一旦入侵根部，就會透過吸收形成層、邊材和邊材薄壁細胞的營養來破壞並殺死它們，甚至會使大樹處於枯萎狀態。特別是白紋羽病如果感染到小樹，會在感染後的短短2、3年間枯萎死亡，同時陸續傳染給鄰近的樹木。白蠟多年臥孔菌是一種侵蝕根株的木材腐朽菌，容易成為行道樹和公園樹木倒伏的原因。
　　在用木屑覆蓋的公園和神社裡，有時也會看到亮菌（圖7-3）。 蜜環菌和亮菌本來是森林疾病，以前在都市公園很少看到，但人們認為土壤表面的覆蓋物和未分解有機物對土壤汙染與病害的蔓延有關。特別是完全沒有經過發酵的生木屑十分容易成為土壤病害的溫床。
　　一旦這些土壤病菌侵入土壤，就非常難防除。在苗圃和果園中，將所有患病的樹木焚燒，並且清除土壤中未熟的粗大有機物，雖然可以對土壤進行消毒，但這種方法不能用於公園和綠地，因為必須要在保持樹木活力的同時恢復其生命力。此外，在完全土壤消毒方面也有許多技術上的困難，因此實際上是不可能的。
　　木屑覆蓋物對害蟲來說，可能變成雞母蟲等切根蟲的溫床。大樹很少因切根蟲而枯死，但如果有大量切根蟲存在，低矮的灌木和幼樹可能會衰退或死亡。筆者年輕時在進行綠化樹盆栽實驗時有過一次慘痛的經歷，當時將山砂與樹皮堆肥混合作為培養土，然後在表面覆上樹皮堆肥，又加上因為堆肥的品質不好，使實驗樹的根被大量爆發的雞母蟲吃掉而死亡。
② 碳氮比高
　　樹木的細胞和細胞壁由纖維素、半纖維素、木質素、蛋白質、澱粉、蔗糖和脂類組成，而構成骨架的細胞壁主要由纖維素、半纖維素和木質素三種成分組成。從葉子和枝條頂端部分的乾物碳含量、氮含量和碳氮比來看，任何部位的碳含量變化都不大，都在50% 左右，但氮含量因部位不同而有明顯變化，碳氮比（C-N ratio，C/N值）如下：
．豆科作物的莖和葉：15∼20左右。
．闊葉樹的落葉：50∼65。
．水稻秸稈：60∼70。
．小麥秸稈：100∼110。
．落葉闊葉樹的樹皮：300∼350。
．針葉樹的樹皮：500∼1,300。
．針葉樹木材：800∼1,500。
　　因此，植物來源的有機物的碳氮比會因部位或類型而有很大不同。因此，分解或堆肥的難易程度和所需時間也不同。就葉子而言，即使被堆積並只有偶爾攪拌，也只要2、3個月的時間就十分足夠堆肥化，但樹皮的話需要一年以上，木材需要2、3年或更長時間才能成為完熟的堆肥。因此，當葉子、樹皮和木材混合，並將和各種樹的修剪枝條進行堆肥時，葉子很快就會腐熟，但木材的部分卻很慢，因此會有儘管乍看之下似乎已經熟了，但木材的部分幾乎還未成熟的現象。這種情況在家畜排泄物的堆肥中特別明顯，因為木屑和刨花被混入作為除臭和控制溼度的墊料。此外，即使是在樹皮堆肥這種主要木栓質進行堆肥的情況下也是，木屑、木栓部分和內樹皮（甜樹皮）部分的分解速度也不同，因此，一般約6 個月的熟成時間是非常不夠的，只有木栓塊的表面分解，內部還留著堅硬的芯，而木質也完全未分解，只是著色變黑而已。
　　如果大量的樹葉和草本的莖在沒有充分堆肥化的情況下被混入土壤的話，會快速分解產生大量的二氧化碳，使細根因缺氧而枯死，有可能造成所謂的根腐。
　　使用有機廢棄物作為土壤改良材料時，最重要的課題是如何將有機物還原為對植物有益的材料。然而問題在於有機物的熟成程度（也稱為腐熟）。
　　有機物在碳氮比方面的熟成度參考如下，關於今後要使用的生闊葉樹樹皮：
　　碳氮比：400 。
　　含水量：75%。
　　樹皮中的碳含量（乾重）：50%。
　　分解樹皮的微生物的碳氮比：平均8（一般認為範圍在5∼13 之間）。
　　分解微生物的碳利用率（吸收到真菌體中）：20%。
　　假設1噸生樹皮在沒有任何加工的情況下被施用到綠地土壤中，可以計算出以下結果：
　　樹皮的乾重：1,000 kg × (100 - 75)% = 250 kg
　　碳含量：250 kg×50% = 125 kg
　　氮含量：125 kg÷400 = 0.3125 kg
　　分解菌將樹皮分解吸收進體內的碳量：125 kg×20% = 25 kg
　　與吸收進真菌體內的碳量相對應的必要氮量：25 kg÷8 = 3.125 kg
　　不足的氮量：3.125 kg – 0.3125 kg ≈ 2.8 kg
　　也就是說，如果將生樹皮原封不動地放回土壤的話，分解菌就會出現缺氮現象，不能充分分解樹皮，造成上述的各種障礙。
　　因此，計算適當的碳氮比之後會是：
　　125 kg÷3.125 kg = 40
可以計算出碳氮比40 左右最佳。實際上植物性有機物的情況下，植物體中的一些氮在被吸收進真菌體內之前就被溶出，或以氨的形式揮發，所以堆肥的碳氮比應該小於30，理想是20∼25 。
　　相反地，試著計算看看，如果將雞糞這種碳氮比很低的材料直接施用到土壤中會怎麼樣，現在以半乾燥的雞糞為例：
　　含水量：60%
　　乾燥雞糞的碳含量：30%。
　　乾燥雞糞的碳氮比：8
　　假設將1噸半乾燥雞糞施於綠地土壤中，會得到以下結果：
　　1噸半乾燥雞糞中的有機物乾重：1,000 kg×(100 - 60)% = 400 kg
　　碳含量：400 kg×30% = 120 kg
　　氮含量：120 kg÷8 = 15 kg
　　分解菌吸收的碳含量：120 kg×20% = 24 kg
　　與分解菌吸收的碳相對應的氮量：24 kg÷8 = 3 kg
　　過剩的氮：15 kg - 3 kg = 12 kg
過量的氮以氨的形式揮發，以硝酸鹽氮的形式汙染地下水和河流，並讓植物的根產生
濃度干擾，進而導致根腐。
　　以上介紹的兩個例子都相當極端，但在大多數情況下，生有機物都具有這些特性中的任何一種，而且很少有材料從一開始就具有良好的碳氮比，所以在施用時必須檢討是否有充分堆肥化。
③土壤微生物的碳氮比和施用未熟有機物造成的氮飢渴
　　如上所述，未分解的植物殘體中的碳含量約為乾重的50% 左右（重量比），雖然這一數值因植物的種類和部位不同而略有變化，但並沒有很大的差別。相較之下，氮含量變化極大，大量的氮是碳含量的一部分，少量的氮不到碳含量的千分之一。微生物分解的難易程度根據碳氮比（C/N值）的不同而改變，數值小的物質分解快，施入土壤後可提供肥料成分。相反地，碳氮比高的物質在土壤中分解得很慢，比如針葉樹木材就可能需要很多年才能分解。在以前的文獻中，碳氮比經常被寫為「碳含量」。然而，因為有機物中碳含量變化很小，而氮含量對C/N值的變化有很大影響，因此碳含量這個用語並不合適。
　　另一方面，觀察土壤中分解有機物的土壤微生物體內的碳氮比以後可以發現，在田間土壤的微生物如下所示：
．細菌：4∼6。
．放線菌：6左右。
．絲狀真菌的：10 左右。
．絲狀真菌中的基底菌類：10∼13 。
　　分解性微生物通過細胞分裂繁殖的同時，分解有機物。為了做到這一點，作為分解對象的有機物必須含有相當數量的氮。例如：當碳氮比為60∼70的植物殘體（如水稻秸稈）與田間土壤混合時，由於分解微生物的分解對象所含的氮，不足以讓它們分解和利用有機物，因此而試圖利用土壤中的氮來繁殖。所以在水稻秸稈被充分分解的期間，植物無法利用氮而導致生長停滯。這就是「氮飢渴」現象。在針葉樹材的木片等材料中，幾乎不含氮，碳氮比為1,000 或更高，而且含有大量木質素，使分解性微生物難以繁殖，所以有機物的分解幾乎沒有進展，突然出現氮飢渴現象的可能性不大。然而，慢性氮飢渴現象卻會長時間持續。
　　與固氮菌共生的豆科植物莖葉被作為綠肥施入農田土壤，但其他植物落下的枝葉和秸稈基本上沒有混入。其原因是豆科植物莖葉的碳氮比低，在土壤中能迅速分解，為植物提供氮，而水稻秸稈的碳氮比高，造成激烈的氮飢渴現象。

2. 堆肥化和堆廄肥的好處
　　為了防止上述的各種病蟲害、氮飢渴或氮過量的障礙發生，必須充分堆肥化，避免使用生有機物。為了製作好的堆肥，特別是用木質有機物製作的堆肥，必須要讓其有足夠的時間熟成並維持好氧發酵。在有氧發酵過程中，堆肥內部的溫度可以達到60∼80℃（有時甚至會到120℃以上，導致自燃），這會殺死大多數病原菌、害蟲的幼蟲和卵。有害的酚類和單寧酸也會在65℃的條件下發酵2 週，或60℃的條件下發酵3週的過程中變成無害。在堆肥廠，木質有機物被切碎，接著與雞糞等氮肥和極少量的磷肥混合，並在保持適當溼度的情況下，放置約半年堆肥化，在這期間翻攪4∼5次，讓堆積物的中心也能有充足的氧氣維持好氧發酵。有時會加入特殊的發酵菌，但對其效果有一些爭議。原因是有非常多不同的微生物生活在有機堆積物中，當特定菌種過度繁殖的話，會抑制其他種類的菌生長。新鮮木片的情況下，因為要經過大約半年的熟成期後才被運走，所以木質部分往往都還未熟。
(1) 施用堆肥的效果
　　將有機廢棄物作為完熟堆肥施用於需要土壤改良的地區，換句話說，大量的優質土壤作為客土用於植栽基盤，從根本改變綠化技術。像黑土這類富含腐植質的優質客土，往往是透過破壞農田和林地獲得。隨著環境問題越來越嚴重，今後不能再允許這種情況反覆發生。保全農田和林地，努力維持或提高其土壤的生產力，對於減少二氧化碳排放和長期固定碳來說極為重要。筆者認為，了解堆廄肥的重要性及其有效利用是現代最重要的課題之一。
① 堆肥對地力改善的效果
　　「地力」一詞是用來描述農田的作物生產力。影響地力大小的因素很多，大致可分為自然條件和人為條件，而自然條件又可進一步分為土壤的內部因素和外部因素。這些都整理於表7-1中。在土壤條件所列的大部分項目都與腐植質密切相關。關於「地力是什麼」有很多爭論，但可以概括為「土壤培育植物的能力」（在農業用地中，培育作物的能力；在林地中，培育林木的能力）。對地力因素的分析可分為自然條件和人為條件，此外還有物理、化學和生物這三個因素，但在地力的改善方法中，堆廄肥十分重要。
　　施用堆廄肥的效果可分為「肥料的直接效果」和「土壤改良材料的間接效果」。作為肥料，堆廄肥的肥效成分因原料不同而有很大差異，通常含有約0.5%的氮、0.2∼0.3%的磷酸鹽和0.5∼0.6%的鉀，以及幾乎包含植物必要的所有微量元素。在堆肥的肥料成分中，鉀不是有機物（它不是植物細胞構成的成分），而且相對有速效性，而氮、鎂等元素則是有機物的形式。土壤中的磷酸通常以磷酸鋁、磷酸鈣或磷酸鐵等形式存在，難溶於水，而堆肥中的磷酸也是有機態的形式，所以不能直接被植物吸收。然而，隨著有機物分解的進行，它很容易變成無機化和可溶性，讓植物吸收起來相對有效率。不僅是磷酸鹽，有機物形式的氮和鎂也要先無機化才能被植物吸
收，但這需要花費不少時間，所以連續施用堆廄肥的話，會積累特別多的氮量，使氮的長期供給力增加。此外，堆廄肥的分解導致腐植質顆粒變得像膠體顆粒一樣小，其表面帶負電，更容易與土壤中的活性氧化鋁結合，從而抑制其毒性。換句話說就是「抑制礬土性」，具有抑制磷酸在土壤的難溶解，提高磷肥的功效。此外，還能促進土壤結構的團粒化、提高土壤微生物的活性和促進根系的生長，發揮其重要作用。上述情況被認為可以增加土壤的透水性和保水力，從而防止降雨和其他因素造成的水蝕。
　　一般來說，堆肥中的有機肥成分需要時間無機化，速效的效果很小。特別是，碳氮比高的木質堆肥，難以有肥料效果。然而，木質堆肥與化學肥料和廄肥不同，在物理上具有明顯的土壤改良效果。因為木質堆料一般顆粒較粗，施用後需要時間分解，所以有長期持續增加土壤孔隙的改良效果。施用堆肥除了有促進發根和施肥的效果外，還能改善土壤的通氣性和透水性，同時增加保水力。當把碳氮比稍高的堆肥施用於腐植質含量低的土壤時，還能發現它具有促進團粒形成的效果（圖7-4和7-5）。腐植質具有將黏土礦物連結的強烈性質，能把黏土粒子接起形成大團粒，同時也增加了土壤動物和土壤微生物的活性，它們將有機物弄得細碎並加以分解，把土壤粒子和有機物混合，促進土壤粒子間的鬆散結構狀態。然而，團粒結構極為脆弱，稍微有一點踩踏或雨滴的衝擊就能輕易打破，因此在農田中必須不斷地施用堆肥和耕耘。
② 堆肥促進發根的作用
　　經常能觀察到在施用堆肥的土壤和未施用堆肥的土壤中，細根的數量有很大的差異。堆肥促進發根的效果，被認為是因為堆肥中含有的有機肥成分被逐漸無機化，進而促進了細根的分枝。事實上也已經證實在土壤中施用化學肥料會增加根量。
　　此外，堆肥中微生物產生的少量植物賀爾蒙，特別是生長素（其中包括IAA）的效果也很重要。生長素主要在植物的嫩葉和有活力的嫩枝上產生，順著韌皮部輸送到全身。它促進莖葉尖端的向上生長、枝條和樹幹的肥大生長，以及側根的形成。此外，當樹幹受傷時，它還會對受損的部位形成癒傷組織，或啟動不定根的形成。生長素在樹冠頂部產生，並在向下移動時漸漸消耗，導致送達根系的濃度非常低（是莖和葉濃度的1/1,000∼1/10,000），這種低濃度能有效促進根系發育。莖和葉中的濃度對根系來說反而會過高，據說會抑制發根。微生物分解有機物產生的生長素極少，而且由於物種間的差異很大，所以很難準確量化，但這種濃度非常低的生長素被認為能夠促進側根的形成。
　　堆肥能促進發根作用的另一個要素是堆肥擁有高緩衝作用。將腐植質含量高或具有極高陽離子交換能力的優質堆肥混入土壤，這樣即使酸雨對土壤注入酸性物質或長期被供給H+，土壤pH值也能保持中性至微酸性，且變化不大。這代表土壤粒子持續保留著Ca、K 和Mg等鹼性物質，這些都是有利於根系發育的要素。相反地，即使大量供給OH–到土壤中，pH值也會增加得非常緩慢，也就是說不容易出現急遽的鹽鹼害。此外，如果緩衝作用高的話，代表有很強的能力可以減輕或中和土壤中抑制發
根物質的毒性。這對根系的發展可能也有利。
(2) 對土壤施用堆肥的方法
　　近年來都市地區的熱島現象伴隨著大氣乾燥化，造成種植在都市的樹木缺少水分，以及生長停滯或衰弱。這大多是受到踩踏壓力等使土壤固結、鋪設柏油路面和混凝土建築使暴露的土壤面積減少，以及下水道系統的發展等因素影響使雨水難以滲入土壤。因此，雖然有如何讓落在建築屋頂和道路上的雨水滲入土壤等，一些與都市構造直接相關的問題，但另一個重要的問題是如何引導樹根深入土壤，使其更加耐旱。這必須同時改善通氣性和透水性。
　　要改善土壤的通氣性和透水性，新植的情況可以藉由使用機械對現場土壤進行深耕，或鋪設暗渠排水系統來完成。然而，在植物已經生長的地方，必須以不損害現有植物根系為前提，因此最合理的方法是鑽小的垂直孔到一定深度。如果淺層有不透水層，那就簡單地鑽洞就好。接著再將完熟堆肥放入這些孔洞中，可以進一步加強效果。
　　在砂質土壤等乾燥地區，即使表面乾燥但地下深處仍有水分，因此樹根會為了尋找這些水分，而形成又深又廣的根系。然而，當都市土壤表面固結而孔隙不足，阻礙了雨水滲透，及地下水位降低或受阻，讓樹木的根系集中於表層的話，即使環境越來越乾燥，樹也只會變得不耐乾旱。前述所說的方法，是能同時解決將有機物返還土壤、改善通氣透水性及引導根系深入土壤，這三個問題的方法，而且是成本非常低的技術。然而，施用的堆肥品質十分重要，必須選擇優質的堆肥。此外，堆肥不能夠用於過溼的土壤或有蜜環菌根腐病、白紋羽病等有土壤傳染性疾病的地方。
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