生物炭對土壤之不良影響的檢討

由於國際生物炭先導計畫（International Biochar Initiative, IBI）的極力推廣，生物炭從 2009 年的哥本哈根氣候論壇（COP 15）開始備受關注。我早期也十分心儀這種可以帶來土壤很大改善的低科技（low-tech），只是，當我翻閱更多的土壤資訊時，我發現，貿然的將生物炭放入土壤是一件風險不小的事情。

生物炭是一個好東西，但是，貿然的放入土壤，就值得商榷。它可以用在很多民生用途上，但是，不加思索的將人為可能留存上百年甚至千年的東西放入土壤，所造成的影響（好的、壞的），目前我們所知有限。底下這這篇論文（review paper），帶給我不少省思，在一位工研院前輩的幫忙下，把摘要重點翻成中文，跟大家分享。

2020 年，在 BD 協會理事長巫健旺的啟發下，我重新認真思考堆肥的價值。堆肥與生物炭兩者都在人類社會源遠流長，放在現代，更是對減緩全球暖化很有幫助的低科技，它們可以長久鎖住碳。堆肥原本就是放在土壤，木炭（生物炭）則是用來當燃料。之於土壤，堆肥的安全性與價值遠勝於生物炭，在把大量能夠轉化成堆肥的有機質燒掉之前，我們是否應該先好好的重新審視堆肥的價值！

論文摘要

論文出處：A critical review of the possible adverse effects of biochar in the soil environment

生物炭因其多功能而廣受農業與環保重視，但對土壤與有機體的長期影響，尚未完全量化與被理解。這篇論文討論了 259 篇報告與摘要，從不同的角度討論生物炭對土壤之不良影響，包含土壤物理、化學性質改變，農業化學品效率減低以及可能殘存的毒性物質對土壤生物之不良影響。高劑量生物炭會減低黏土之保水性，砂質土壤的微粒化，造成侵蝕增加。

生物炭會使土壤 pH 質提高，造成營養成分沈澱，可能使土壤鹽化。

論文內容

1. 簡介
2. 生物炭對土壤之不良影響
   1. 減少土壤中水分的利用
   2. 增加土壤侵蝕
   3. 增加土壤鹽化
   4. pH 改變的影響
3. 減低農用化學品之有效性
4. 生物炭中的毒性物質
   1. PAHs（多環芳香烴 polycyclic aromatic hydrocarbons）
   2. VOCs（揮發性有機化合物 volatile organic compounds）
   3. Dioxins（戴奧辛 dioxins）
   4. PTEs（潛在有毒元素 Potentially Toxic Elements）
5. 生物炭對土壤生物的衝擊
   1. 微生物群落的改變
   2. 對無脊椎動物的影響
6. 目前知識彙整，知識缺口以及為來方向與結論

作者群

來自捷克、波蘭、巴基斯坦以及中國的學者群 15 人，論文於 2021 年發表於「Science of Total Environment」。
Martin Brtnicky ^abc, Rahul Datta ^a, Jiri Holatko ^a, Lucie Bielska ^ad, Zygmunt M. Gusiatin ^e, Jiri Kucerik ^b, Tereza Hammerschmiedt ^ac, Subhan Danish ^fh, Maja Radziemska ^ag, Ludmia Mravcova ^b, Shah Fahad ^hi, Antonin Kintl ^aj, Marek Sudoma ^a, Niaz Ahmed ^f, Vaclav Pecina ^ab

• ^a Department of Agrochemistry, Soil Science, Microbiology and Plant Nutrition, Faculty of AgriSciences, Mendel University in Brno, Zemedelska 1, Brno, Czech Republic
• ^b Institute of Chemistry and Technology of Environmental Protection, Faculty of Chemistry, Brno University of Technology, Purkynova 118, 612 00 Brno, Czech Republic
• ^c Department of Geology and Soil Science, Faculty of Forestry and Wood Technology, Mendel University in Brno, Zemedelska 3, Brno, Czech Republic
• ^d Research Centre for Toxic Compounds in the Environment (RECETOX), Faculty of Science, Masaryk University, Kamenice 753/5, Brno 625 00, Czech Republic
• ^e Faculty of Geoengineering, University of Warmia and Mazury in Olsztyn, Słoneczna St. 45G, 10 719 Olsztyn, Poland
• ^f Department of Soil Science, Faculty of Agricultural Sciences and Technology, Bahauddin Zakariya University, Multan, Punjab 60800, Pakistan
• ^g Institute of Environmental Engineering, Warsaw University of Life Sciences, Nowoursynowska 159, 02-776 Warsaw, Poland
• ^h Hainan Key Laboratory for Sustainable Utilization of Tropical Bioresource, College of Tropical Crops, Hainan University, Haikou 570228, China
• ⁱ Department of Agronomy, the University of Haripur, Khyber Pakhtunkhwa 22620, Pakistan
• ^j Agricultural Research, Ltd., 664 41 Troubsko, Czech Republic

重點（Highlights）

• 彙整了 259 篇研究的檢討，深入可能的生物炭不良影響；
• 不良影響來自添加生物炭，改變了土壤性質；
• 土壤生物～主要是蚯蚓，受害自生物炭之導入；
• 數個不建議的土壤－生物炭組合；
• 需要全面性探討長期的不良影響。

彙整表格（論文 table 9）

不良影響（風險）	現象	影響	緩解措施（Mitigation measures）
減少土壤水份的可用性	粘土中過多的生物炭導致土壤中液相與汽相的不平衡。	降低土壤保水性，作物產量因而降低。	仔細選擇生物炭與土壤的適當組成，以達到最好的效果。
土壤侵蝕	在特定土壤類型（砂質壤土、砂質粉土）中不適當地施用（如：在土壤表面施用）細顆粒生物炭會增加水土流失	顆粒物質排放、土壤和生物炭質量損失、生物炭降解加速、土壤肥力損失	生物炭於深層土壤混和，生物炭造粒化及濕潤（pelletization and moistening）
土壤鹽度增高	生物炭中微量元素（Na+、Ca2+、Mg2+、K+）含量的增加，會增加它們在土壤中的積累	抑制植物生長，對作物產量產生不利影響，造成經濟損失。	預先處理（弱鹽鹼脅迫發芽 weak saline stress germination），緩解植物生長減弱，提高植物在鹽鹼土中的生長能力
土壤 pH 值過度升高	不利的生物炭特性（高 pH 值、CEC）會提高土壤鹼度	由於降水和養分供應受限、極端 pH 值、PTEs 的流動性改變，植物生長受到抑制	在易受影響的土壤類型中施用生物炭之前，對特定生物炭的 pH 值進行評估，生物炭的適當劑量應反映生物炭和土壤的 pH 值
砷流動性增加	這是 pH 值升高的結果。	對包括人類在內的所有生物體造成健康風險	考慮生物炭引起的砷在風險土壤中的移動，以及隨後的砷釋放和生物利用率
營養物過度吸收	營養物質吸附在具有高吸附能力（陽離子交換容量，CEC）的生物炭上	養分固定化，植物和微生物的生物利用率降低，植物生長受抑制，產量減少	生物炭和肥料的共同應用，用豐富的養分活化生物炭
農用化學物質的有效性降低	由於生物炭的吸附作用，農用化學品的生物利用率較低，控制害蟲的效果也較差	化學物不流動（immobilization）讓作物中不易吸收；生物利用度/效力減弱（或有限）會造成經濟損失	謹慎選擇施用農用化學品的需要和時機（防止土壤中施用），以避免與生物炭發生交叉作用
產出有毒的多環芳香烴（PAHs）	生物質（不完全）熱裂解會形成多環芳烴	多環芳烴在環境中的分布及其在作物生物質 / 食物鏈中的積累，會對土壤中的大型生物群和微生物群產生毒性，增加人類健康風險	調節熱裂解條件（溫度、原料和殘留物在反應器中的停留時間），例如：在熱裂解過程中增加氧氣可降低多環芳烴的含量
毒性揮發性有機化合物（VOC）形成	缺氧的環境會導致較輕揮發性有機化合物（溫度< 350°C）和較重揮發性有機化合物（溫度>350°C）的含量增加	揮發性有機化合物在環境中的分布及其在作物生物質中的積累會抑制植物生長，並且對人類健康的危害	氣化、土窯堆和露天生物炭生產、熱處理或化學熱解後處理，讓 VOC 含量低至不可檢測水平
潛在有毒元素（PTE）的出現	使用受污染的原料生產生物炭	PTE 分布在環境中，並在作物生物質/食物鏈中積累，則會導致植物生長下降、抑制、死亡、基因毒性影響、人類健康風險	需要仔細選擇和測試原料。較高的熱裂解溫度（約 700 °C）或焦化（torrefaction）可降低 PTE 的流動性和相關風險
戴奧辛形成	生物炭的生產與有戴奧辛的形成有關，尤其是在 200°C 至 400°C 的溫度下	戴奧辛在環境中的分布及其在作物生物質/食物鏈中的積累對人類健康的危害	用較高的熱裂解溫度（至少 500-600°C）可有效減少戴奧辛的生成，在溫度大於 1000°C 時可完全消除戴奧辛。
微生物向改變	在土壤有機碳（soil organic carbon, SOC）含量較低的沙質土壤中施用大劑量粗生物炭會降低微生物活性，減緩有機物降解速度	造成真菌與細菌比例的變化、微生物活動的減少、氮的礦化、SOC 的螯合作用	施用可溶性碳含量較高的精細新鮮生物炭可刺激微生物碳和氮的礦化。
對無脊椎動物的不良影響	pH 值和 PAHs、PTEs 及灰分含量的增加可能會影響生物的健康	繁殖和生長抑制、死亡、基因毒性 – 降低生物炭摻入量、土壤酶活性，從而降低植物生產力	分析潛在有毒化學品的含量，優先使用毒素和量低的化學品（低於閾值）的生物炭