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編輯台引言：氣候變遷已經不是學術界的專有名詞，甚至變成各政府關注的政策重心，但關於氣候變遷，還有很多學界走在前頭的研究鮮為人知，新興科技媒體中心即處理了氣候變遷其中一個重要的討論，就是陸地吸碳的能力。
學術界正熱烈討論土壤水分，土壤水分會影響土壤中的微生物、植物生長情形，因此會影響陸地的吸碳能力。有學者研究土壤水分在陸地吸碳的角色，這一篇研究在知名國際期刊《Nature》上刊登，來看看這篇研究與學者的討論吧！

當我們要解決氣候變遷時，可信度高的預測工作是很重要的關鍵。但是，影響預測的科學不確定性因素很多，比如環境如何影響陸地吸碳的速度就是其中之一。事實上，陸域生物圈吸收了約25%的人為二氧化碳（CO₂）排放，因此，理解哪些地球上的影響因子，如何促使或限制限制或陸地的碳封存（land carbon storage）效應，就有機會改善對氣候長期預測的準確性。

本文研究標的是土壤水分，它是影響陸地吸碳的潛在限制因素，當生態系中的植物發生缺水，使得植物無法生長、代謝（即水分逆境現象，water stress），就會減少整體植物經過光合作用後的初級生產能量，造成植被死亡，再經由陸地與大氣的相互回饋作用，加劇了極端氣候（如乾旱）等現象。

這篇文章之所以重要，是因為先前的研究，只探討過土壤水分能被植物所吸收利用程度的「有效性」，會如何影響地球碳循環的碳通量（carbon-flux）變異度，卻不清楚土壤水分本身，它的改變趨勢對碳循環的長期影響，以及它會如何造成植物在呼吸過程中如何被消耗（即碳損失）的機制。本文使用4個地球系統模型跑出的系列實驗資料，來分析陸地區域內，生物群系的生產獲得或損失之淨碳量和土壤水分變化的關係。最後發現，特定地區所增加的變異度，以及乾燥趨勢，預計都會減少碳匯。而本世紀的土壤水分變異度與趨勢，將催生出嚴重的碳通量（大約每年20-30億噸，已相當於陸域碳匯總量）。

換句話說，氣候潮溼年份的吸碳量也無法補回乾旱年份減少的吸碳量。研究結果強調，陸域之所以能在未來的碳匯效果中見效，是取決於碳通量對土壤水分的非線性反應，以及陸域與大氣間的相互作用。這表明了，碳吸收率的增加趨勢可能無法持續到本世紀中葉以後，並可能加速增長了大氣中的二氧化碳。

研究原文：

1.＜土壤水分對長期陸地吸碳能力的嚴重影響＞
Green, J. K., Seneviratne, S. I., Berg, A. M., Findell, K. L., Hagemann, S., Lawrence, D. M., & Gentine, P., “Large influence of soil moisture on long-term terrestrial carbon uptake,” Nature, Vol. 565, No. 7740 (2019): 476-479.

新興科技媒體中心邀請到臺灣大學農業化學系許正一教授與臺灣大學大氣科學系羅敏輝副教授，為我們詳細解釋這篇論文的重要性與限制，除了肯定土壤水分的研究，也特別提醒台灣集約式的土地利用，更提高了探討土壤碳封存研究的挑戰性；另外，土壤水分資料的收集以及山坡地開發的問題，將是我們刻不容緩需要研究的議題。

2019年04月03日
臺灣大學農業化學系 許正一教授

陸地上的碳封存能力，完全取決於土壤性質與其相關的生態因子，例如植被、地形、氣候、甚至土地利用等。基於二氧化碳對溫室效應的重大影響，探討土壤性質與碳封存能力成了全球變遷的重要議題，而這些影響二氧化碳從土壤中排放出來的性質有很多，例如pH值、有機質的含量與品質、微生物活性、養分狀態，以及本文所提到的土壤水分。

土壤水分，應該是一個影響二氧化碳排放的間接因子，因為土壤微生物利用有機質為碳源（carbon source）進行呼吸作用，土壤始排出二氧化碳，而水分狀態控制了土壤通氣性，通氣性的高低則決定了微生物族群的差異，微生物不同，呼吸作用效率即有所別。另外，不同微生物喜好分解的有機質組成分均有所不同，也導致有機質最後的分解產物──二氧化碳，產生差異性，這些都是閱讀本文結論前，需要釐清的。所以針對二氧化碳的排放，微生物族群與活性、有機質含量與通氣性等，才是直接的因子。本文用「土壤水分」這個間接的土壤性質，來做為分析二氧化碳排放量的模式依據，本研究僅能說明長期土壤濕度趨勢的改變，會影響初級生產力（primary productivity），由此來說陸地碳封存能力的變遷，但是，直接與間接的生態因子與土壤性質所產生的變因太多了，作者必須把變因降低到可以依科學方法來說明，進而產生結論，這是沒辦法的事。

臺灣的可耕土地面積約有90萬公頃，其中有一半曾為水稻田，而浸水環境下通氣差的水田土壤，二氧化碳排放量明顯低於旱田土壤。高溫多雨的臺灣，土壤有機質分解較快，而在降低稻米生產量之餘，水稻田轉作旱田或休耕後面積緊縮，土壤水分的降低更加速了土壤二氧化碳排放速率。另外，臺灣集約式的土地利用方式，更提高了探討土壤碳封存研究的挑戰性，例如輪作系統、農地造林、溫網室栽培（註1）、季節性休耕等，都是面對極端氣候下的海島型亞熱帶國家，需要正視的溫室效應議題。

參考資料：

1.農委會：推動溫網室設施栽培─輔導產業轉型精緻化生產（2015年9月）

2019年04月18日
臺灣大學大氣科學系 羅敏輝副教授

2018年二氧化碳的排放量再度創新高（註1），全球暖化效應將因此越來越強，而極端天氣與氣候（如乾旱、強降雨、水災等）出現的可能會越來越高。事實上，準確估計碳循環有其困難度，尤其在陸地上碳循環收支平衡的估計上，其不確定性更高。本研究利用四個目前最先進的地球系統模式模擬陸地上的「淨生物群系生產量」，探討土壤水分的變化如何影響碳循環，結果顯示未來陸地由於土壤水分的變異性加大，導致可以吸收的碳將會減少，也意味著，大氣中的二氧化碳濃度可能會因此變得更高，使得全球暖化程度變強。大規模碳收支的觀測資料有限，因此利用地球系統模式，配合數組數值實驗（不同的土壤水分的變化程度）來探討土壤水對碳循環的影響，是相當創新的研究。但由於缺乏觀測資料來驗證模式的模擬結果，因此在分析模式的結果時一定會有其不確定性，特別是在未來氣候的暖化情境下，這也是本研究的限制之一。利用數個模式，應可降低不確定性，不過還是必須要謹慎地解釋模擬結果。

此外，陸地透過土壤水的蒸發作用與植物的蒸散作用提供水氣給大氣，所以土壤濕度亦可以透過改變地表溫度、能量通量，進而改變地表能量收支。地表分配給蒸發散的能量會受限於地表有多少水可以被蒸發；也就是說，土壤越濕，地表可以分配給蒸發散的能量就越多。因此土壤濕度的變化可以顯著地改變當地的溫度與溼度，再間接地影響到降水過程，同時也會影響到河川流量。

當臺灣年降雨量變化不大的情況下，越來愈多的極端強降水以及乾旱事件的發生，將導致土壤水分的變異性加大，同時含水量可能會減少，因此土壤水分資料的收集以及山坡地開發的問題，將是我們刻不容緩需要研究的議題。由於土壤水分在碳循環中扮演著相當重要的角色，必須繼續致力於改善地球系統模式中，植被對土壤水分變化的反應、植物與土壤水分間的交互作用，以及陸地與大氣交互作用的過程，以更好地預測未來的氣候。

參考資料：

1.【自由時報】2018二氧化碳排放量創新高 中國佔總量近3成 （2019/03/26）

利益聲明

許正一教授：我沒有利益衝突。

羅敏輝副教授：我沒有利益衝突。

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