農地土壤是人類作物的生產基地,為了追求農產品的更高產量與品質,人類會投入許多資材到土壤裡,但卻常常忽視土壤運轉的全貌。
氣候變遷是人類共同遭遇中的現在進行式,農夫常因為異常的高低溫而蒙受巨大的損失,但若能更了解土壤和作物的關聯,就可以發現要對抗極端氣溫,除了常用的因應方法外(例如溫室設置、氣溫冷卻系統),其實還有很多可以盡其在我、卻常被忽略的重要事情需要努力。這些事情並不需要大投資,但是需要觀念上的大改變。
先好好認識土壤:礦物質、有機質、氣體、水
關係到作物生長的農地土壤特質頗多,舉凡物理性質(質地、土溫、含水量、有效土層⋯⋯等)、化學性質(酸鹼值、電導度、離子交換容量⋯⋯等)、生物性質(生態組成、有機質狀態⋯⋯等)均是。有趣的是,這三種性質會彼此交互影響。您只要在農地裡改變了一件事,就像一個石頭被丟入池塘後而起的漣漪,牽動的關係相當錯綜複雜。
土壤的組成可粗分為固相、氣相與液相。固相部分為土塊內擔綱骨架的礦物質,與相對較具有生物活性與化學反應活性的有機質之混合物。礦物質為地殼岩石持續風化的產出物;有機質材料則為生物的肉身與殘骸(多數以植物來源為主)。固相部分以外為土壤孔隙,填充有土壤氣體(氣相)與土壤溶液(液相),二部含量在孔隙內互為消長。
近觀土粒間,如下圖所示,紫色部分為土壤內礦物質粒子,駝黃色部分為孔隙內的礦質黏粒與有機質混合物或共同發展的複合體,藍色部分為土壤水,淡灰色部分為孔隙內的空氣。
土壤內的四色部分,成就作物根圈內生態系的多樣發展條件。土壤中的重要生化反應、物質循環再生、礦質養分的釋放與固定、養分與水分的貯存、作物的病蟲害抵禦能力,尤其與駝黃色、藍色部分有密切的關聯。在田間作物生長障礙排除的實際工作經驗中,維持這兩個部分的穩定運作與合適量,一直是敝人與農友努力經營的目標。此目標達成後,良好與健康的作物產出自然水到渠成。
幫助根圈溫度穩定,對抗極端氣溫
根為作物重要器官,關係其礦質養分吸收、水分攝取、養分貯藏、作物初始物質合成與次生物質轉換、根圈生態餵養⋯⋯等生存上的關鍵活動。但常見田間作物根系常處於不適當的工作環境,例如:高溫傷害對作物就是很常見的逆境,特別是對根系影響的權重,顯著高於對作物地上部的影響。
首先來看一則絲瓜的案例:
底下照片中的絲瓜藤蔓葉攀上炙熱的水泥牆,痛快地接受七月午後炙陽的洗禮。這說明只要地下的根能持續於正常環境內獲得必須資源,絲瓜還是能持續安然順利生長。
Xu與Huang(2000)以不同氣溫/土溫設計,觀察匍匐翦股穎(creeping bentgrass)的生長影響。匍匐翦股穎廣泛用於草坪,是最常用來作為高爾夫球草坪的物種。結果如下圖所示,可看出土溫對作物生長影響權重遠超過氣溫。
土溫與根的分布深度都會影響根溫。從上述絲瓜和匍匐翦股穎的觀察,我們可得知:設法維持根圈溫度恆定,比維持氣溫穩定重要。當我們怪罪氣溫異常時,更該想想如何可讓根溫更穩定。我常藉由以下農地土壤管理,作為達到根圈溫度穩定能力的目標。
五項土壤有效管理,幫助溫度穩定
(一)深化有效土層:
如下圖所示,離地表越深的土壤,溫度越趨穩定。「有效土層」可視為根系可舒適發展的空間。常見到田間緊密土層,限制作物根系的深化,當作物的根只能停留在表層,就越容易受到氣溫起伏的影響。
使用器械深耕犁、或怪手破壞緊密層以深化有效土層,是農夫常用的快速方法。不過此法並非一體適用,如果當初造成緊密與膠結的成因並未被解決(通常是錯誤的管理作為,例如:不當的施肥、用藥、灌溉、耕犁⋯⋯等),日後土壤還是會故態復萌。
須特別注意的是:根系不單是植物的器官,還應包含與之相互依存的土壤生態系。若能讓土壤內有更多生物活動,就能持續地擾動緊密土層,產生很多連續性的根孔道與生物活動隧道,慢慢拉開土粒間緊密距離、增加孔隙和土壤有機質,並有望在「碳匯」上做出貢獻。
(二)根圈上方設置空氣熱能隔離層:
異常氣溫高低變化時,主要藉熱輻射與空氣對流,快速影響表淺層次的土溫。實務中,如果一時無法讓根系遠離空氣溫度的激烈影響範圍,可考慮讓空氣與根圈之間,存有一空氣對流靜滯層,隔離氣溫的影響。
根圈表面的覆蓋與敷蓋,例如草生栽培,就是田間常用的有效方法。割草高度與時機也是值得討論的議題。常見徹底地割刈雜草,甚至讓土壤裸露,後續若遇氣溫劇烈起伏,作物根系將蒙受難以回復的負面影響。
以下兩張圖為例,夏天烈日下,雜草明顯具有隔離高溫的正面效益。紅外線照片中,顏色偏紫者溫度較低,顏色偏黃到白者溫度較高。若擔心陽光直接照射土壤,造成土溫升高而影響表淺化的根系環境健康,割草高度就是一個要認真考慮的問題。
(三)合理提升土壤含水量:
水的比熱大,可穩定環境的溫度激烈變化。合理充足灌溉並能保水以提升土壤含水量,卻不至於造成氣體交換阻滯逆境,並可降低溫度變化幅度。
前述的深化有效土層,也有望讓土壤水停留時間增加,卻不至於造成氣體交換阻滯。假設土壤孔隙率為50%,並取用一半的土壤孔隙作為可貯水又不會讓作物根系窒息的土壤水安全貯庫。每增加有效土層4公分,每次風雨後,一公頃土地上就有望多保留100噸(相當於您在路上所見5輛中油油罐車的容量)的土壤水庫存。水也是重要的生命所需資源,土壤中生物與作物都仰賴甚多,對作物根圈環境與區域內的氣溫有極大的幫助。
下圖顯示水的比熱大有利於溫度變化穩定,但也會造成根溫在早春回暖遲緩。田間實務中的灌溉水量、時間、與相關配套需多加考量。
(四)作物生長最大化:
作物可藉太陽能把二氧化碳與水轉變成有機物,成為多數生態系成員食物網的開端。土地內的作物(甚至是雜草),都可餵養土壤內的生物。讓作物生長最大化,藉之使生質量產出效益最大化,是活化土壤的有效策略。
常見休耕土地寸草不留、或綠肥生長良莠不齊、或所植作物因管理不當所致的孱弱⋯⋯都是可檢討與改善之處。有植物生活的土地也可幫助上述土壤有效土層的發展,遮蔽日光直射、風雨的侵蝕,保持溫度恆定,並維持土壤構造中駝黃色、藍色部分的良好正常運作。
(五)聰明整合管理作為:
所有田間管理方法的正反效應都不是絕對的,無法一致看待。以下舉例說明:
比對以下晚春初夏乍暖還寒時的溫室內所拍攝的可見光與紅外線照片,塑膠布溫度30.5℃。相對健康的瓜葉片溫度20.7℃,不健康的瓜葉?27.6℃。後者應是因為根系攝水不良,導致葉溫相對較高,在高溫環境下將會有更高的病害感染風險(葉片熱熱的、軟軟的、有水有醣有養分,像不像一個理想的微生物培養基?)。銀黑覆地PE膠膜解決了雜草與之前低溫問題,但也提供了病害更溫暖的發展空間。
再比對以下兩張照片,溫室內關閉了難以逸散的熱能,地覆PE膜解決了雜草的困擾,但造成的高溫會讓作物組織與器官發燒,引發植株衰弱與病蟲害。但相同這樣的設施,在冬季寒流時反而會有正面的保暖功能。
再看溫室外長草區,同樣都是長草,溫度也有高有低,排水不良的土壤緊密區,草皮表面溫度較高,原因是人類走踏影響了土壤構造,繼而造成對水分涵養量及後續溫度的不同影響。
一如人體內有很多蛋白質與生化反應的運轉,維持體溫恆定是攸關生死的重要大事。土壤內的生物與植物體亦是有生命的個體,諸多生化反應與植物健康都有其合適的工作溫度。因此維持土壤環境溫度穩定,也是有助於土壤生物、作物的健康生存與穩定發展。
人類往往只看作物豐收的目標,致使農地土壤被持續過當干擾,而產生許多異常狀況,光是從溫度這個層面來分析,就有上述的錯綜複雜故事。希望以上內容可以提供給感嘆因氣溫異常而使財富深受影響的辛苦農友參考,讓大家還有一些可盡其在我的企圖心與合理對策。
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