以炭資材改善泥岩土壤之物化性質
尤敬弦[1]顏粕昇[1]郭婉儀[1]簡士濠[2*]
摘要本研究以400°C及700°C兩種溫度裂解而成之稻穀炭作為土壤改良基材，分別以0％、2.5％、5％及10％(w/w)之添加量均勻混入泥岩土壤，並培育21周。培育期間，每21天固定測定總體密度、顆粒密度、孔隙率、電導度、陽離子交換容量、鹽基飽和度等物化性質。試驗結果顯示，土壤孔隙率隨施用率增加而顯著提升，最高施用量（10％）下，孔隙率顯著增加1.4倍以上。因稀釋作用，兩種溫度稻殼炭之電導以10％添加量為最低，約為15 ds/m。陽離子交換容量各處理間無明顯差異，皆約為10 cmol(+)/kg-1；鹽基飽和度各處理皆為100％，亦無差異。本試驗結果指出添加稻穀炭僅顯著對泥岩土壤之物理性質具有改善效果。
關鍵詞：稻殼炭、泥岩、物理化學性質。
Improvement of Soil Physiochemical Properties in
Mudstone Soils by using Biochar
Jing-Shen Yu[1] Po-Sheng Yan[1] Wan-Yi Kuo[1] Shih-Hao Jien[2*]
ABSTRACT This study used rice hull biochar, which pyrolized with 400℃and 700℃, to be soil amendments to incorporate into the mudstone soil with different application rates of 0％，2.5％，5％and 10％(w/w). The soil samples were collected at 0, 21, 42, 63, 84, 105, 126 and 147 days for analysis of soil physiochemical properties, including practical and bulk density, porosity, electrical conductivity (EC), cation exchange capacity (CEC), and base saturation percent (BS). As comparison with the control (i.e, not add biochar), the incorporation of biochar in the highest application rate (10%) significantly increased porosity by 1.4 times. The EC values were the lowest (15 dS/m) in the treatment of 10% biochar incorporation, and no any differences were found between biochars pyrolized by temperatures. Cation exchange capacity (CEC) and base saturation (BS) did not influenced by biochar incorporation. In conclusion, incorporation of rice hull biochar just only improved the physical properties in mudstone soils based on our results.
Key Words:Rice hull biochar, mudstone, physiochemical properties.
一、前言
臺灣地區泥岩土壤主要分布在曾文溪以南的台南縣及高雄縣等丘陵地區，主要屬於古亭坑層，其次在卑南大溪東側向北延伸至玉里東邊的利吉層與南部恆春半島的墾丁層，總面積約為1,000 km2(陳時祖，
1994)。古亭坑層泥岩可分為兩部分，下部分為甚純的暗灰泥岩，為大崗山石灰石底盤之基岩；而上部份為呈灰白之鈣質泥岩，內含相當多之生物碎屑與化石，其位置介於石灰岩與暗灰泥岩之間，是兩者之間的過渡地帶，厚度可由數十公分到數公尺，稱之為泥灰岩。泥岩常含有大量之可溶性鹽類，其組織依粒度分析的結果，主要以坋砂岩和黏土為主，且分佈均勻。泥岩土壤因膠結作用差，容易造成土壤沖蝕、植物不易成長，地表呈現惡地形景觀，俗稱月世界(林俊全，1995)。此外，加上西南部泥岩地區經長期土地利用，土壤品質劣化嚴重，植生困難，在乾濕季節交替變化與降雨沖蝕之下，泥岩表層土壤易流失；加上泥岩本身的理化性質特殊，乾燥時即為堅硬，濕潤時軟如泥漿，對於用工程方法改良甚為困難(許正一，2001)。
近年來因環保意識高漲，回收再利用已成為一項新趨勢。本次實驗採用的是廢棄稻殼製成生物炭，進而嘗試來改良泥岩土壤。台灣地區稻米年產量每年約1200萬噸，過程中產生之廢棄稻穀也相對可觀，每年約可產生稻殼總量約為2,691公噸(陳思昀，2011)。生物質利用高溫熱裂解後，其炭化資材多為鹼性，添加至強酸性土壤，可顯著改良土壤pH值、或降低土壤內溫室氣體的排放、提升土壤肥力及吸附土壤內重金等
〔1〕國立屏東科技大學水土保持學系碩士班研究生
Graduate student, Dept. of Soil and Water Conservation, National Pingtung University of Sci. and Tech., Pingtung 912, Taiwan
〔2〕國立屏東科技大學水土保持學系助理教授（* 通訊作者E-mail: shjien@mail.npust.edu.tw）
Assistant Professor, Dept. of Soil and Water Conservation, National Pingtung University of Sci. and Tech., Pingtung 912, Taiwan
有害化學物質。因此本研究目的主要欲探討添加不同裂解溫度及配比的稻穀炭對於泥岩土壤的物化性質影響。
二、材料與方法
1. 供試材料
(1) 土壤
本試驗採用的是高雄市燕巢區的月世界的泥岩為供試土樣(120°22’49”E，22°53’22”N)。研究區域為上新世至第四紀更新世地層泥岩，泥岩本身為鹼性，pH值高達8~9左右，交換性鈉離子含量高，容易產生崩解作用，也因細顆粒之坋土及黏土含量很高，低透水性，造成地面逕流率高，因此為最容易受沖蝕的土壤。本研究採集表土(0~15cm)；將土樣採回後即風乾，並過4號篩使土樣均質化。
长月烬明车开得比较猛的文段圖1 土壤採樣地點
Fig.1 Location of the study soil
(2) 硫磺
泥岩土壤具有高pH之特性，植生與作物皆不易生長於上。硫磺為常見調整土壤反應之改良資材，因此本研究以3％(w/w)之添加比例將硫磺加入泥岩土壤並持續於田間容水量下養治21周，目的在於降低泥岩土壤之pH值。
(3) 稻殼炭
水稻為台灣主要作物之一；然而，製米過程所產生的稻穀量卻為一大宗農業廢棄物。稻殼通常無法直接施入土壤中作為土壤改良資材，近年來，將稻穀利用熱裂解的方式製成炭資材，用以改良劣化土壤，但確切效果仍未有通論。不同溫度熱裂解下，炭化資材亦有相異之特性。因此，本研究採用400∘C和700∘C裂解而成的稻穀炭，添加供試土壤來比較出這兩者對泥岩土壤物化性質的影響。
2. 試驗設計
將通過＃10號篩後之風乾土壤，以3％比例之硫磺加以拌合，乾溼平衡，並穩定一個月後將400∘C和7
00∘C稻穀炭分別以0％、2.5%、5%、10%(重量比)添加至泥岩土壤內。裝入寬30cm、長40cm、高10cm 的塑膠盆內，並將塑膠土盆放置陰涼處孵育，每日澆水維持田間容水量之70%水分含量。共養治21周，每3週採樣一次來分析供試土壤的物化性質。
經過六個月孵育之各處理供試土壤填入盆栽約  2.5kg，首先將供試土體量測土壤硬度，接著再土體加入2g百慕達草種子。每天澆水並記錄澆水水量，當草種發芽後立刻進行電導度試驗。
3. 試驗項目曹操简介
(1) 供試土壤改良物化分析方法。
1.1土壤顆粒密度(Particle Density) ：以比重瓶法測定，以g cm-3。
1.2土壤總體密度(Bulk Density)：以土環法測定。完成後計算孔隙率(Porosity)，以百分比表示。
1.3電導度(Electrical Conductivity) ：以飽和土糊抽出法測定，以ds m-1。
1.4土壤反應（Soil Reaction ）：以玻璃電極法測定（水土比=1：5），以pH值表示。
1.5土壤交換性陽離子及陽離子交換總量(Exchangeable Cation and Cation Exchange Capacity)：以中
性醋酸銨法（pH=7）淋洗後用原子吸收光譜儀(Atomic Absorption Spectroscopy)量測Ca、Mg、K、Na含量，以cmol(+) kg-1。
1.6鹽基飽和度(Base Saturation)：以酸化氯化鈉(pH=4)淋洗並定氮，以百分比表示。
(2) 盆栽試驗。
2.1土壤硬度：以山中式硬度計測定，以mm表示。
2.2種子發芽前後的電導度：以飽和土糊抽出法測定，以ds m-1表示。
表1 稻穀炭物化性質
Table.1 The physiochemical properties of rice hill biochar
Properties Biochar-400∘C Biochar-700∘C
pH value 8.00±0.05 8.10±0.06
EC value (dS m-1)0.58±0.10 0.55±0.15
TOC(％) 30.90±0.95 33.0±1.97
TN(％) 0.41±0.23 0.35±0.05
C/N 75.4 94.3
CEC(cmol(+) kg-1) 26.1±3.41 35.6±6.58
Exc.Ca(cmol(+) kg-1)    2.44±1.18    2.80±0.36
Exc.Mg(cmol(+) kg-1)    1.92±0.09    2.04±0.16
Exc.K(cmol(+) kg-1) 18.57±1.03 18.8±2.13
Exc.Na(cmol(+) kg-1)    1.25±0.77    1.08±0.08
表2 泥岩土壤物化性質
Table.2 The physiochemical properties of mudstone soil
顆粒密度總體密度孔隙率EC值pH值硬度CEC
2.73±0.03    1.59±0.02 40.3±0.1 20.4±0.3 7.9±0.3 2
万恩妮3.8±0.4 26.93
郑中基的老婆
三、結果與討論
1. 供試土壤改良後物化性質
本試驗數據項目分別為：BK(泥岩+ 3％的硫磺)，2.5％-400℃、5％-400℃、10％-400℃(泥岩+3％硫磺+2.5％、5％及10％400℃裂解成的稻榖炭)，2.5％-700℃、5％-700℃、10％-700℃(泥岩+3％的硫磺+重量比2.5％、5％及10％700℃裂解成的稻榖炭)。
(1)土壤顆粒密度
泥岩土壤中坋粒及粘粒部分的礦物以石英及矽酸鹽黏土礦物占優勢，一般礦質土的顆粒密度多在2.5~2.8之間，平均為2.65。圖3及圖4可發現供試土壤添加越多比例(2.5％、5％、10％)的稻穀炭對於顆粒密度會略有降低的趨勢，但不會隨著時間的增長及熱裂解溫度高低而有差異。黃光亮等(1998)指出稻穀炭之顆粒密度約為0.73 g cm-3，因此添加越多比例的稻穀炭的確能降低供試土壤內的顆粒密度。
(2)土壤總體密度與孔隙率
数字含义泥岩土壤內添加不同比例及裂解溫度的稻穀炭經過時間培育後，從圖5可看出在第0周各處理的孔隙率最高，因為土壤風乾過篩後直接放置土盆中，在澆水的過程中藉由水密作用逐漸壓密，固孔隙率在第0週到第9週的下降幅度大，但在第9週以後孔隙率下降幅度趨緩。在第21週孔隙率達到最低，得知隨著孵育時間增加，相反地孔隙率會降低至穩定。其中供試土壤添加重量比2.5％的稻穀炭經裂解400℃及700℃的孔隙率分別為44％及47％；添加重量比5％的稻穀炭經裂解400℃及700℃的孔隙率分別為46％及47％；添加重量比10％的稻穀炭經裂解400℃及700℃的孔隙率分別為52％及57％。當稻穀炭熱裂解溫度越高時，碳化效果越好，其比表面積越大進而可能促進團粒化作用。在圖中可發現添加2.5％、5％孔隙率和BK 孔隙率相比能增加1.2倍，添加10％可以提升1.4倍以上。
圖3 400℃稻穀生物炭不同添加量對供試土壤顆粒密度之影響
Fig.3 The effect of particle density with different quantities of 400℃rice hull biochar
圖4 700℃稻穀生物炭不同添加量對供試土壤顆粒密度之影響
Fig.4The effect of particle density with different quantities of 700℃rice hull biochar
圖5 400℃及700℃稻穀生物炭不同添加量對供試土壤孔隙率之影響
Fig.5 The effect of porosity with different quantities of 400℃and 700℃rice hull biochar给长辈拜年的祝福语
(3)電導度
圖6及圖7可發現BK從第0週到第21週的電導度有逐漸上升的趨勢，原因為土壤添加硫磺會使土壤內的
EC值上升(K.G.Shetty and A.P.Schwab，1995)。此外，添加比例越高之稻穀炭亦使土壤內EC值些微增加。
圖6 400℃稻穀生物炭不同添加量對供試土壤電導度之影響
Fig.6 The effect of electrical conductivity with different quantities of 400℃rice hull biochar