土壤遇上農業，就踏上了一條不歸路？—《土壤的救贖》

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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「趕快下來、房子要倒了！」隨著工地主任一聲大喊，居民慌亂逃出。接著，基泰大直建案隔壁的公寓，就像坐電梯一樣往下陷落，原本的 1 樓，如今已成為地下室。

除了基泰大直案，台灣各處都偶有聽聞發生天坑、房屋沉陷等事件，這些災害，似乎又常常是地下工程惹的禍。

但這次事件是怎麼發生的？軟弱的地盤真的不適合蓋房子嗎？我家或你家，也會遇到嗎？

為什麼土壤會崩塌？

為什麼土壤會崩塌？大家應該都有過在海邊堆沙子的經驗，當砂子堆到一定的角度後，沙堆表面的沙子就會開始不穩定，這時如果繼續堆沙，沙子就會坍方。

土壤的「剪力強度」會使土壤坍塌到一定程度後就不會繼續坍塌，讓土壤的斜面與地面形成一個角度。所謂的剪力是指將物體推往相反方向的外力，例如用剪刀剪紙，或是用手撕紙。而土壤的剪力強度，指的是防止土壤發生平移破壞的阻抗，剪力強度愈大，代表愈不容易發生坍塌。

剪力強度的大小則受到土壤的顆粒形狀、大小分配比例、緊密程度以及凝聚力所影響。例如由不同形狀與大小的顆粒混雜而成的土壤，彼此之間的摩擦力比只有相同大小顆粒的圓形土壤，強度還要高。或是含水量較少的黏土，比含水量高的黏土黏滯性還高，凝聚力更強，因此剪力強度比較高，更不容易坍塌。

若是開挖基地的土壤剪力強度不足，很難形成垂直度高的壁面，這個時候若是沒有足夠的空間設立明挖邊坡，就需要擋土壁來擋住側向的砂土，保護開挖面，讓工程順利進行。

大家在這次事件一直聽到的「連續壁」，是一種常見的地下擋土設施，就可以擋住側向的沙土。開挖建築地下室前，常會在基地周圍施作一圈連續壁，阻擋地下水與土壤，再進行開挖工作。由於連續壁適用範圍廣、可以擋水、所需空間不大，對臨房影響較小，常被用在軟弱黏土以及都市密集區的工程。而連續壁的貫入深度，通常是開挖深度的 2~3 倍。

以台北市為例，根據臺北市建築工程基礎開挖安全措施管理作業要點，在有鄰房的狀況下進行地下開挖，深度只要達 8 公尺以上就要採用連續壁擋土工法。這些連續壁不僅能用來保護工地，還可以成為未來完工後，建築物地下室的永久外牆。

那麼，這次事件又發生了什麼事呢？

大直民宅坍塌事件是怎麼發生的？

為了抵擋側向土壓力與水壓力，通常擋土壁還需要配合基地內的支撐系統。常見的施工流程首先會在施作擋土壁之後打入中間柱，並且開挖第一階土方。接著在中間柱上架設一層臨時性的水平支撐與施工構台，才會繼續往下開挖下一階土方，重複這樣的步驟直到挖至設計深度。全部開挖完成後，最後在底面鋪設混凝土底版，由下往上開始施作地下室結構。

這次基泰大直事件中，基地位於軟弱黏土地盤。當開挖作業進行到一定深度後，連續壁外側的土壤重量，超過連續壁底部黏土的抵抗力，開挖底部失去平衡。外部的黏土沿著破壞面流動，湧入開挖區。緊接著，基地內的土壤連同中間柱被湧入的土壤向上抬起。當中間柱被向上推之後，橫向的水平支撐也隨之崩解，失去保護連續壁的作用，最後失去側向支撐力的連續壁朝基地內擠進破壞。

災難如連鎖反應，除了基地結構被破壞，基地外側的土壤也會因為向開挖區內流動，導致地面大量沉陷，蓋在上面的房子，也就是這次事件中受害的民宅，隨之下陷。這種工程災害稱為「隆起破壞」。

過程雖然是這樣，但導致這次事故發生的確切原因，目前還在調查當中。可能是調查與設計單位對地質狀況的判斷過於樂觀，連續壁的設計貫入深度不足，或是因施工不慎，導致連續壁與支撐系統並沒有完全發揮作用。

那麼你可能最擔心的是，我家會不會也遇到相同問題，買房前是不是也要挑地質？

常見的開挖災害有哪些？

這邊要先說明，其實不同的地質，需要對應不同的考量與施工工法，我們應該因材施工。而不同地質，也會面臨不同的挑戰與風險。例如基泰大直的隆起破壞，容易發生在軟弱黏土進行的開挖工程，而在透水性良好的砂質土壤中，則可能會因為地下水位差，發生管湧與砂湧等災害。

什麼是管湧呢？它指的是地下擋土壁因為施工不慎導致壁面出現裂縫，在裂縫處將容易形成透水路徑。如果沒有即時修補裂縫，滲出的水流會愈來愈大，並夾帶砂土，形成滲流管道。水流夾帶砂土持續湧入開挖基地，就會使得擋土壁外側逐漸被掏空，導致上方鄰近道路及房屋沈陷。

而砂湧，也是另一個容易發生在砂質地盤的災害，這種現象主要發生在基礎開挖時，基地內側與外側水位落差很大。水位差會使地下水由擋土壁底端上湧，當上湧水流的壓力大於開挖面底部土壤的重量，水壓會將基地內的土砂舉起，冒出開挖面，進而導致開挖基地的破壞。

不過除了先天的地質問題，擋土壁與支撐系統，也可能會因為設計與施工上有所疏失，使得擋土壁牆身的強度不夠或位移太大而發生破壞。

話說回來，這些軟弱地盤，是不是根本就不適合蓋房，爛泥扶不上牆，不對，是爛泥扶不住牆呢？

軟弱地盤真的不適合蓋房嗎？

就像蛋糕不是只有蛋，建築的地盤不只有土壤，而是由土壤、地下水及空氣所組成。依照不同的比例及成份，有著不同的特性。若是地質沒辦法讓蓋在上面的建築物穩定安全，就是所謂的軟弱地盤。

軟弱地盤通常位於沖積平原、湖沼地或是人工回填區。這些地方的土壤因為沒有經過地質變動等物理作用，通常由軟弱黏土、沉泥、或是鬆散的砂土所構成。例如台北盆地是河流所形成的沖積平原，因此大部分的地區都是屬於軟弱地盤，而桃園、台中的地質則穩固許多。

直接在軟弱地盤上蓋房子，就像將建築蓋在豆腐上，不僅施工時容易發生災害，建築也可能會因為自身的重量而沉陷。但隨著都市發展，所需要的土地大量增加，我們很難完全避免在這類地盤上興建工程，因此工程師會利用各種方法，來克服困難的地質條件。

軟弱地盤並不是完全沒有辦法蓋房子，我們可以選擇深基礎，透過數十公尺長的基樁，穿過軟弱土層，將建築固定在更深處的堅硬岩盤上。

或是透過地盤改良，改善土壤的特性，防止破壞、液化以及沉陷等問題發生。

除了加入岩隱村習得土遁忍術以外，地盤改良的方式非常多，同樣需要依據地盤的性質、改良的方向以及工程的類型來選擇最適合的工法。這裡介紹幾種台灣常見的地改方式。

第一種是振動夯實，這種方法是利用機械振動等外力，使基地土層的密度增加，加強支撐力，減少發生沉陷或液化的可能，這種方法適用在非黏性的土層。

第二種，排水預壓工法。這種方式則是在蓋房子前，在基地加上額外的載重，同時也可以搭配排水帶，縮短土壤孔隙水的排水路徑，讓水更容易排出，進而增加土壤的壓密速率，減少土壤內的孔隙與含水量，克服未來建築完成後的沉陷問題。

第三種，也是在都市建築中最常見的地盤改良，是深層攪拌工法，利用特殊機械，透過高壓噴射或是機械攪拌等方式，在地層中注入水泥，並同時攪拌土壤，讓水泥與周圍的土壤拌合成固結體，與原本的地層組成複合基地，以提高土壤強度，我們常聽到的地盤改良樁，就是屬於這種工法。

也就是說，透過合適的地盤改良、基礎形式與開挖工法，軟弱地盤也是能蓋房子的。

如果你對你家，或是你想要買房子地方的地質很好奇，那事不宜遲……就來介紹查詢看看你家地質吧。

我該怎麼知道我家的地質？

依照經濟部地質法的規定，只要是政府機關或公營事業所辦理的地質調查，都需要將調查結果提交給中央主管機關。而這些資料都會被上傳至中央地調所建置的公開平台——工程地質探勘資料庫，也就是說，如果你家附近曾經有公共工程進行過地質調查，就可以在上面找到鑽探資料。

另外，政府也公布了全台的地質分佈資料、土壤液化潛勢區以及活動斷層的分佈，資料都公開在網路上，有興趣的觀眾可以上去查看，更瞭解自己的居住環境。除此之外，國家地震研究中心甚至有有簡單的試算方式，可以評估自家住宅的耐震能力。

當然這些公開資料，只能作為工程設計的初步參考，還是需要請專業的地質調查公司進行鑽探與實驗，才能比較完整地瞭解基地的地質。因為即便知道自己家裡附近的地質類型，地質條件還牽涉到各種土壤參數，工程設計和施工品質也有重大的影響。此外，像順向坡角、土石流及易淹水潛勢區這類危害很大的地方，一般民眾原本也鮮少將此列入尋覓住處的考量。

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參考資料

• https://www.pcc.gov.tw/cp.aspx?n=BDB0…
• https://news.pts.org.tw/article/655460
• http://www.twce.org.tw/modules/freeco…
• http://www.twce.org.tw/modules/freeco…
• https://www.champmon.com.tw/H-1.htm
• https://udn.com/news/story/123732/742…

土壤懂得自我掩護。土地一裸露，就會立刻冒出遍地的植物和雜草，保護土壤免受大自然侵襲。龜裂人行道的縫隙，一株株小草探頭而出，窣窣低語，證明了就連都市裡被水泥覆蓋的土壤也渴望植物的保護。

植物往上長時，根部會往下紮，最後根部連同死掉的草（如果被割除後留在土壤表層上），一起分解腐化，變成一層腐殖質。這種幾近魔術的過程（亦即使植物變成有機體的過程）仰賴的就是土壤裡的有機生物，從蚯蚓、昆蟲到細菌等底層階級。然後，腐殖質變成鹽，但不是我們撒在食物上的那種鹽，而是可以幫助植物生長的硝酸鹽和磷酸鹽。除此之外，動物也納入這套體系中，因為牠們的糞肥可以起相同的作用，而且速度更快，只需幾個月，毋須耗上好幾年。換言之，動物的糞便可以讓分解腐化的速度加快，並因此加速植物的生長。

上述說明只是粗略地解釋這套複雜的體系，重點是其核心概念：透過這樣的循環過程，土壤具有自給自足的永續力（而且還有自我改善的能力）。植物根部死了之後，變成土壤裡那些有機體的食物，於是，沒有被人類吃掉的植物，要不滋養了新的禾草，要不就是變成腐殖質。這就像銀行的長期帳戶，可滿足植物的未來需求。

然而，土地上出現農業之後，情況變得如何？土壤失衡了。我們收成作物時，把土壤裡的養分一併抽取移除（最後還吃下肚），因此，我們必須讓等量或者更多的養分回歸到土壤裡。英國科學家暨有機農業之父艾伯特．霍華（Albert Howard）稱此為「回復律則」（Law of Return）。律則二字，貼切至極，意味著這是不可妥協的。除非養分回復，再度肥沃，否則土壤勢必遭殃。讓土壤回復到肥沃狀態，是土壤健康的關鍵，也是食物美味的關鍵。

土壤肥沃有三要素，克拉斯以成功的企業來做比喻。第一要素是利潤，也就是收成而得的金錢。第二要素是營運資金，這是所有企業的引擎，以土壤的肥沃來說，就是能直接給予土壤養分的糞肥和堆肥。第三要素就是預備金，可承兌的資金，能提供企業長期的生產力，腐殖質要發揮的，就是這樣的功能。如威廉．阿爾布列契特博士所言，這三要素決定了土壤的「體質」。若沒有這三要素發揮正常功能，公司就會面臨倒閉。

基本上農夫都懂土壤肥沃的重要性，即使他們沒辦法解釋原因，所以，當他們無法遵循回復律則時（可能是因為沒有動物糞肥，或者不知道該如何回復土地養分）他們就會移居到全新的處女地。處女地養分滿滿，極其肥沃，農人毋須擔心養分耗竭，不過，當然也有被用到耗竭的一天。這點，殖民時期的美國人很快就學到教訓。

在《糧食帝國：盛筵、飢荒，以及文明之興衰》（Empires of Food: Feast, Famine, and the Rise and Fall of Civiliaztion）一書中，作者伊凡．弗雷瑟和安德魯．利瑪斯認為，從歷史上來看，古羅馬、希臘和中世紀歐洲這些糧食帝國的輝煌盛業，其實都是建立漫不經心的土地儲備體系上。他們種植糧食，然後運送到遠方供應給日益增加的人口，不斷消耗肥沃的土壤，卻沒把養分儲存回去，因此這種作法只能維持短暫時間，最終土地會無法生產糧食。

化學取徑

肥料的最重要成分是氮，植物需要氮，沒有氮，就無法生長。氮可以透過兩種方式儲存在土壤中，第一種是藉由黃豆、紅豆、綠豆，或者豌豆之類豆科植物（或者像克拉斯，種苜蓿來取代豆科植物）。這類植物可以「抓住」空氣中的氮。

另一種方式是透過糞肥。糞肥裡除了有氮（以胺鹽基或有機物的形式存在），還有其他深具價值的營養素。從歷史上來看，糞肥因其對農事的價值而備受推崇，1900 年代晚期，法國鄉村姑娘的嫁妝甚至是以娘家農地上的糞肥數量來計算。不過，糞肥有兩個主要缺點。第一就是並非所有糞肥的氮都能被土壤吸收。此外，這種取氮方式很耗費時間：動物吃草的速度很慢，照這種龜速吃下去，永遠空不出土地來種糧食作物。

1840 年，德國化學家尤斯圖斯．馮．李比希所著的《化學在農業與生理學上的應用》（Chemistry in Its Application to Agriculture and Physiology ）出版後，提供了解決之道。李比希認為，農夫可以不用固著於之前的循環式養分，改成直接把化學補充物添加到土壤即可。他把土壤肥料簡化成植物生長不可或缺的三種營養：氮、磷和鉀，英文縮寫簡稱為 N-P-K。

摒棄土壤裡豐富的生物性肥料，只取這三種化學元素，這種事想來匪夷所思，可是以農夫的角度來說，這種作法確實誘人。如果糞肥裡的礦物質是肥料的重要成分，那何不捨棄糞肥，直接在土壤裡添加礦物質呢？當土壤所需的營養不僅可以單向灌注到土壤裡，而且極有效益時，古老且耗費體力的農耕技術似乎就變得沒那麼重要。

大衛．蒙哥馬利在其著作《文明之侵蝕》（The Erosion of Civilizations）中提到，李比希的發現讓人類對宇宙的理解有了重大影響，讓我們知道可以如何操控大自然：現在，農民只要將正確的化學物放入土壤裡，撒上種子，就可以站到一旁，看著作物自己生長。化學物有能力催化作物生長，這樣的信念取代了農耕勞動，也使得輪作和順應土地調整農法的觀念變得怪異不當……，逐漸地，大規模的農化耕作變成慣常的農法。

若小麥的死亡無法歸咎於單一原因，而是「許多看似無關事件交互作用的結果」，那麼，相對起來，土壤死亡的原因就透明多了。有動機（農夫想讓產量極大化），有正當理由（土壤愈來愈耗竭），而現在，方法也有了（科學）。李比希的發現不啻打開一道門，讓作物的生長有了簡單的驅動機制，不再仰賴健康土壤所需的複雜自然機制。

李比希的 N-P-K 模式（氮 – 磷 – 鉀）徹底改變農人的思考，但這種改變並非一夕之間。起碼，一開始這些化學物的費用高得嚇人。

後來另一個德國化學家弗里茨．哈伯（Fritz Haber）解決了費用的問題。1909 年，哈伯成功地把大氣中源源不絕的氮轉化成生物可以直接使用的分子。這種轉化就像豆科植物執行的功能，但他這種「抓住」氮的方式更便利，而且濃縮的化學形式讓農人得以更輕鬆地將氮灌入土壤裡，這種製造出液態氨（氨水）的方法被稱為「哈伯．博施法」（Carl Bosch 在 1913 年成功地將這種過程大量化，甚至可在工廠大量生產而備受推崇），而氨水正是製造氮肥的原料。第二次大戰結束前，一些曾經製造大量軍用品的軍工廠開始轉型，有些還真的一夕之間生產起化學肥料來（因為硝酸銨也是爆裂物的主要原料）。忽然，人類的注意力從打贏世界戰爭，變成打敗大自然。

如果說造成土壤死亡的致命一擊可歸咎於某把開了火的槍，那「哈伯．博施法」或許就是那把槍口冒著煙的槍。作物生長不再受限於大自然，只要有氮（空氣裡的氮可是源源不絕呢），有能源得以經營氨水工廠（拜石油工業興起之賜，能源也不成問題），農夫就不需要在田裡飼養動物，也不需要輪種作物來提升地力。忽然間，分殊化（specialization）不僅變得可能，而且還是很實際的作法。

單一化帶來高產與加工

新聞工作者暨作家麥可．波倫經常被稱為工業化食物鏈的陷阱殺手，他認為這種造成作物單一化的殘酷驅力是農業固有的「原罪」。作物單一化會導致更多的單一化，因為當你認定這種方式才有效率，加上有技術可以讓你這麼做，你怎麼可能不把牛和乾草從田地裡移開，而只種植玉米呢？

這種情況果然發生了。1900 年，多樣化（起碼在某程度上）是農業的必然現象，98% 的農夫會養雞，82% 會種玉米，80% 會養牛和豬。不到 100 年之後，養雞的農家只剩 4%，種玉米的只剩 25%，養乳牛的只有 8%，養豬的剩 10%。而且，多數情況下，那些養雞牛豬或種玉米的農家，並沒飼養或種植其他的農產品。

有了化學合成的肥料，加上新品種的作物（可以吸收更多氮的品種），農夫得以有驚人的收成。比如從 1900 年到 1960 年代，小麥產量暴增至少兩倍，玉米所增加的產量更讓人難以置信。今日，種植玉米的面積更少，但產量卻高達四倍（2012 年高達 108 億蒲式耳，而 1900 年才 27 億蒲式耳）。

• 譯註：蒲式耳是通用於美英的單位，主要用於度量農產品等乾貨，1 蒲式耳大約等於 35.2 公升。

作物單一化後，隨之而來的是肉品的生產也單一化。牛不再漫步於田野，以提供土壤糞肥，所以沒有理由讓牠們離開穀倉，現在，改由農人把草帶到牠們面前。整套農作體系愈來愈精細，加上牲畜的生活環境日趨受限，農人對於蛋白質的產量得以有更大的控制權。飼料磨製廠、牲畜養殖場、屠宰場，整個肉品供應鏈變得工業化。

想當然爾，在這種情況下，真正有風味的食物會被消滅一些。波倫口中的「作物單一化的原罪」，也導致了食物備料上的原罪——這原罪就是大規模的食品加工。農業的分殊化和農產品價格的下降，使得食物加工有利可圖。食品加工業在第二次世界大戰時發展出得以餵飽大量軍隊的技術，而現在所創造出的加工食物則可以讓大眾節省時間，讓女性從繁忙的廚務中解放出來。

在檢視美國食品加工業的興起時，一般都從便利的角度來解讀，當然，這是不能否認的事實，然而這種改變的核心原因還是哈伯的發明。他成功地從空氣中「抓住」氮，讓農人不再受限於大自然，也讓食品工業化得以興盛。有些人甚至認為，哈伯的發明是人類的救星。今天全世界約有 30 億人仰賴合成氮去種植供人食用的作物，而且這個數字在未來勢必只會增加，不會減少。但有些人認為，哈伯的科學發明讓地球負荷過多的氮，導致農業仰賴化學物過深，而且在這種依賴的過程中，引發了許多當今最困擾人類的環境問題，比如土壤侵蝕、全球暖化、溪河污染，以及全世界海洋惡化。

本文摘自《第三餐盤》，商周出版。

傳統種植由於本身的特性，對環境的衝擊遠比放牧牲畜來得大。犁田會破壞關鍵的菌根菌地下網絡，粉碎土壤團塊。土壤團塊能把水和空氣保留在土壤中，一旦毀掉之後，土壤顆粒就會緊緊擠在一起（這種現象稱為土壤壓實），無論是灌溉水或雨水，土地都無法留住。

事實上，有個近期的研究顯示，海平面上升有一半是來自農地的逕流。想要知道迅速乾涸的「奧加拉拉蓄水層」流去了哪裡嗎？不少都進了海裡。美國的淡水有七成用於農業，不過土壤壓實會使大部分的水無法滲透到土中。耕耘設備每隔一段時間就重新設計，要耕得愈來愈深，才能打破這層壓實土壤，然而這麼做只會產生新一層更深的壓實。

在準備田地以便播種的過程中，傳統農民也會除去所有植被，留塊乾乾淨淨的田給他們種來賣的作物，這作物可能是玉米（占美國一億六千四百萬公頃農田的 24％）、小麥（14％）或大豆（19％）。雜草、其他植物，甚至前一年作物的殘株都會移除。農民為了隔年春天能快速種植，通常在秋天做這件事。這會使土壤長達七個月都光禿禿露出來。

這程序的原始目的當然不是餓死土壤微生物，不過由於土裡沒有活的根用滲出物來餵養微生物，附近也沒有死亡的植物體讓微生物吞食，因此確實會造成這種後果。2012 年秋天，我從克里夫蘭開車到波特蘭的時候，一路上像這樣光禿的褐色土地就似乎有幾千片。有時我經過的是罪魁禍首—一輛牽引機拖著巨大的圓盤，揚起的灰塵多到很難看見公路，感覺幾乎像在火災的下風處。

即使最尊崇有機農業的農民，也會年復一年這樣毀壞土壤，尤其是那些製造出超市裡大部分有機產品的龐大食品企業。他們一旦使用化學除草劑除去野草，就不能自稱有機，所以他們把野草犁掉。

整地、耕耘農地的作法已經實行了數千年，世上有些最貧瘠的土地和人類群落就是這樣造成的，然而今日的機器讓這件事以更大的尺度、更快的速度發生。隔年春天，農民把種子播到這種劣化的土壤裡，然而土地上所有的自然程序都已遭到破壞，種出作物的希望不大。

而且不只是耕耘和整地，劣化的土壤沒有土壤微生物的健康群落可以提供養分，因此需要加入一些東西。有機農民依賴糞肥、堆肥或天然肥料去恢復失去的養分，但大部分傳統的農民多年來也把大量的化學藥劑淋在土地上（我們的食物有 99％ 都由這些農民種出來）。他們遇過的專家幾乎都告訴他們，他們必須那樣才能生存。

化學肥料讓植物變懶了

化學農業看似根深柢固，但其實出現至今僅僅大約五十年。按波倫（Michael Pollan）在《雜食者的兩難》一書的說法，就像許許多多的新發明一樣，「從大氣中取得原子，結合成對生物有用的分子的過程」源自戰爭的急迫需求。製造炸彈需要硝酸鹽，而哈柏（Fritz Haber）這位德國的猶太科學家想出方法，為第一次世界大戰使用的炸彈做出合成硝酸鹽。

之後他發明了毒氣，第二次世界大戰德軍就是用這毒氣殺死集中營裡的猶太人，不過那時哈柏已經過世了。說也奇怪，哈柏的研究成果可以用來升級死亡工具，也可以用來製作化學肥料，農業因此從生物程序中「解放」出來，農民即使對自然系統不大了解，也可以種植作物。

柯林斯（Abe Collins）是佛蒙特州的農人與土壤先知，他說：「發展出化學農業以後，就不需要任何技術，甚至不需要知道怎麼當農夫。把那東西丟在那裡，就能得到收成，即使在劣化很嚴重的土地上也一樣。」

像我這樣挑剔的消費者會在超市（甚至可能是農夫市集）尋找有機標示，因為我們直覺認為難聞的化學肥料不可能種出健康的食物。我們覺得自然的方式一定比較理想，但我們其實並不知道原因。然而科學家在土壤世界的新發現證實了這種直覺。大部分的化學肥料混合了氮、鉀和磷，很久以前的農業學家判斷植物生長不能沒有這三種無機物。不過微生物學家英格漢（Elaine Ingham）指出，隨著科學的工具改良，科學家在食物中發現愈來愈多對我們的健康很重要的養分，而施用化學肥料，無法讓植物接觸到這些養分—肥料根本不含這些養分。其實肥料不可能有全套的必需養分，因為植物和土壤微生物的交互作用（大自然是用這種方式提供植物所需的無機物）太複雜，難以複製。

耕耘之後，土壤裡面還是會有土壤微生物，然而一旦施用化學肥料，它們就不大可能為植物提供這些多樣的養分。簡單來說，施用化肥干擾了大自然裡偉大的合作關係。按照這合作關係的條件，植物應該把碳基糖輸送到根部各處給微生物，以換取養分。肥料瓦解了這種一手交錢一手交貨的系統，植物變懶了。

美國農業部的微生物學家尼可斯（Kristin Nichols）表示：「添加肥料時，我們是把養分放到植物的根旁， 植物不需要送出任何碳就能得到養分，結果是土壤微生物得不到足夠的食物。」

施加化肥的龐大連鎖效應

菌根菌少了含碳的伙食，就無法生長，讓自己的碳鏈在土壤裡延伸。菌根菌和其他土壤微生物無法產生黏著劑，把碳固定在土壤裡形成保水的團塊。微生物會休眠，如果情況太惡劣，就會死亡。這時土壤中的生命和土壤結構都破壞殆盡，農民不加化學肥料，就無法種出像樣的作物，這樣的情況至少會持續幾年。「然後我們落入一個系統，想要維持或增加收成，就得添加愈來愈多的肥料。施肥不足的時候，就會看到像肥料缺乏的症狀，這是因為少了那些生物的有益活動。」尼可斯如此說。

慣行農法每年使用大約 1440 萬公噸的化學肥料，然而肥料的效率極差。化學肥料裡大部分的磷會迅速和土壤裡的無機物結合，然後植物就無法利用了。土壤微生物有酵素可以把磷變成植物可用的形態，但施用化學肥料時，這些微生物常常已經休眠或死亡。氮吸收的相關問題更是嚴重。

若沒有健康的土壤生物作用把氮轉化成植物可利用的形態，會有高達五成的氮流失，被雨水或灌溉水沖進地下水或溪流中，這些水域因此富含養分，結果長出藻類，而藻類會吸光水裡的氧氣，產生死亡區。墨西哥灣有個世界級的死亡區，位於密西西比河河口附近，面積大約一百五十四萬公頃，就是肥料流出的結果。2012 年的旱災有個好處：沒那麼多富含氮的河水注入海灣，墨西哥灣的死亡區因此縮小。

一般而言，傳統農民對付化學藥劑吸收力差的方法，就是增加施肥。他們為了讓土壤裡有 50 公斤的氮，會加進 100 公斤。

耕耘和施肥的後續效應令大部分農民不安，然而所有人（從農校的教授到郡推廣部的職員）多年來一直告訴他們，這樣才能打造成功的事業。現在化學肥料的價格高漲（製造肥料和施肥都很耗燃料），許多農民和農業相關人士開始尋找更理想的方式。伯利郡的魅力就在此，這些農民恢復和自然更密切合作的方式後，作物長得一樣好，甚至更好（通常更好），而他們不用化學藥劑，還省下數千美元[註]。

• 註：伯利郡（ Burleigh Country ）培養富含碳的健康土壤、復育田野同時提高產量、增加收益的成功案例地點。

本文摘自《土壤的救贖》，大家出版。