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土壤遇上農業,就踏上了一條不歸路?—《土壤的救贖》

大家出版_96
・2016/09/16 ・3118字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 567 ・九年級

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。

684px-Ogallala_changes_1980-1995.svg
奧加拉拉蓄水層(Ogallala Aquifer)為北美大平原南部的一個巨大蓄水層,因為灌溉導致了蓄水層的耗竭速度已經超過了其地表恢復能力。圖中灰色區域為奧加拉拉蓄水層的範圍,顏色顯示1980到1995年間水位變化,黃褐色系區域表示水位減少,藍色系區域表示水位增加,其餘灰色表示水位無明顯增減。圖/By Kbh3rd – Own work, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

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。

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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。

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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,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。

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640px-Fertilizer_applied_to_corn_field

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]。

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  • 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。

(大家)土壤的救贖_平面72dpi

本文摘自《土壤的救贖》大家出版

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大家出版_96
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名為大家,在藝術人文中,指「大師」的作品;在生活旅遊中,指「眾人」的興趣。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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大直公寓陷落!連續壁能保護工地,為什麼會造成外側房屋坍塌?在軟弱地盤上蓋房子可行嗎?
PanSci_96
・2023/10/21 ・5106字 ・閱讀時間約 10 分鐘

「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。

圖/公共工程品管班教材

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。

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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。

開挖建築地下室前,常會在基地周圍施作一圈連續壁。圖/PanSci YouTube

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。

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圖/公共工程品管班教材

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?

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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。

圖/臺灣公路工程第 43 卷第 1-2 期

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。

圖/臺灣公路工程第 43 卷第 1-2 期

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

如果有哪些關於買房要注意的眉角你還想聽我們分析,例如房價、交通、裝潢、空氣品質甚至是風水,歡迎留言告訴我們。最後也想問問大家,在挑房子時,哪項指標是你最在意的呢?

  1. 事件發生後,我覺得地質與買房地點,才是最重要的
  2. 在多地震的台灣,房屋的耐震係數最重要
  3. 氣候變遷之下,節能省冷氣且防淹水防空污最重要
  4. 以上這些都是多說的啦,房子貴到買不起,對我都不重要。

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土壤上的農業史—《第三餐盤》
商周出版_96
・2017/02/25 ・4159字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 572 ・九年級

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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。

雜草填滿了路面的縫隙。圖/rkit @ Pixabay
小草填滿了路面的縫隙。圖/rkit @ Pixabay

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。

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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。

當土地養分消耗殆盡,農夫們便會另尋新的處女地來耕種。圖/Catkin @ Pixabay
當土地養分消耗殆盡,農夫們便會另尋新的處女地來耕種。圖/Catkin @ Pixabay

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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

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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。

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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。

卡爾.博施 (Carl Bosch)(左)與弗里茨.哈伯(Fritz Haber)(右)。圖/wiki
卡爾.博施 (Carl Bosch)(左)與弗里茨.哈伯(Fritz Haber)(右)。圖/wiki

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?

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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。

雖然玉米的種植面積下降,但產量卻大幅提升。圖/poppicnic @ Pixabay
雖然玉米的種植面積下降,但產量卻大幅提升。圖/poppicnic @ Pixabay

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

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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。


《第三餐盤》書封

 

本文摘自《第三餐盤》商周出版

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土壤遇上農業,就踏上了一條不歸路?—《土壤的救贖》
大家出版_96
・2016/09/16 ・3118字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 567 ・九年級

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。

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奧加拉拉蓄水層(Ogallala Aquifer)為北美大平原南部的一個巨大蓄水層,因為灌溉導致了蓄水層的耗竭速度已經超過了其地表恢復能力。圖中灰色區域為奧加拉拉蓄水層的範圍,顏色顯示1980到1995年間水位變化,黃褐色系區域表示水位減少,藍色系區域表示水位增加,其餘灰色表示水位無明顯增減。圖/By Kbh3rd – Own work, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

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。

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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。

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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,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

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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。

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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。

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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。

(大家)土壤的救贖_平面72dpi

本文摘自《土壤的救贖》大家出版

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名為大家,在藝術人文中,指「大師」的作品;在生活旅遊中,指「眾人」的興趣。