土地利用與氣候變遷
行政院農業委員會農業試驗所農業化學組
前言
近年，土地利用變遷逐漸成為國際重要的研究議題，它被認為與全球環境變遷、生物多樣性的減低、及人與環境互動的永續性有直接且重大的影響，因此土地利用變遷成為一個基礎性、科學性及整合性的課題。
砍伐森林、都市擴張、農業開發及其它人類的持續土地利用改變的影響使得地景改變與破碎化。這些對大地的干擾使得二氧化碳濃度改變，使得地球表面能量平衡的改變也改變了地方、區域及全球的氣候。
大家一直對地球暖化的努力多集中於溫室氣體的減量與補捉技術，反而忽略了對土地利用與氣候變化的研究。美國森林署最近的研究：只要有100平方公里面積的森林砍伐或都市的擴展即會改變局部的降雨並產生其它氣候的干擾。科學及公共政策必需積極展開對於任何因人類活動而引發氣候變化的因子與議題的討論。
土地利用
土地利用是指人類為實施特定目的而採取作用對土地的各種安排、行動與投入。人與環境間的互動過程的具體表現即為土地利用，土地利用表現出人類在其所居住的土地上之活動類型與決策行為。人類在不同的社會文化背景、政治、經濟發展條件及自然環境的限制下，展現出各種不同的土地利用型式。土地利用方式是受到許多因子（包括政策、土地權屬、經濟、社會、文化、居民行為及自然環境等）交互作用下的結果，同時土地利用變遷也會對相關環境因子造成衝擊，例如：降低生物多樣性、引發環境災害，以及造成區域經濟結構的改變等。
土地利用類別多樣，我國內政部國土測繪中心2006-2008年國土利用調查計畫將國土土地分類，第一級分類為9類：農業用地、林業用地、交通用地、水利用地、建築用地、公共用地、遊憩用地、礦鹽用地及其它用地。2006年IPCC指南將土地利用分為6大類：林地、農田、草地、濕地、居住地及其它土地。土地可以為認何一類利用轉為其它類的利用，稱為土地利用變化（land use change）。
物質循環
大氣圈（atmosphere）、水圈（hydrosphere）、土圈（pedosphere）及岩石圈（lithosphere）的營養物質通過綠色植物的吸收進入生態系統再被其它生物體重複利用，最後回歸於環境中，這些物質再被綠色植物的吸收，再次進入生態系統，這種物質返複傳遞與轉化的過程稱為物質循環（material cycle）；如果這些物質的循環經歷沉積或礦化的過程，就稱為生物地球化學循環（biogeochemical cycle）。
物質在環境中都存有一個或多個貯存場所，可以稱為匯（sink）。如碳在大氣中的數量為一個”匯”，在生物體內也是另一個”匯”。地球上最大幾個碳匯是岩石圈（含土壤圈）、石化燃料和海洋，其含碳量約佔地球上總碳量99.9%。在岩石圈碳是以碳酸鹽形式存在，總量在2.7 X 1016噸，在大氣圈是以二氧化碳及一氧化碳形式存在，總量在 2 x 1012噸。大氣中，二氧化碳是含碳的主要氣體，也是碳參與物質循環的主要形式。在生物匯中，森林是主要的碳吸收者，他吸收的碳約是其它植物的2倍，貯存量約為482Gt，相當於大氣含碳量的2/3。
氮是空氣中最重要的組成，佔79％。氮不能被生物直接利用，必須轉化成氨（NH3）、亞硝酸態及硝酸態才能為植物所吸收。從大氣中有三種方式將氮固定：(1) 自然界雷電作用成為硝酸態。(2)工業在高溫、高壓下，將氮與氫合成為氨氣：(3) 生物固氮作用。許多豆科植物進行固氮作用，形成NH3。由氨往相反的方向，經過硝化作用（nitrification）及脫氮作用（denitrification）可以產生氣態的N2、N2O及NO。其中硝化作用係自營性的硝化細菌將NH3轉化成，再化為。可被植物吸收亦可能自土壤中淋溶，流入地下水中。在土壤中缺氧狀態下，細菌可將NO3-→NO2-→NO→N2O→N2，此過程是為脫氮作用。整個氮循環即由上述的氮固定、硝化作用及脫氮作用所組成。
據估計，陸上生物每年固定氮的量約為100Tg（1Tg＝1012g），海洋的固定量是5～10Tg。而近年人類工業肥料的固氮量高達＞80Tg／yr，加上內燃機產生的氧化氮氣體（25Tg／yr）及豆科農作物的固氮量（30Tg），人類活動導致的固氮量已超過自然背景值。人類活動的影響，似乎使氮循環的規模成了原來的兩倍。總結，人類活動（氮肥、豆類生產、燃用化石燃料）所造成氮的固定量已經超過所有自然途徑的總和，這些多增的氮改變著大氣化學，水生及陸域生態系，對生物圈形成優養化作用，進而改變了生物社群結構；至於其對全球環境影響的詳細過程則還待進一步研究。
森林的土地利用與碳循環
二氧化碳減量已成為世界各國所共同努力的目標，而森林資源對二氧化碳減量的貢獻在已經生效的京都議定書中已被肯定，並認可森林資源的碳吸存量。在京都議定書第3.3條即規範1990年以後所進行之非林地造林（afforesta-tion；A）、更新造林（reforestation；R）及毀林（deforestation；D）之ARD活動，其二氧化碳吸收或排放淨值，可併入國家之排放減量值計算。在第3.4條中規範，因加強森林經營（forest management）所額外增加的碳吸存量也可列入國家排放減量值。
世界森林資源碳貯存量對於碳貯存量有較長時間統計資料的國家有143個，有4個國家僅有近幾年的資料，有82個國家缺少這方面的資料，相同的，在進行台灣地區森林資源碳貯存量推估時仍具有不確定性及可能誤差。在目前政府部門積極推動溫室氣體減量工作之際，林業部門雖以厚植森林資源及森林管理事項，藉由加強碳匯（carbon sink）吸收為其主要因應策略。但在推動之時，如何將森林資源所貯存碳量及其變化加以精確算出。。台灣地區的森林資源面積佔有全島面積的58.53%（210萬公頃），就生態保育、水土保持或因應氣候變化公約之溫室氣體減量等，均應特別重視與加強。
森林生態系統的碳循環過程與光合作用、呼吸作用及淨初級生產力（NPP）在不同器官間的分配等多個生態系統過程相關；這些過程幾乎受到所有環境因子，包括：氣候、養分、水分、大氣二氧化碳及氮的沉降等影響。森林生態系的碳匯包括：森林植被碳匯、森林土壤碳匯及大氣碳匯。其中對於光合作用的研就較為充分與準確，對於呼吸作用特別是與土壤相關的研就不確定性較大。森林的碳蓄積包括下列幾個過程：總初級生產力（GPP）、淨初級生產力（NPP）、淨生態生產力（NEP）、淨生物群系生產力（NBP），這是一個尺度不斷增加的過程。
但營林計畫與碳的貯存並非我們所想像的簡單，京都議定書建議以全球尺度的造林與植被恢復作為增加陸地碳匯強度的措施，並認為幼齡林可以增強碳匯功能，曾有以幼齡林取代老齡林的指令；但許多研究指出：森林碳循環是由葉片與根系週轉來驅動的，這些週轉在沒發生火災或被收獲時能增加土壤有機碳穩定部分—土壤永久碳庫，這些碳量隨著林齡而呈指數增加。幼齡林的碳同化作用並未與呼吸作用達成平衡，因為以前的森林世代中累積的死生物量分解作用，使得森林的呼吸作用大於更新地的NPP，火災過後的森林跡地通常要幾十年的時間才能使NPP與呼吸作用達成平衡，此後才能稱為碳匯。
生物量的估算，主要區分為地上部生物量（above-ground biomass）、地下部生物量（below-ground biomass）及死木（deadwood），不同地區之每公頃平均生物量，生物量主要部分為在地上部。不同的樹種與分佈位置之係數顯有不同，森林資源之每公頃平均生物量來看，地上部生物量占總生物量的70%左右，以南美洲森林之每公頃平均生物量243公噸為最高，以歐洲為最低（116公噸∕公頃）。進一步分析地上部生物量與地下部生物量的關係，可知兩者之間呈直線相關的趨勢，即地下部生物量隨著地上部生物量的增加而呈直線的增加，而地上部生物量與地下部生物量的比值，主要在於0.20–0.35之間。雖然森林增加（包括造林）可抵消部分因持續的森林砍伐和森林退化所減少的碳貯存量及在有些地區森林的單位碳貯存量也有所增加。地下部生物量、枯死木、枯枝落葉及土壤等碳匯資料，因此世界森林資源真實的碳貯存量應可能更高。碳貯存量的估算，主要由森林資源林木蓄積量經由轉換係數加以轉換為生物量及碳貯存量，因此在轉換過程中的轉換係數的使用，將影響著估算資料的可信度，如生物量擴展係數、根莖比（root∕shoot ratio）、碳含量等。
以世界森林資源平均而言，在森林生態系中，有44%為碳量貯存在地上部與地下部生物量部分，6%的碳量貯存於死木部分，46%的碳量為土壤（土深30公分以內）所貯存，4%的碳量貯存於枯枝落葉部分。在地區間則有明顯的不同，其中在非洲、北美和中美洲、南美洲的生物量所貯存的碳量高於土壤中之碳貯存量，而亞洲、歐洲、大洋洲則土壤中之碳貯存量高於生物量所貯存的碳量，而死木的碳貯存量約佔總碳貯存量的4–8%，而枯枝落葉碳貯存量除了北美和中美洲外，則約佔總碳貯存量的4%以下。就單位貯存量而言，以南美洲每公頃的碳貯存量最高，為每公頃194.5公噸，而北美和中美洲的每公頃的碳貯存量最低，為每公頃120.5公噸，世界森林資源之每公頃平均碳貯存量約161公噸。世界森林資源碳匯估算結果分析，就單位林木蓄積量來看，全世界森林資源的平均每公頃林木蓄積量為110立方公尺，以南美洲的為最高，平均每公頃林木蓄積量為155立方公尺，大洋洲的為最低，平均每公頃林木蓄積量為36立方公尺。
根據評估結果，世界森林資源在其生物量中便貯存約著2,830億公噸的碳量，枯死木貯存著380億公噸的碳量，總計有3,210億公噸，而土壤之碳貯存量為6,250億公噸，而IPCC（2000）的生物量碳貯存量為3,590億公噸，土壤碳貯存量為7,870億公噸，皆高於2005年世界資源評估結果。土壤腐植質由於週轉速率慢而成為森林生態系統碳累積的主要場所，由數據也可看出，土壤之碳貯存量將近為生物量的一倍。
農田的土地利用與碳循環
由歷史過程觀之，農田利用是導致陸地生態系統碳損失的重要原因。自然土壤被轉為農田利用，不可避免的造成土壤有機質下降，特別是開墾過後的最初幾年，土壤有機質下降速率特別大，一般觀察資料顯示約50年後才會穩定下來。但因開墾為農田而損失的土壤有機碳可以透過農田合理的管理、施肥、耕作、灌溉、水土保持措施及農作殘植歸入田間而維持比較高的土壤碳儲量。
過去的土壤調查資料顯示40年來土壤有機質含量的變化是有脈絡可循；農田土壤有機質含量之變化究其原因，乃是受耕作制度、地形、都市化效應、農田管理及施肥量等因素之影響。以大社鄉為例，因該鄉地勢較高，農田屬於非灌區，且位於高雄市、工業區邊緣，農民大都為兼業且以栽植旱作、果樹作物為主，管理大都粗放，故土壤有機質含量不增反略減；相對於卑南鄉，亦以栽植果樹為主，但農民專業且注重農田管理，作物殘體大都皆混入土體中，雖土層淺薄，但土壤有機質含量增加；新城鄉農田大半為砂地或石礫地，土壤有機質不易累積，但當地新城圳完成後，對於部分農田有機質之增加有顯著效益；又當地農民漸以木瓜、蔬菜栽培為主，除農民施用有機資材外，收穫後之作物殘體目前已普遍翻入農田，故土壤有機質含量增加。其他地區大都維持水田耕作環境或較三十年前改善灌溉條件及施肥量增加，故土壤有機質含量可以維持或增加。
農業試驗所調查亦發現許多鄉鎮，如：池上、吉安之新開墾區在經過三十年之農田管理經營，對於土壤有機質含量增加甚多，是為該鄉農田土壤有機質含量增加之主因。池上鄉位居中央山脈與東海岸山脈之谷地，日照少，土壤水分多，且多為水田栽作，土壤有機質含量高；又新墾區之土壤肥力逐漸改善，故全鄉之土壤有機質含量增加。彰化市農田土壤有機質增加最多，應為該區部份農田在八七水災曾遭沖毀，土地貧瘠，後農田逐漸復舊，土壤有機質漸增，以及近年社區廢水攜入大量有機物質入田所致。在南部之永康、西港、佳里、七股及安定鄉，目前各鄉農田土壤有機質含量平均值在 1.5％至 1.7％之間與1978至1981年間調查本區域之土壤有機質含量相近，但與1959至1967年間此五鄉鎮分別比較，高出範圍約在0.3％至 0.5％之有機質含量，沿海鄉鎮如七股鄉增高較少，內陸鄉鎮增高較多。嘉南平原是水旱輪作田區，自1973年曾文水庫完成後，又農民廣泛鑿井灌溉，臺南近海地區農田栽植水稻次數增加，應為本區現今較三十年前土壤有機質增加之原因之一。
林家棻氏(1982)在第三次調查時已注意到農田土壤有機質含量不減反增之現象並提出下列觀點：他認為這些年來全省農田土壤有機質含量是增加的，此種現象，推測可能因為在當時耐肥水稻品種出現，經濟好轉，化學肥料施用量增加，單位面積稻穀產量亦普遍提高，殘留於土壤中之莖稈、稻根量亦相對提高，因而導致土壤有機物含量增加。依據英國洛桑試驗場(Jackinson,1994)之長期試驗結果顯示各種人為之操作影響土壤有機質之變化，其平衡時間大約為20至40年間，這些調查鄉鎮之到農田土地利用大多已定型，故其農田土壤有機質含量，應已接近平衡。
農田管理與碳循環
茹皆耀等調查臺中縣土壤指出山區森林土之土壤有機質含量約為7.0％，臺地則約為 3.3％，平地則約為 2.4％。張守敬指出中部地區不同地形高度與土壤有機質之關係，在草屯、民間海拔 100公尺以下之農田土壤有機質含量約為 1.5％左右，中寮、國姓、集集、埔里、魚池等地位於 500至 1,000公尺間，其有機質含量在 2.0％，和平、信義、仁愛諸山地鄉其表土有機質含量多在 2.5至 3.0％之間。作者等調查阿里山脈至布袋海邊之土壤一立方公尺深有機碳含量，在海拔 2,400公尺阿里山區土壤有機碳可達67公斤／公尺／平方公尺，而布袋農田之土壤有機碳含量為 6.7公斤／公尺／平方公尺。
陳尊賢等由臺灣地區土壤調查資料統計指出平地與高山之土壤有機碳與地形、氣溫之關係為海拔每昇高一公尺大約可增加0.02公斤／公尺／平方公尺之有機碳，平均氣溫每昇高 1℃大約減少3.642至3.574公斤／公尺／平方公尺之有機碳，而雨量變化與土壤有機碳之關係卻不顯著。在比較35個森林土及55個耕土，求得森林土之土壤有機碳平均質為31.9公斤／公尺／平方公尺，一般耕土則為10.8公斤／公尺／平方公尺。土地利用亦影響土壤有機質之含量，Meints等調查美國內布拉斯加州之暫乾黑沃土之處女土與耕作土之土壤有機碳含量，發現耕作土較未墾地之表土有機碳含量低約30至55％，同時影響之深度可達 127公分，且土壤有機碳之損失以表土最多，隨著深度而影響漸減。
Yamazaki曾對日本北陸地區富山農試場之長期試驗資料分析，指出每年投入鮮重45噸／公頃之紫芸英，經過14年後卻仍無法阻止土壤氮及有機質之消耗，然本處理仍較對照組有稍高之土壤腐植質，但在排水良好田地長期施用綠肥確有促使水田退化之虞。經過施用14年之綠肥僅有全部施用量 6％之有機質存在土體。又Russell 則認為綠肥在提供有效態氮與累增土壤有機質是不可併行的，因涉及植體組成分變化之故。王世中等曾對臺灣蔗田綠肥肥效進行評估，並引述多國文獻認為栽培綠肥要增進土壤有機質是很難辦到。連深等近年在本省中南部之試驗亦有類似之結論，並認為栽培田菁而促使玉米增產乃由於田菁根系改善土壤物理性之原因。王世中等認為臺灣高溫多雨，綠肥分解迅速，既使在乾季施用綠肥，可使土壤有機質增加，但隔年一遇雨季，綠肥分解，土壤有機質即殘留甚少。大抵綠肥之效果在提高當作之養分供應，另深根綠肥或可將底層養分汲出於地表土。王世中等亦認為一作綠肥僅能節省38公斤無機氮，在當時極不合經濟效益，並認為栽植牧草為增加土壤有機質之最速方法，或與其他作物輪作，宿根栽培甘蔗等可增加土壤有機物。
臺灣農田應維持多高之土壤有機質含量，林家棻以土壤肥力能限之調查資料配合水稻田間試驗資料分析，指出臺灣地區之水田土壤有機質含量在 1.0％以上，配合良好之肥培管理即可有六千公斤／公頃之產量，而且產量並不隨著土壤有機質之增加而增加。土壤有機質對於旱田土壤物理性之維持之重要性不容忽視，但我國有關此方面之研究仍少。
溼地（水田）土地利用與碳循環
濕地是地球上具有較高生產力的生態系統之一，其有機質不完全分解導致大都數濕地中碳及營養元素的累積。濕地的水文環境使濕地土壤不同於一般陸地土壤，在其長期處於土壤水過飽和及厭氣狀態環境下，動植物體分解緩慢，土壤形成較高有機碳的累積。一般估算地球溼地的碳累積量佔地球陸地總碳量之15%。
濕地土壤有機質的不完全分解以二氧化碳（CO2）與甲烷（CH4）形式釋出，甲烷的1分子的溫室氣體熱效應約為二氧化碳的21倍，所以溼地或水田土地利用引起的溫室效應為大家所重視。甲烷的排放與土壤的水分高度、植物類別、溫度、土壤性質等關係密切。農田土壤 CH4之釋出以水田－水田耕作制度最多，以旱田－旱田最少，其排放量與土壤氧化還原狀態、植物生長狀態有極密切關係。經數次不同耕作系統下水-旱田之甲烷排放資料之分析與統計，耕作制度對農田土壤甲烷釋出有極大之影響，利用輪作制度可降低農田土壤之甲烷排放量，藉由排放量與栽培管理對農業生產影響之比較，可提供研擬農業部門溫室氣體減量技術之參考以助農業耕作體系之甲烷減量決策。氮肥形態對甲烷生成之效應較水稻品種的效應更為明顯。利用水稻品種篩選以及氮肥管理各因子之配合，例如：選擇種植甲烷傳輸較差的水稻品種、施用銨態氮肥等方式對甲烷釋放量有減量之功效。
防止氣候變遷國際規範與土地利用
馬拉喀什協定（Marrakech Accord）：氣候變遷會議協商（COP7,2001）認為天然的生態系統儲存大量的碳，例如森林，透過造林及改變耕種方式可以移除溫室氣體，溫室效應是由大氣中溫室氣體濃度過高所產生，如果碳由天然界的匯，將有利於氣候保護；且投資於大自然將較排放減量措施便宜。但仍有下之問題：(1)森林當為”匯”具有持久性問題：匯並不是將碳永久性的儲存，僅是暫時性地儲存，所有匯的活動均是碳週期的一部分，終究會再釋放出來，例如森林火災。(2)規模的問題：匯具有龐大的潛力，據估計某些工業化國家(包括美國、歐盟、澳洲、及紐西蘭)，可以透過匯達成其國家減量責任，結果其他部門溫室氣體的持續增加排放是可以預期的。(3)可測量性問題：”匯”的測量存在很多問題，結果造成不同的研究將產生很大的差異性(甚至高達2倍)，尤其是由土壤產生之匯，至2010年之前，科學家仍然無法解決此問題。(4)設限的問題：如果允許CDM可以從事”匯”之建立，則開發中國家與新興工業化國家將先伐林，爾後再提出造林的CDM計畫。(5)發展相容的問題：匯計畫傾向於與大面積土地處分權利相連結。對於藉由森林、土壤、及其他方式對碳所產生的匯(sinks)，該大會決議可以作為其國家減排量之減量信用，相關協議如下：(1)合格的『匯』活動包括，森林管理(forest management)、耕地管理(cropland management)、牧場管理(grazing management)、及重建植被(revegetation)；(2) 對於匯活動所產生的減量信用，雖然並沒有實施全面總量限制(no overall cap on sinks credits)，但是對於不同型態之匯活動，則採取適當的限制，例如：對森林管理而言，附件一國家匯量上限俄國為17.63百萬噸為最大匯量國家，其次為日本的13百萬噸(約佔其基期年排放量的4%)，再其次為加拿大的12百萬噸(約佔基期年排放量的10%)，特別值得一提的是美國的匯量限制，如果美國答應加入京都議定書之批准，則其最大匯量為28百萬噸。(3) 對於耕地管理、牧場管理、及重建植被等活動，則沒有總量限制的規定，但是1990年以後所增加之碳固化量才可計入其匯量。
植樹造林產生之匯經過此次大會之後，已被擴大使用於國家減量及國際清潔展機制（CDM）項目中，由於其減量成本(18美元/噸碳)約低於能源部門(136美元/噸碳)的減量成本的7.6倍，已成為各國重要的減量策略之一，我國亦應掌握此發展潮流，提升森林產生匯的評估技術，以及推動全國造林活動。
參考文獻
張長義、蔡博文。2004。土地利用變遷。大學生跨領域科技能力培養研究計畫—整合應用組課程規劃。http://www.gcc.ntu.edu.tw/multidisciplinary/土地利用變遷/introduction.htm。
魏國彥、許晃雄。2008。全球環境變遷導論8.10 氮的生物地球化學循環。http://gis.geo.ncu.edu.tw/gis/globalc/。
林俊成。2007。世界森林資源碳匯估算結果分析。台灣林業。33(4):67-71。
郭鴻裕、朱戩良、江志峰、吳懷國。1995。臺灣地區土壤有機質含量及有機資材之施用狀況。有機質肥料合理施用研討會專刊。台灣省農業試驗所。台中、霧峰。
韓士杰、董云杜、蔡祖聰、宋長春。 2007。中國陸地生態系統碳循環的地球生物化學過程。科學出版社。北京。
茹皆耀、華孟。1947。臺中縣之土壤。臺灣省農業試驗所專報第三號。
張守敬。1950。臺灣省土壤肥力概述。臺灣省農業試驗報告第七號。
王世中、楊金珍。1967。臺灣蔗田綠肥肥效。臺糖彙報41:177-193。
連深、王鐘和。1994。水旱田輪作制度下夏作田菁對秋作玉米生產及肥力之效果。臺灣省農業試驗所民國八十二年報。
林家棻。1983。臺灣省土壤肥力能限分類規範調查研究。臺灣省農業試驗所。民國七十一年年報。