大地五億年：土壤如何決定生命興衰與文明命運

理解腳下這薄薄的一層土壤，就是理解我們的來處與去向

 

拜電影之賜，我們都很熟悉腕龍這種巨大恐龍，也知道腕龍是草食性動物。但真正的史前世界，其實遠比電影奇特——腕龍吃的不是草，而是針葉，因為草那時根本還不存在。

 

這種反直覺的現象不只出現在恐龍身上。在恐龍出現之前的石炭紀，天空中飛著翼展六十公分的古蜻蜓，地上爬著長達兩公尺的蜈蚣……等等！生命不是應該從簡單走向複雜、從小型走向大型嗎？那為什麼蘇鐵、銀杏、松樹這些結構複雜的植物，反而比草更早主宰地球？

 

更貼近人類的世界裡，我們也會遇到似合理，深究下卻令人困惑的謎題：濕熱地區為何發展出大量消耗土壤肥力的稻作？乾燥地區的灌溉農作又為何往往難以為繼？

 

這些看似互不相關的現象，其實都指向同一件事——一整套由土壤支撐的營養交換系統。

 

在這部橫跨五億年的自然史中，日本土壤學者藤井一至以鏟子為工具，走入火山灰島嶼、針葉林、東南亞熱帶雨林與永凍土，再以「營養交換」與「酸化」為線索，追索土壤、植物、微生物與動物之間漫長的互動，從地表下方重新講述地球的生命史。五億年前，植物與真菌結盟，從裸露的岩石中取得第一份礦物質；在土壤尚未成熟的侏羅紀，針葉植物主宰陸地，其高纖、低營養的特性，迫使草食性恐龍走向巨型化。直到土壤透過腐植質累積逐漸穩定，草本植物才得以出現，開啟草原與反芻動物的全新生態。

 

人類文明的分歧，也同樣寫在土壤裡。濕潤帶的土壤因長年淋洗而迅速酸化，作物只有在積水環境中才能留住養分，於是稻作成為生存之道；乾旱帶的土壤則因蒸散而積鹽，灌溉成了不得不的選擇。文明差異的背後，是一場看不見、卻深刻影響歷史走向的土壤化學史。

 

這層平均厚度僅一公尺的土壤，承載的並只是植物的根系。從蚯蚓翻動土地的微小力量，到宮澤賢治嘗試改良酸性土壤的農學實驗，藤井所描繪的，是地表上與地表下的生命如何在有限條件中，透過不斷交換、調整與適應，塑造出今日的自然環境與人類世界。哪些植物能生長、哪些動物能變大、氣候如何轉變、哪些文明得以發展，背後都有這場看不見的機制。

 

這不只是一本關於土壤的書，而是一套理解生命與文明的方法。少了地表上方或地表下方的任何一種視角，我們都無法真正理解生命為何如此演化、文明為何如此形成；更重要的是，也就無法洞見當代氣候、能源與糧食問題的根本。

 

「在聯合國訂定的17個地球永續發展目標中（SDGs），透過土壤功能的發揮，至少能達成8個目標……認識進而保護土壤，是確保人類生存與地球安全的最好行動。」——許正一（國立臺灣大學農業化學系特聘教授）

推薦人

宋聖榮／國立臺灣大學理學院地質科學系教授/中央研究院地球科學研究所合聘研究員

汪中和／中央研究院 地球科學研究所 退休研究員/needs Radio ｢地球ICU」節目主持人

沈川洲／國立臺灣大學地質科學系國家講座/臺大講座教授

林大利／金鼎獎科普作家

許正一／國立臺灣大學農業化學系特聘教授

陳世雄／國立中興大學土壤學研究所博士/臺灣農學家

陳興宗／大誠土壤作物技術館館長

陳尊賢／國立臺灣大學農化系名譽教授

賴青松／青松米.穀東俱樂部發起人

顏聖紘／國立中山大學生物科學系副教授

（按姓氏筆畫序）

藤井一至，1981年出生於日本富山縣立山町山腳下。十幾歲第一次挖開家鄉的土壤，便被那個「看不見卻支配萬物」的世界深深吸引。這份沉迷使他走上土壤科學之路，後來前往京都大學研習農學，並取得博士學位。

作為野外型土壤研究者，他的足跡遍布加拿大永久凍層、印尼婆羅洲熱帶雨林、亞洲農村與日本山林。他用鏟子、採樣器追索土壤、植物與微生物之間的關係，試圖回答那個看似簡單卻極其根本的問題：土壤，是如何孕育生命的？

藤井不只是嚴謹的研究者、熱愛植物的種植者，也是能把科學寫成故事的敘事者。在他眼中，土壤並非沉默的背景，而是一部橫跨五億年的生命史書：植物上岸、森林形成、氣候劇變、文明興衰，乃至當代能源革命與全球暖化，都在這片薄薄的褐色層裡留下痕跡。

他的研究與書寫受到多項肯定，包括：日本生態學會奨励賞（鈴木賞）、日本土壤肥料學會奨励賞、日本農學進歩賞、河合隼雄學藝賞、日本生態學會宮地賞、日本土壤學會論文獎。

藤井一至曾任森林綜合研究所主任研究員，現為福島國際研究教育機構（F-REI）土壤恆常性研究單元主任研究員。著有多本土壤科普書，其中《大地的五億年》公認為日本土壤科學領域的重要科普成果，並為作者贏得河合隼雄賞。

四年一次的大開花_

 

 

 

我還想繼續聊一下龍腦香在熱帶雨林的事情。春天花朵綻放，夏天枝葉繁茂，秋天葉片轉紅，冬天果實落下，這是一般對溫帶落葉物種一年四季的印象。「白天變長了誒」，很多人會從這句話感覺到季節的變換。但相對的，赤道正下方的熱帶雨林，一整年白天的長度幾乎都沒什麼改變。

 

 

 

熱帶雨林不像溫帶一樣每年落下葉子，也不會每年開花結果。然而，即便如此，每隔 4 年仍會迎來一場特殊事件，吸引蜜蜂與其他動物熱鬧參與。那不是奧運或世界盃，而是名為「大開花」的現象。熊蜂與鳥類為了採取花蜜或果實而來，順帶幫忙搬運花粉，長著兩枚翅膀的龍腦香雙翅果種子也隨風起舞（圖 1-28）。

 

 

 

那麼，為什麼相隔 4 年呢？長年以來這個現象在熱帶生態學中一直是個謎。

 

 

 

其中一個假說認為，大開花與地球規模的氣候循環（聖嬰現象）同步。所謂的「聖嬰」，是指太平洋赤道區域從中央到秘魯近海的海域，每年海水溫度約在 12 月左右上升的現象。海水溫度上升會加熱上方的大氣層，從而引發全球性的氣候變動，其中印尼的婆羅洲島會出現低溫與乾燥等。據說，樹木「知道」在經歷聖嬰現象帶來的乾燥後將迎來穩定的濕潤期，所以選擇在這時繁衍後代。

 

 

 

第二種假說則認為這個現象是與授粉媒介蜜蜂協調的結果。由於熱帶雨林每公頃內可以有多達 200 種不同的樹種，為了確保授粉成功，相同的樹種必須要相互配合同步開花。此外，為了吸引授粉者，植物必須準備充足的花蜜與花粉。透過限制開花的時期，將 4 年份的花集中綻放，不僅能吸引授粉者前來，也能成功提高授粉效率。

 

 

 

為了研究這種發生在離地 60 公尺高處的現象，熱帶生態學家井上民二博士在熱帶雨林中立起高塔，並在樹冠搭建了橋樑。藉由這項研究，他證實了授粉者與花期之間的同步關係，並揭示了驅動大開花的演化因子，除了植物本身的特性，配合昆蟲的需求也是重要因素。

 

 

 

第三種假說，是龍腦香為了避免被紅毛猩猩等種子掠食者把種子吃乾抹盡，而一起落下果實，讓種子掠食者吃不完的理論。同時掉落大量種子，讓混亂中倖存的種子順利成長就好，也是一種植物的生存策略。

 

 

 

第四種壓軸登場的重頭戲就是土壤了。話雖如此，事實卻有點令人洩氣：熱帶雨林土壤其實無法供應樹木每年結果所需的足夠養分。熱帶雨林極育土的氮與磷含量不足以讓樹木每年都生出種子，樹木需要長期累積吸收來的養分，因此要等 4 年才能結出種子。

 

 

 

以我在印尼熱帶雨林的調查來看，若是每年要在 1 公頃左右的土地內結出 1 公噸種子，會需要好幾公斤的磷，但土壤並沒有這種程度的供應量。計算結果是，龍腦香要在體內儲存足夠的磷，果然需要好幾年。只不過，「每年都結果」是溫帶的常識，而生活在熱帶的龍腦香可能有屬於自己的生理時鐘。

 

 

 

人們一直以來都認為龍腦香的種子之所以會有兩枚翅膀，是因為要藉由風將後代傳播得更遠，但研究發現，森林中的種子幾乎都掉落在正下方。如果掉在成樹附近的話，便能透過外生菌根菌的菌絲將水分與養分傳送給幼苗。也就是說，掉落在同一片土壤上反而比較穩當。

 

 

 

雖然樹木會「育兒」的說法是前所未聞的事，但既然要耗損自身，將寶貴的磷分給種子，那麼本能上想要提高成功率，應該算是樹木的一種父母心吧。如果將「種子長到成樹的機率」高估到 1% 來計算，那麼推估起來，森林要完成一輪完整的世代更替，大概需要 100 年才能剛好維持平衡運轉。在嚴峻的環境中，或許存在著能夠促進世代交替的平衡機制吧。

 

 

 

恐龍的餐桌

 

 

 

距今 2 億年前，著名的侏羅紀開始了，巨大的爬蟲類，也就是恐龍，在大地昂首闊步。在科幻電影《侏羅紀公園》中，科學家從封存在琥珀中的蚊子體內吸出血液，從中提取恐龍的基因（DNA），注入未受精卵中，讓恐龍重生。當然，我在實驗時只要有那麼一點操作不良，DNA 就會劣化，因此在現實中，2 億年前恐龍的 DNA 是不可能保存完好的（應該是這樣），但在電影中，恐龍成功復原了。

 

 

 

本書將會以更為泥濘「石」際的方法，利用土壤和化石來嘗試重建恐龍時代的環境。

 

 

 

說到恐龍，我們腦中浮現的畫面通常是暴龍襲擊三角龍，但實際上，在 2 億年前的侏羅紀，更多的是腕龍這類更大型的恐龍，這些恐龍都適應了低氧環境以及隨後升高的氧氣濃度（由於火山活動等，大氣中的氧氣濃度不斷變化，在 3 億年前曾達到 35%，降至 10% 後又回升到現今的 20% 左右）。恐龍究竟是生活在什麼樣的植物和土壤中呢？讓我們來探尋一下恐龍時代的土壤──「侏羅紀土壤」吧！

 

 

 

既然要探查當時的土壤，首要的線索就是氣候跟植物。由於超大陸（盤古大陸）再次分裂，海風可以輕拂上 2 億年前的大地，氣候也變得溫暖潮濕。隨著雨水廣泛灑落大地，森林也開始擴展到原本是沙漠的內陸地區。從此以後，土壤的分布範圍不再限於水邊的潮濕地帶。

 

 

 

那植物呢？過去組成森林的大型蕨類植物消失，蘇鐵、銀杏、松樹等針葉樹轉而成為地表的主角。這些都是平常在庭院、公園或公路邊常見到的熟面孔。在日本，銀杏至今仍以行道樹的金黃樹葉與銀杏果廣受喜好，但這種樹其實是從恐龍時代活到現在的活化石。所謂的針葉樹（松柏目），是指有著像針一樣刺刺的葉子，並且會生出松果（毬果）的植物類群。授粉的雌花成熟之後，種子飛出，就變成毬果。

 

 

 

人們常誤以為「草食性」恐龍是以草原上的草為主食，但 2 億年前根本就還沒有草，當然也還沒有什麼草原時代。當時最重要的食物是針葉樹的葉子。儘管針葉看起來刺刺的，貌似不怎麼好吃，卻成了草食性恐龍的主食。有一個有力的理論認為，當時針葉樹的樹葉比現在更為柔軟，也更容易食用。

 

 

 

不過，無論如何，當時的大地並不是什麼草原，也不是闊葉樹林，而是廣闊的針葉林。現今的針葉樹大多生長於寒冷地區，但在 2 億年前的大地上，卻是廣布在亞熱帶的針葉林中。在這種不太尋常的森林下方，新的土壤誕生了。

 

 

 

讓土壤變成酸性的植物

 

 

 

亞熱帶雨林的茁壯發展，也為地下帶來巨大的變化──「酸性」土壤誕生了。

 

 

 

雖然森林要在雨水充足的條件下才能形成，但多餘的雨水也會造成土壤與岩石風化。土壤漸漸流失鉀與鈣，變成酸性，這稱為「酸化」。若是沒有新的養分供給，土壤將隨著年齡增長而變得越來越酸。我至今所看過地球上最古老的土壤（不包含地層或岩石），是 1 萬年前的土（圖 1-17）。這是我在美國維吉尼亞州見到的土壤，殘留在河階上。在經年累月酸化後，這些土壤變成了沒什麼營養的極育土。2 億年前的酸性土壤應該也很接近這種土。

 

 

 

提到「酸化」，人們可能會有「不利於生物」的負面印象。實際上，土壤酸化對多數植物來說確實是不受歡迎的狀況。土壤一旦變成酸性，有害的鋁離子就會溶解出來，阻礙植物根部生長。更重要的是，植物繁衍所需要的磷會變得難以溶於水中，因此也更難從根部吸收。此外，人們會將酸化與青銅雕像殘破不堪的景象聯繫在一起，因而經常認為酸化是酸雨導致土壤劣化的結果。

 

 

 

然而，即使在酸雨影響甚微的地區，森林土壤的 pH 值也能低至 4 或 5。何況，樹木就算長在酸性土壤上，也是一副泰然自若的樣子。

 

 

 

這是因為，在森林中使土壤變酸的，其實正是植物本身。植物在吸收水分的同時，也會吸收溶解在水中的鈣離子和鉀離子，並從根部釋放出氫離子（酸）來交換。在森林中，植物根部釋放的氫離子量，在多數情況下不但超過降落在森林中的酸雨，甚至可達十倍以上。雖然植物也會吸收磷酸等陰離子，但會吸收更多的陽離子。植物只要還活著，就必須吸收鈣和鉀，因此土壤變酸是無可避免的宿命。

 

 

 

 

正如苔蘚和地衣的例子所示，要迅速溶解岩石或土壤中的礦物，酸性物質是不可或缺的。植物不釋放酸性物質，就無法獲得充足的養分，從而陷入困境。因此，植物不得不藉由讓酸性土壤變得更酸的這個終極選擇來獲取養分。所以酸化同時也是植物奮不顧身的戰略，並不應該單純地斷定為土壤劣化。

 

 

前言  

 

 

序章 在腳下展開的世界  

 

 

生物生成土壤 

 

 

在旅途開始前 

 

 

 

第1章 土壤的來源：克服逆境的植物9 

 

 

在地球有土壤之前 

 

 

板塊漂移與蕨類森林 

 

 

樹木與蕈類的相遇 

 

 

侏羅紀・土壤 

 

 

沙漠上的熱帶雨林 

 

 

冰河時期的森林與土壤 

 

 

奇蹟的島國——日本 

 

 

 

第2章 土壤養育的動物：從微生物到恐龍 

 

 

將養分聚集的生物 

 

 

活躍的腸道菌 

 

 

連結土壤與生物的技能——溶解性有機質 

 

 

養分的流動與循環

 

 

 

第3章 人與土壤的一萬年 

 

 

適應了土壤的人類 

 

 

水與養分的權衡取捨  

 

 

古代文明的興衰榮枯取決於土壤 

 

 

如何在酸性土壤中生活（為了與酸性土壤共存 ）

 

 

利用水田克服酸性土壤 

 

 

里山與糞尿的回收利用 

 

 

促進人口增長與土壤酸化的哈伯—博施法 

 

 

 

第4章 土壤的未來 

 

 

改變土壤的能源革命 

 

 

進口木材的森林大國——日本 

 

 

充滿氮素的日本 

 

 

洋芋片的代價 

 

 

味道偏好會改變土壤 

 

 

納豆飯與水田土壤 

 

 

土壤照亮的未來：適應與破滅的環境界線 

 

 

 

後記 

 

 

書籍代號:0CCO0091

商品條碼EAN:9786267561812

ISBN:9786267561812

印刷:全彩

頁數:236

裝訂:平裝