科學月刊201507月號-547期-重返土壤

Since 1970

547 NT$180

2015／07 ISSN : 0250-331X

珍惜土壤、愛惜土壤

重返 土壤

土壤關鍵字

地平線之下的旅行

土壤微生物探索

土壤強心針

在水泥、柏油的屏蔽下，你多久沒觸碰真正的土地？

486 SCIENCE MONTHLY 2015.7

攝影 / 王為豪

位置在船帆座與船尾座的發射星雲，為還在持續擴張的船帆座超新星殘骸，此超新星推測在 11000~12300 年前爆炸。

古姆星雲 Gum 12

攝影 / 王為豪

為位於蛇夫座恆星形成區的暗星雲。這張照片只取天蠍座的一小部份，位於圖中黃色區塊中最亮的星體是天蠍主星心宿二，其附近的黃色星團為 M4 球狀星團。

天蠍 – 蛇夫天區 Sco-Oph Cloud Complex

心宿二

M4 球狀星團

Vol.46 No.7

487

專欄文章

飛上天的技巧—

作 者 何崇德

實驗火箭的設計原理

國立基隆高級中學數

學科教師。從民國 93 年起，將

成大論箭教學活動引進到全國 各高中職舉辦已超過 90 場次。

3 ！ 2 ！ 1 ！發射！ 實驗火箭要如何穩穩的飛上天？

從動力學的觀點，火箭從點火升空、到完成任務、安全返航，整

實驗火箭

個過程中，重力的作用，一直都在，空氣的力量也沒停止過，再

指的是為教育、學術或休閒等用途，使用紙、木頭、 塑膠等普通材料，以及安全藥柱，依據火箭工程學原

加上火藥的推力，也必須列入考慮。因此，實驗火箭的整個運作

理，透過電腦輔助設計的協助，按照所需的性能來進

過程，即是在推力、重力、空氣動力作用下的運動過程。

行設計；並附回收系統，其飛行高度在視力所能及之 範圍內的小型火箭。

安定片 箭身

鼻錐

阻燃層

重心

藥柱

重力 實驗火箭應包含鼻錐、箭身、安定片、藥 回收系統（降落傘）

柱、回收系統等五大部份。實驗火箭的設 計過程，包括氣動力的外型設計與修改、 藥柱的選用、回收系統的設計等。

502 SCIENCE MONTHLY 2015.7

推力

理 ．物 ｜ Physics

火箭空氣動力 空氣動力，指的是由於空氣的運動，所產生的力量。 當空氣產生運動，整體的平均速度 V 不再是零時，空氣將可能產生不同於 靜態壓力的動態壓力。所謂的動態壓力，指的是將有速度的空氣擋住，所 需要之單位面積的力量。當空氣單元的速度為 V，其動能將為 ，其 中 ρ 為空氣單元所擁有的質量，也就是密度。假設空氣單元被擋下，其動

靜壓 p

動壓 V

能完全被吸收，但卻並沒有浪費在產生聲音、或溫度上，也就是動能完全 轉變成位能，然後再以壓力的型態呈現，即成為動態壓力，或稱為動壓， 其值也就會是 。

空氣之壓力。

假設溫度不發生變化，空氣分子不規則運動的速度 a，也就不會發生變化。此時，單元內所有的空 氣分子，都產生了一個整體一致的平均速度 V。當然，在這裡我們要了解，空氣分子的速度 a，方 向是雜亂的，每一個分子有自己的速度，然而，空氣單元的速度 V 則是一致的，方向大家都一樣。 由於溫度其實並沒有變化，故空氣分子的速度 a 仍然一樣，所以，速度 V 並非額外多出來的速度， 只是大家原本散亂的 a，產生了一個方向相同的 V 分量而已。而 V 一旦產生，空氣就有動壓了。 此時，a 用以產生靜壓部份的分量，必然會降低，因此，靜壓就會下降。而且，速度 V 越高，動 壓愈大，a 在產生靜壓部份的分量，就越降低，靜壓就會下降得更多。但是，由於 a 其實並沒有發 生任何變化，所以，壓力只是在靜壓與動壓之間做轉換而已，故靜壓與動壓之和，應為常數，才足 以說明此一現象。此即一般所謂的「白努利定律」： a

靜壓 p

空氣動力

空氣只要有速度 V，不論發生了什麼樣的變化， 就有可能產生動態壓力 ，故 是空 氣動力學的基礎。一個物體，在穿過空氣時，必

實驗火箭的受力狀況。

V

動壓 V

動態壓力的產生，來自空氣平均速度 V，由於 a 方 向的偏轉，使得產生靜壓部份的分量減少，靜壓降 低，動壓升高，且其和為常數。

然會施加力量於空氣上，並對空氣造成擾動，空 氣也必然會產生相同的反作用力，即空氣動力作 用在物體上。在整個物體與空氣的互動中，只要 有空氣的運動，不論是何種型態，其相關的力

除了 之外，還有許多會影響空氣動力

量，都必然與 有關。換句話說，都必然是

的因素，如形狀、姿態、尺寸等等，都會影

的函數，所以我們說， 是空氣動力

響空氣動力的大小。

的基礎。

Vol.46 No.7

503

重返土壤歲月 Past, Now & Future

a b c a (Denls Defreyne, https://goo.gl/yDaf5b) d

b (Jareed, https://goo.gl/S95pcS) c (Nick Bramhall, https://goo.gl/h9jLIN) d (Nosha, https://goo.gl/1Pmf0k)

522 SCIENCE MONTHLY 2015.7

土壤靜靜生成 Million Years Ago

工業與城市開始覆蓋大地

農業從土壤中誕生

Hundred Years Ago

Thousand Years Ago

我們與土壤的未來？ Now & Future?

Vol.46 No.7

523

2

COVER STORY

不可不知的

文

土壤關鍵字

郭鴻裕

(JAY MANTRI)

在日常生活中，土壤似乎隨處可見。土壤是生產食物的

但隨著各種人類活動的快速發展，使得全世界

基礎，為基因庫與生態系提供棲地，並提供我們飲用

的土壤正快速退化當中。土壤退化包括：地滑

水、生物質量（biomass）與原料。然而，土壤是一項

崩塌、汙染、土壤侵蝕、土壤有機質流失、夯

不可再生的資源。數公分的土壤，需歷經數百年以上的

實、鹽化與封存等。這些現象將損及人類健康、

時間才能生成。

改變生態系統，並造成氣候變遷。我們的經濟 繁榮與生活品質將遭受沉重打擊。臺灣土壤保 育目前只著重於水土保持與防治土壤重金屬汙

作 者 郭鴻裕

農業試驗所研究員兼組長。從 事土壤調查工作，建立我國土 壤及農田土地覆蓋資料庫。

526 SCIENCE MONTHLY 2015.7

染，尚有多種土壤資源威脅及土壤功能甚少在

行 政 院 農 業 委員會

國內被討論。

土壤功能 在展開行動保護土壤之前，我們必須先認識土

存庫之間的流動。土壤是地球第二大碳匯，科

壤的重要功能。

學家估計其吸存的碳潛力遠大於森林及空氣中

就生態系功能而言，農業便是絕佳例子之一，

CO2 的總和。因此我們可以利用「土壤碳匯」

作為減緩溫室氣體之策略，包括：木炭或生質

農民於土壤上種植各種作物，以供給人類或是

炭掩藏農田，並可以改良土壤；利用乾旱區或

動物的糧食。土壤可說是會呼吸的大地，具有

半乾旱區增加土壤碳酸鹽；保育耕犁方式及作

在大氣、地面水與植被之間過濾、緩衝、轉變

物殘植管理增加土壤有機碳，並減低能源消耗；

等能力，強烈影響地表之水循環以及陸地與大

施用廄肥增加土壤碳儲存量；實施有機農業等

氣系統間之氣體交換，防止地面水與食物鏈受

策略，但是這些策略需要視地區再精確評估。

到汙染，並保護包括人類在內之環境品質維護

另農業部門可以積極發揮土壤碳匯功能，以抵

功能。另外，土壤中的生物種類繁多，數量也

換工業部門的溫室氣體排放量。

遠多於地表生物體之總和，因此土壤為生物多 樣性之主要基礎，而人類生命又極度仰賴生物

從非生態系功能來說，土壤為原料之來源，例

多樣性。土壤中之基因在許多科技，尤其是生

如一般所熟知之土、砂、碎石、礦石等。而原

物技術以及生物工程處理，皆日漸重要。

料為人類社會科技、產業以及社會經濟發展的 基礎，例如建置工業廠房、房舍、運輸、運動、

值得一提的是，土壤中有機碳之貯存量高出地

娛樂、廢棄物棄置等等。土壤造就我們生活地

表生物質量之總碳貯存量三倍，為大氣中有機

景的主要部分，為我們封存並保護化石與考古

碳總量之兩倍。全球碳循環是碳在大氣、海洋

學之無價寶藏，使人類對自身及大地之歷史得

及包括植物和土壤的陸地生態系統三個主要儲

以更加瞭解。

高山地區不當的土地利用。

( 作者提供 )

土壤科學家努力的調查、估算與瞭解臺灣的土壤碳匯並比較不同土壤類

( 作者提供 )

不同土地利用造成土壤碳積存不同量。

型的土壤碳庫差異性，以便於加強各地的土壤碳匯功能管理。

Vol.46 No.7

527

COVER STORY

【SOIL】

地平線之下的旅行 行前必備 Essential

A

注意事項 Attention

土壤組成 45% 25% 25% 5%

礦物質 水 空氣 有機物質

全球每年都有

B

時間

1000

需要 年， 才能生成 1 公分厚的土壤

C

數量

在一湯匙土壤中的生物個體數 量，超過地球上的人類總數。

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土壤中居住生物種類 占全體物種比例。

50000

平方公里的土壤流失，相 當於哥斯大黎加的國土面 積。專家估計，我們只剩 60 年可以拯救這些土壤。

33％ 的土壤處於中等至嚴重退 化狀態，原因來自於土壤 侵 蝕、 貧 瘠 化、 酸 化、 鹽 化、固化及化學汙染等。

11

公頃

在歐洲，每小時因為都市 發展而被封存在地底的土 壤。

3 當大地被人類所封存後，土壤從此不見天日……

(Shubert Ciencia, https://goo.gl/ZdMuBn)

” 踏上旅途 Schedule

”

在世界各地，經過千百年以來的演進，農民都發展出一套 與環境相處的獨特方法。這些人民從自然中學習土壤的知 識，在供給自身的糧食外，也同時保護生物多樣性。

1

伊富高水稻梯田 位在菲律賓呂宋島柯迪勒拉山脈上的水稻農耕系統，已有兩千年 的歷史，起源自當地的山地民族「伊富高人」。在每片水稻梯田 上都有一片森林，不僅提供水源、防止土壤侵蝕，也確保了糧食 (Ori~ ,http://goo.gl/hr6zJW)

安全。這種種植方式使得農民能在 1000 公尺以上的高山種植水

稻。它同時是世界最大的人造灌溉系統，被稱作「天國的階梯」。

2

智利奇洛埃島 位在智利南部的奇洛埃島，被認為是馬鈴薯的起源地之一，同時 也是優良的生物多樣性保護區。此處的熱帶雨林庇蔭了許多瀕臨 絕種的動植物。奇洛埃人仍種植著約兩百種的原生馬鈴薯，遵循 (Srikanth Jandhyala, https://goo.gl/95cCZ7)

著祖先慣例，將技術與知識藉由口述方式傳承給世世代代的農夫， 特別是女人。他們不只懂得運用抗旱型種子，更深知農業與生態 系統的關係。

3

日本里山里海 位在日本能登半島上，為世界農業遺產。當地農民創造了使農漁 業與環境共生的環保體系，在充分利用土地時，也能兼顧維護生 態場所。如圖為輪島市的白米千枚田，用於種植水稻。 (Ryoichi Tanaka, https://goo.gl/PO1O6E)

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化學合成法合成奈米粒子。

成大化學系葉晨聖－

奈米探索實驗室 還記得今年 2 月號，我們曾訪問 成功大學化學系葉晨聖教授嗎？這 個月讓我們來一窺葉晨聖教授的實 驗室吧！ 大家對化學實驗的印象，應該是桌上擺了一大堆的瓶瓶罐

者

作

罐，瓶瓶罐罐中裝了各種不同顏色的液體。還有一個燃燒的 葉晨聖

榮獲 99 年度科技部傑

出 研 究 獎、2013 年 經 濟 部 第九

屆「學術類」奈米產業科技菁英

獎，現任國立成功大學化學系特 聘教授、科技部化學學門召集人。

酒精燈在桌上，架了一個三腳架，上面放了一個錐形瓶，拿 起其中一瓶液體，倒入錐形瓶中，再拿起另一瓶液體，倒入 錐形瓶中，拿起玻棒攪一攪，然後……碰！一團白煙中隱約 看到一個黑色驚恐的臉……

大學的實驗室其實和大家想的不會差很遠，實驗室中的確充 滿了許多瓶瓶罐罐，但會不會有爆炸的危險就要靠自己的基 本功與細心度是否扎實了。

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我們實驗室的其中一項工作是開發新結構的奈米材料。奈 米材料指的是製造出來的粒子大小在奈米的尺度（nm, 10-9

m），嚴格來說，1~100 nm 尺寸材料才稱為奈米材料。

製作奈米材料的方法很多，最簡單的方式就是使用化學方 法合成。比如說：想要得到金奈米的粒子，就把還原劑檸 檬酸鈉溶液加入四氯金酸溶液中加熱到沸騰，十分鐘後就 可以得到酒紅色的金奈米粒子；想要合成氧化鐵奈米粒子， 就將鐵的前驅物與油酸以及溶劑三辛胺混合，在氬氣的環 境下攪拌加熱，即可得到超順磁性的氧化鐵奈米粒子。

這些奈米粒子的形狀、大小、甚至一些性質可以藉由改變 前驅物劑量、加熱溫度、反應時間、或是改變還原劑而進 行調控。像是改變還原劑檸檬酸鈉的劑量可以得到不同大 小、不同形貌的金奈米粒子，如金奈米棒或是多面體金奈 米粒子，也可以藉由將還原劑檸檬酸鈉替換成維生素 C 或

其他還原劑而得到。除了單一種類的奈米粒子之外，也可 合成複合型奈米粒子，例如：先合成出氧化鐵奈米粒子， 再將此氧化鐵奈米粒子與四氯金酸混合，在適當的條件下

共軛焦顯微鏡系統。

利用強還原劑將金奈米晶種還原在氧化鐵粒子上，接著使 用晶種成長法長出一金奈米殼層，如此就可以得到一個中 心為氧化鐵，外層為金奈米殼層的核 – 殼（core-shell） 奈米材料。

由於奈米是一個很小的尺度，無法用一般光學顯微鏡或是 放大鏡觀察到，所以需要使用一台特殊的儀器「穿透式電 子顯微鏡」才能對奈米材料的形貌進行觀察。有別於一般 光學顯微鏡利用光來成像，電子顯微鏡利用加速電子進行

穿透式電子顯微鏡。

成像。在電子顯微鏡底下，各種形狀的奈米粒子可被放大 數十萬倍顯示在電腦螢幕上，如此可供我們進一步鑑定形 狀、大小、結構。除了形貌，也需鑑定吸收光譜、放射光譜、 晶體繞射、孔洞結構等等，經過這些步驟，奈米粒子的性 質將可被瞭解，如此有助於我們後續對這些奈米材料的應 用工作。

也許大家會好奇，合成出各式各樣的奈米粒子或複合型材 料，是純粹好玩？很潮？趕流行？還是有什麼應用價值呢？

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