許正一 教授學術研究成果

・土壤重金屬污染與整治復育:長期研究重金屬污染土壤之整治復育,其中整治以降低風險為主要目標,而復育則不僅是降低風險,尚考慮恢復土壤正常用途。曾探討之技術為化學萃取、熱脫附、現地穩定化及植生復育。主要成果如下:

1. 結合多種技術所形成之整治鏈(treatment chain)是處理含汞之多種重金屬污染土壤的趨勢,利用TGA與序列萃取方法,做為設定土壤熱脫附參數,建議整治鏈模組為:先以化學萃取整治後再進行熱脫附。

2. 以農、工業鹼副產物固定重金屬,針對中、低污染程度之土壤,以蚵殼粉、鹼性生物炭、水淬爐石、淨水軟化碳酸鈣結晶、粘土礦物、綠肥殘渣等降低鎘、鉛之生物有效性濃度。

3. 以印度芥菜進行鉻、鎳之植生萃取,並比較草酸與檸檬酸對提高鉻、鎳生物有效性與促進植體吸收之影響。 

4. 近期以木本植物,桃花心木,以其幼苗利用水耕試驗探討其耐鎘之生理反應與植體鎘吸收能力,結果發現桃花心木忍受水耕液鎘濃度達30 mg/L時,葉綠素(a+b)濃度始明顯下降,而脯氨酸濃度明顯上升,雖然桃花心木尚不足以稱之鎘超累積植物,但因其成株生物量龐大,頗具植生萃取潛力。

5. 亞洲地區的含砷灌溉水問題是人類有史以來影響人口數最多的污染事件,本研究室係探討含砷地下水灌溉水田土壤後,土壤中砷濃度超過台灣土壤污染管制標準(60 mg/kg),水稻根圈土壤甚至高達300 mg/kg,以序列萃取法劃分砷型態並解釋砷的來源及在土壤中之動態,水稻植株中以根部砷濃度最高,糙米最低,但以最高濃度考量一般成人食米攝取量加以計算,仍超出WHO所建議之砷攝取量上限。   

・含高背景濃度重金屬之土壤的生物地質化學探討:長期研究蛇紋岩土壤,其高背景濃度之鉻與鎳的來源、風化特性、生物有效性及植物吸收量之評估。利用XRDSEM/TEMEPMAXANESmicro-XAS等技術,完成以下主要成果: 

1. 確認鉻的來源主要為尖晶石,鎳則為橄欖石及輝石;鉻、鎳風化後被氧化鐵表面所吸附,而鎳比鉻易以同構取代方式進入蒙特石、蛭石等晶格中。 

2. 以地球化學分析及統計方法證實海岸山脈不同地區之蛇紋岩土壤母質是由不同來源的超基性岩類所構成的。 

3. 鉻鐵礦普遍被認為極難風化,但以東部蛇紋岩母質之極育土進行研究,證實鉻鐵礦的風化作用確實是土壤有效性鉻濃度增加的原因之一。 

4. 確認鎳在蛇紋岩土壤之溶解度與移動性高於鉻,但鉻因與氧化錳反應而氧化為毒性極強之六價鉻(>180 μg/kg soil),不過,六價鉻的氧化與是否在土壤中接觸氧化錳有關,而僅非氧化錳濃度高低所控制。 

5. 稻米從蛇紋岩土壤所吸收之鉻與鎳稍高於全台之背景值,而有7種已在台灣歸化或本土性之非食用植物被篩選出來可應用於污染土壤之植生復育中,其中豬屎豆、銀合歡、咸豐草、印度草木犀等經評估適合做為鎳之本土性植生萃取植物。  

 ・長期研究污泥土地施用對土壤品質及作物生長之影響,探討之主題有污泥堆肥化作用、污泥氮礦化動力學、污泥重金屬在土壤之生物有效性、污泥重金屬對土壤微生物反應之影響、污泥壬基酚在土壤中的降解等,主要成果如下: 

1. 下水污泥中濃度最高且易被作物吸收的重金屬為鋅,因此以鋅為計算基礎建議台灣地區下水污泥之可容許施用量為7.4 ton/ha/yr 並可連續施用約78年。 

2. 下水污泥可增加土壤的氮礦化累積量,且土壤微生物生質碳量會因為污泥的添加而提高。增加污泥中銅與鋅的濃度會降低土壤微生物生質氮量,但增加鉛卻不會。

3. 添加淨水污泥至土壤並無明顯的鋁溶出問題,同時改善砂質地土壤品質,唯需加入適量的植物性堆肥,以增加土壤有機質含量。     

・海階與河階地形土壤之時間序列研究,主要成果如下: 

1. 就環境地質學而言,海階與河階是台灣地區開發密度較高的地形,較容易發生地質災害與環境污染,而海階與河階的形成與全球第四紀環境變遷有密切關係,是地景保育的重要對象,也是探討土壤時間序列之理想地形,所謂土壤時間序列是指不同土壤在母質、地勢、植生及氣候條件類似之前提下,各土壤間化育作用之差異性主要由時間長短所表現出來者,而上述兩種階地上的土壤都有時間序列之特性。 

2. 不論就土壤環境科學、地形學或地質學的角度來說,目前共同極待突破的瓶頸是欠缺定年資料,導致許多階地地形演育過程在推論時無法得到進一步驗證有鑑於此,本人自數年前與地質學者開始進行跨領域合作,首先以彰八卦山南部河階(共六階)之紅土為對象,該地形之成因有兩造說法,一為斷層錯動造成,另一說法認為是河流下切作用所致。透過土壤形態與化育作用過程之解釋,該研究結果研判其河階之成因應為河流下切作用所造成,對於相關環境地質學的探討有莫大的幫助。目前正持續進行大肚河階群與恆春半島海階地形演育之探討。

 

陳尊賢 名譽教授學術研究成果

1. 長期持續研究紅壤水田土壤之特性、化育與分類,研究成果能顯著提高臺灣在「鐵網紋土壤」生成理論、土壤分類及微量元素在礦物構造上之分佈國際學術地位

研究桃園中壢新屋一帶水田化作用與長年季節性地下水位變動所造成紅壤下層土壤形態特徵之變化,產生不同的土壤化育作用與不同之分類名稱,研究結果顯示土壤還原狀態及飽和狀態決定鐵網紋(plinthites)存在之深度與含量(或大小)。另無定形鐵鋁與土壤還原時間有顯著相關(p<0.01),鐵活度指標可作為鑑定紅壤化育層之指標,鐵活度指標高於0.5時,容易形成灰粘化層,鐵活度指標低於0.5則易形成鐵網紋。研究結果均發表於土壤界國際期刊

  • Soil Science Society of America Journal (SSSAJ) 60:941-949(1996)
  • Soil Sci. Soc. Am. J. 65: 270-278(2001)
  • Soil Science 165:869-880;Soil Science 169: 871-882 (2004)
  • SCI地球科學及地球物理類國際期刊之Geochimica et Cosmochimica Acta 69:4007-4034 (2005)。
2. 長期持續研究森林土壤淋澱層(Spodic horizon)及薄膠層(Placic horizon)之生成化育機制,研究成果能顯著提高臺灣在土壤學國際學術地位

在臺灣中部郡大林道之針葉林中,受到砂頁岩風化後之影響,在強烈雨量影響下,發現全世界極罕見之壤質淋澱土(Loamy Spodosols),研究結果均發表於土壤界國際期刊Soil Science Society of America Journal (SSSAJ) 62:710-716(1998)。後來繼續深入宜蘭縣太平山發現具薄膠層(placic horizon)土壤之生成及化育作用很特殊,大量的無機態鐵由E層洗入並累積於B層,加上又缺乏有機物質及金屬鋁等錯合物質,導致薄膠層在研究地區成為優勢,研究地區高黏粒含量之特性導致大量物質累積於薄膠層或黏聚層上方,提供淋澱化作用發生之機會。研究結果均發表於土壤界國際期刊

  • Soil Science Society of America Journal (SSSAJ) 63:941-947 (1999)
  • Geoderma 125:331-341(2005)
3. 長期持續研究陽明山國家公園火山灰土壤(Volcanic soils, Andisols)之生成化育機制,研究成果能顯著提高臺灣在火山灰土壤之國際學術地位

自1990年起研究臺灣北部陽明山國家公園內之火山灰土壤(Volcanic soils, Andisols)之生成化育機制,受到母質、氣候及植生之影響,在紗帽山發現全世界極罕見之烏黑濕潤灰儘土(Typic Melanudands),在七星山、大屯山、面天山、竹子山等地已採86個土壤剖面,發現典型簡育濕潤灰儘土(Typic Hapludands)及其過渡土壤,並研究陽明山國家公園內土壤之礦物風化過程、分類問題及建立土壤地形模式,研究結果均發表於土壤界國際期刊Soil Science及多篇國內國科會補助出版之優良學術期刊中。

4. 受重金屬污染土壤之植生復育技術研究 (Phytoremediation)多次發表於國際期刊及國際會議,研究成果能顯著提高臺灣在土壤污染整治或復育領域之國際學術地位

近五年積極研究受重金屬污染土壤之整治技術,包括化學方法(Chemical remediation)及植生萃取方法(Phytoextraction or phytoremediation),可利用種植特殊的花卉植物大量及快速移除土壤中之重金屬。已將40多種花卉及苗木植物以盆栽試驗及於污染區進行田間大面積篩選試驗,發現種植於多種重金屬污染土壤中,花卉植物五彩石竹可以累積高濃度鎘、鋅及鉛;添加EDTA則可顯著增加土壤溶液及植物累積之重金屬濃度,但污染土壤中受多種重金屬之交互作用會影響植物對重金屬之吸收與累積,並降低植生復育之效果,添加EDTA與否及所添加之EDTA濃度則會影響重金屬間的交互作用。這些研究結果均發表於各國際會議及SCI環境科學領域國際期刊

  • Chemosphere 55:421-430(2004);
  • Chemosphere 57:1459-1471(2004);
  • Chemosphere 60:1062-1071(2005);
  • Journal of Hazardous Materials 137:1710-1718(2006);
  • Desalination (In press)(2006)
  • J.Environ.Geochem .& Health.16:161-170(1994)。
5. 長期持續研究森林生態系土壤特性變化及養分循環(Nutrient cycling)之研究

墾丁國家公園南仁山生態保護區之溪谷樣區植被組成及地形直接影響土壤之水分含量、土壤特性及其土壤溶液組成,表土20公分各種養份及離子濃度有較高之趨勢,底土則較不受季節影響,變異較小。除表土20公分外,硝酸態氮、鐵、鋁、矽離子濃度隨土層深度之增加而減少,滲漏溶液中硝酸態氮、硫酸、鉀、鈉離子於各地形有淨釋放之現象,鐵、鋁、鈣離子則有淨吸附之現象。12種主要優勢樹種對各種養份之吸收確實與地形及植生分佈位置確實有關,研究結果均發表於土壤界國際期刊Geoderma 123 (1-2):131-142(2004)及森林界國際期刊Forest Ecology and Management 239:92-101(2007)及多篇國內國科會補助出版之優良學術期刊中。研究墾丁國家公園南仁山生態保護區土壤碳氮淨礦化速率及養份動態變化之結果顯示,現地孵育(in situ incubation)與實驗室孵育(lab incubation)兩種方法之研究結果相近,東北季風並未如預期的對有效性碳及氮之養份釋放造成影響,且研究地區不同地形位置會對土壤之無機態氮量及礦化速率造成影響。研究結果均發表於中國南京舉行之第3屆氮國際會議(Oct.12-16,2004)與於美國費城舉行之第18屆世界土壤科學大會上(July 9-15,2006)。

6. 領導執行農業委員會「兩個整合型3年期研究計畫」,研究成果對農業資源管理及農業生態環境品質之維護有重大貢獻

由2001年1月至2003年12月擔任計畫總主持人,領導執行農業委員會兩個整合型為期3年之研究計畫(1)臺灣農田土壤管理組之規劃及應用及(2) 畜牧處理廢水於土壤處理後對土壤品質及作物產量及品質之影響及「土壤處理法」之修正研究案,每一整合型計畫均包括5個子研究計畫,每年每個整合型研究計畫經費約 700-800萬元。兩計畫於3年結束前一個均舉行研討會,成果豐碩,研究成果對農業資源管理及農業生態環境品質之維護有重大貢獻,且已納入政策執行及修改法規標準之重要依據。