從哪來？要去哪？—用稀土元素追蹤土壤的來源及化育作用
稀土元素不只是被爭奪的資源，還可以是土壤永續發展的利器
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對於整個地球而言，土壤圈只是薄薄的一層表皮。
不過，這層「表皮」往上乘載生物圈及大氣圈，往下連接水圈及岩石圈。 作為環境系統的核心，土壤具有支撐動植物生長及人類活動、涵養水分及養分，與調控生態系元素循環的功能。
土壤在生態系中的多重角色取決於土壤的母質 (母岩) 特性及化育作用 (pedogenesis) 過程。
換言之，土壤是一個由母質、氣候、時間、地形及生物五大成土因子組成的方程式，掌握這些因子的變動，就能了解土壤性質變化，進而妥善保護及應用土壤資源。而藏在我們手邊3C產品裡的稀土元素 (rare earth elements)就是用來追蹤土壤來源及化育作用的有力工具。
稀土元素是甚麼？
稀土元素是15個鑭系元素及釔的統稱，由於物理及化學特性相近，在環境中通常成群出現。
它們具有的良好電子、光學、催化與磁性，為科技產業及化學工業帶來技術上的革新，且因為稀土元素在產業中的不可取代性及資源稀缺性，使其被定位為全球瘋搶的技術關鍵元素，屢屢成為經濟新聞的主角。
有趣的是，雖然被稱為「稀土」，但是有近300種礦物被證實含有稀土元素，且它們在全球土壤中的個別元素含量更是高於金、銀及鉑等常見的貴金屬。
只是，稀土元素在地殼中不會單獨成礦且分布離散，所以被命名為「稀土元素」。
稀土元素在土壤中的活動
稀土元素在土壤中的含量和個別元素組成比例受到土壤母質的類型影響，也就是，花崗岩母質土壤具有最高的稀土元素全量，其次為砂頁岩、基性岩、安山岩，及超基性變質岩母質土壤。
不同的礦物帶有不同比例的輕稀土元素 (原子序57到64)和重稀土元素 (原子序39及65到74)。因此，礦物組成不同的砂頁岩、花崗岩及安山岩土壤和基性岩及超基性變質岩土壤，分別不同的輕稀土元素和重稀土元素富集特徵。
稀土元素在土壤中通常都帶正三價電荷，而相比於輕稀土元素，重稀土元素半徑較小。
如果用釘釘子來想，輕稀土元素是粗釘子，重稀土元素是細釘子。當工匠用一樣的力道 (正三價電荷)把釘子釘進木板 (土壤中帶負電的物質)，則重稀土元素可以釘得比較牢固。穩定的粗釘子加木板的組合，使重稀土可以跟著水和帶負電的土壤物質一起往較深的土層移動，也就是淋洗作用。
最終，經過長期淋洗作用後，表土會有較多的輕稀土元素，而裡土有更多的重稀土元素。
土壤的指紋
以往要知道土壤來源或者形成土壤的過程中經歷了甚麼作用，需要同位素或土壤顏色、質地與構造等質化特徵。
但是，同位素量測的技術門檻較高，且只依賴一個指標決定土壤的身世太過冒險；而一項質化特徵往往是多項土壤性質交互作用的結果，要具備大量土壤化育學的知識，才能以此架構出土壤的歷史。
相較之下，稀土元素用目前普及性很高的ICP-OES就能測到，門檻較同位素量測低。此外，稀土元素是一系列的16個元素，保證了方法的可信度。
土壤 (小孩) 從母質 (母親) 繼承了稀土元素的特殊組成，在土壤生成過程中這樣的組成會受到成土因子交互作用影響 (學校生活、社會經歷)，最終形成獨特的稀土元素特徵，即土壤指紋。
因此，稀土元素同時具有較低的量測門檻與較高的專一性等優點，未來透過技術模組化，則能加快溯源速度，提供一個嶄新的土壤溯源及長期化育追蹤的量化工具。
後記
本文內容在保留作者原有論述脈絡與文字風格的前提下，僅進行必要之結構與文字微調，以利一般讀者理解。
文中觀點與詮釋，代表作者個人之學術見解，亦反映其長期從事土壤化育與地球化學相關研究之累積成果。
3C產品裡的稀土元素，是用來追蹤土壤來源及化育作用的有力工具。