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認識當前氮肥之酸鹼平衡與其用量問題

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Academic year: 2021

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(1)認識當前 氮肥. 土. 酸鹼平衡與其用量 問題. 壤 管 理. 農試所農化組 譚增偉. 一、前言. 二、 肥料需求基準. 我國自民國88年台肥公司民營化 後,肥料進口完全開放,至民國92年政 府全面退出肥料供銷體系。肥料銷售自 由化後,為符合市場交易秩序,政府不 再辦理肥料價差補貼,執行肥料安全庫 存計畫及肥料服務到家補助運費。其間 雖曾以漸進方式適度調整肥料價格,還 是脫離不了長久以來肥料保証價格的美 意。93年9月,國內肥料價格凍漲,今 為反應國際價格自97年5月30日起調高 肥料售價,自此自由化漲價的結果,對 農民造成的衝擊是可預期的。雖然,近 來有關機關及媒體曾報導(97年5月30日 聯合晚報頭版),謂台灣農田超量使用肥 料30%,肥料過度使用造成土壤酸化, 肥料吸收率降低,以至農民愈用愈多愈 無效,形成惡性循環;或謂肥料在酸化 土壤中容易流失,不易被吸收,有時甚 至流失一半以上,肥料效力無法發揮, 農民只好加倍使用,結果愈用愈多。誠 然,此一邏輯,無非是希望農民少施肥 料,減少成本負擔;事實上,肥料施用 量及造成土壤酸化等問題,有其一定之 學理,台灣農田是否真的施用量超多及 酸化嚴重,實有澄清的必要。. 表一列示收量水準下,每公頃需 吸收的要素量亦即絕對需要量。今以供 應每公頃收量6公頃稻穀需氮量84.55kg/ ha,來評估目前水稻施肥量是否有嚴重 超量情形。一般言之,氮肥在土壤中 因淋洗利用率僅30%,很難提高至40% 以上,磷肥為5-25%,乃三要素中最低 者,鉀肥對作物有超量吸收之現象其利 用率可達40-70%以上。若就作物施肥手 冊,民國85年第五版,一般水稻之推薦 量已由原先之一期作110-150修正為110140 kg/ha;二期作100-120修正為90-120 kg/ha。肥料外,其它來源可提供的氮 量,每期作每公頃估計為(1)雨水:10kg (2)灌溉水:30kg(3)土壤殘留的無機態氮 20kg(4)稻草含根系:40kg。這四種來源 合計提供100 kg/ha氮量,以利用率50% 估計,可供作物吸收量為50 kg/ha,故預 計收量6 ton/ha稻穀的不足氮吸收量完全 由利用率30%的肥料供給,其需氮肥量 為: (84.55-50)÷0.3 = 115.2 kg N/ha 此即 表示作物施肥手冊的推薦量應屬合理。 事實上作物施肥手冊從民國61年開始, 歷經五次修正,長久以來即作為農友施 肥的基本依據。農友本著自身的經驗法 則,憑著累積的知識與經驗,作調節性 施肥是可能的,若說求好心切,抱著多. 作 者:譚助理研究員增偉 連絡電話:04-23302301-408. 農業試驗所技術服務.2008年6月.74期. 19.

(2) 土 壤 管 理. 施點肥料,總是希望收成好的觀念,尤 其在那肥料便宜的年代,在所難免,但 若說嚴重超量施肥,實有違農民之經驗 法則。 再就我國歷年稻作肥料消費量(施 用量)而言,根據民國92年肥料手冊資 料,整理如表二供參考;原始資料係就 稻作面積與肥料銷售量(配售量)之統 計,該期間(民國62-75年)係我國稻作肥 料試驗及示範推廣最盛時期,顯然每年 每公頃三要素用量(實際還包括中間作)僅 氮素稍高,若扣除中間作用量,尚屬合 理推薦範圍內,如再考慮一年兩期作, 每期作之用量估計應為表二之半,則顯 三要素用量偏低。 肥料消耗量之比較,根據肥料手冊 資料,就民國79、84、89三年之平均值 (無它年度資料)整理如圖一所示,我國每 公頃耕地平均施用肥料三要素總量為447 公斤,與各先進國家比較似已名列第三 名(荷蘭第一,南韓第二),而氮素用量 每公頃達268公斤,更高居第二位,僅次 於以種植花卉園藝作物著稱之荷蘭。由 於我國資料係就耕作面積與每年肥料銷 表一、數種穀類作物每公頃要素吸收量 (kg/ha) 作物 水稻. 小麥 玉米. N. 收量. P2O5. K2O. 5,000. 70.46. 39.76. 65.96. 6,000. 84.55. 47.71. 79.15. 7,000. 98.64. 55.66. 92.34. 1,000. 16.00. 9.00. 5.00. 2,000. 32.00. 17.00. 10.00. 5,000. 92.00. 35.00. 85.00. 6,500. 120.00. 45.00. 110.00. 表二 、歷年平均-稻作化學肥料三要素每 年每公頃平均消耗量(kg/ha) 年度(民國) 62 - 75. 20. N. P2O5. K2O. 155 ±18. 38 ±5. 54 ±8. 農業試驗所技術服務.2008年6月.74期. 售量為基礎之統計,若考慮一年有兩期 作,則用量減半,即每公頃耕地平均施 用肥料三要素總量為224公斤,氮素用量 為134公斤,尚屬合理。 肥料的昂貴,部份是否可由有機 質肥料來補充,此需考慮技術與經濟層 面,值此肥料自由化之際,理當交由 市場機制決定;然若涉及重金屬在土壤 中的累積問題,則斷不可忽視,即使有 百年的安全期亦不可。今若由平均組成 含氮0.39%之堆肥供應每公頃6公噸稻 穀(需氮量84.55kg/ha),需要此堆肥 21.6公噸,再考慮堆肥之利用率時,實 際需要量,當不止此數。加入有機質肥 料,主要並非因土壤的有機含量低。雖 然土壤有機物的含量,常被視為土壤肥 沃度的指標,但土壤有機物含量水準, 是加入速率與分解速率之差額所決定 者;土壤有機質含量,在每年加入等量 有機物,如經長時間之後,會趨向於一 定之平衡值,分解速率快的地方,其值 會低,分解慢,則會有較高的平衡值。 但達到平衡值之後,年加入量與分解量 相等,因此不論分速率之高低,有機物 所供應的養份量必定等於有機物所帶入 土壤之量。因此,土壤有機質含量的高 低,雖可表示其養份含量高低,但不能 表示對作物體實際上能提供的養份量。 作物能得到的養份量,端視每年施用的 有機物所含的養份量而定。達到這個穩 定狀態後,有機物對作物之功能,就與 一般化學肥料一樣了。. 三、土壤中氮源之酸-鹼平衡關 係 土壤中氮素來源主要來自有機態 氮、硫銨、尿素、硝酸銨及複合肥料 等。歐美先進國家之化學氮肥,多取自 硝酸銨、尿素及複合肥料,施用硫酸銨.

(3) 土 壤 管 理. 圖一、我國與世界各主要國家歷年肥料消耗量之比較。. 量微不足道;亞洲國家中,除日本尚維 持31%氮素取自硫酸銨外,其他開發中 國家亦多施用尿素與複合肥炓;近來我 國施用硫酸銨比率繼續在降低。 無論是有機或無機態氮,在土壤中 涉及H+的產生或消耗,淨的結果即為H+ 之累積值,可為正或負,均影響土壤酸 酸度的變化。. 在 植 物 體 內 , 當 一 個 N O 3-被 吸 收 時,會放出一個OH -離子,此即相當於 植體內產生一個H+,然從NO -被轉換成 中性的NH3(或R-NH2)時,H+的即相當於 植體內產生一個OH-,此OH-恰中和NH4+ 轉換成中性NH 3時所釋放的一個H +,故 循環亦被平衡。. (一)氮循環-有機態氮之酸鹼平衡關係. 就硫酸銨之化學結構,其為強酸弱 鹼所成之塩類故屬酸性,為電解質,易 溶於水產生NH4+及SO42-,其水溶液呈酸 性乃因NH4+之水解釋放H+(1:1水溶液pH = 4.3): N H 4++ H 2O = H 3O ++ N H 3 K a = 5.68×10-10. 圖二之氮循環中從土壤有機氮開 始,蛋白質分解產生NH3的過程,並不涉 及H+的產生或消耗,然礦化作用之第二 步驟是NH 3之質子化產生NH 4+,需消耗 一個H +,此時H +的淨累積值為-1。若 NH +被植物或微生物吸收,因在吸收過 程中會釋放一個H+於土壤中,此時H+的 淨累積值為0。若NH 4+被氧化為NO 3-, 每一個NO3-之形成會放出2個H+,故H+ 的累積淨值為+1,此時NO3-之去向即決 定了氮循環對土壤酸化的影響,若NO3- 被植物吸收,會放出一個OH -,恰中和 前之H +,故H +之淨累積值再為0,若硝 酸塩在系統中被淋洗,則H+的淨累積值 仍維持在+1,即造成土壤的酸化。. (二)加入硫酸銨肥料之酸鹼平衡關係. 圖二、 從土壤有機氮開始氮循環之酸鹼平衡關係。括 號內數字表示氫離子的淨值:產生(+)或消耗(-) (摘自 Reuss, J. O. and Johnson, D.W. 1986)。. 農業試驗所技術服務.2008年6月.74期. 21.

(4) 土 壤 管 理. 當硫銨施入鹼性土壤,因土壤中之 OH 中和上述反應之H3O+,迫使反應向 右進行產生氨氣而逸失,致造成肥料中 氮之損失。硫酸銨所含之銨極易為土壤 粒子所吸著,但由於易溶於水,以致水 愈深,愈不易被土壤吸著,故淺水或先 排水施之為宜。 -. 圖三、肥料硫酸銨對土壤酸化的影響(摘自Reuss, J. O. and Johnson, D.W. 1986)。. 圖三為土壤加入硫銨肥料之酸化影 響;來自硫銨之(NH4 +)可經作物吸收或 進行硝化作用,若被吸收,則會釋放一 個H+此即表示,在土壤中來自硫銨中的 一個N直接產生1/2個H 2 SO 4 。若進行硝 化作用產生N3O-,N3O-亦被吸收,則酸 化影響與前相同,因硝化作用產生的2個 H+被作物吸收N3O+時釋放的一個OH-所 中和,淨效果是產生一個H+;若N3O+不 被作物吸收則產生NHO 3與H 2SO 4的混合 物,其陰離子在土壤中極易移動,致最 後的影響是硫銨中的一個N造成2個陽離 子M +的淋出。總之,每mole (NH 4) 2SO 4 加入土壤,對土壤酸化的影響,完全取 決於N是否被作物吸收或經硝化作用而 淋洗;其最低酸化潛能即相當於1 mole (NH4)2SO4,而最大酸化潛能,則相當於2 mole H2SO4。 (三)加入硝酸銨肥料之酸鹼平衡關係. 圖四、 肥料硝酸銨對土壤酸化的影響 (摘自Reuss, J. O. and Johnson, D.W. 1986)。. 圖五、 尿素肥料對土壤酸化的影響。. 22. 農業試驗所技術服務.2008年6月.74期. 硝酸銨一如硫銨,亦為強酸弱所成 的塩類,屬酸性,易溶於水產生NH 4+及 NO3-,NH4+之水解釋放H+而呈酸性(1:1 水溶液pH=4.1)。圖四為NH 4NO 3加入之 酸化影響,若硝化作用不發生,而NH4+ 被作物或微生物吸收,吸收過程中會釋 放出一個H + 離子,此與NO 3 - 結合,表 示每加入1 mole NH4NO3即相當於產生或 加入1 mole 的HNO3。反之,硝化作用發 生,每 N H 4 + 氧 化 成 N O 3 - 會 放 出 2 個 H+,故每加入1 mole NH4NO3即等於加入2 mole HNO3。若HNO3中之NO3-被吸收, 並不會有土壤酸化情形發生,因釋放的 OH-恰與H+中和,若NO3-與鹼性陽離子 一起被淋洗則酸化產生。總之,NH 4NO 3 的酸化影響程度,完全取決於硝化作用 及NO 3 - 的淋洗是否發生,NH 4 NO 3 中之 氮被吸收即無酸化,若N不被作物吸收, 又硝化作用進行旺盛,則酸化嚴重。.

(5) (四)加入尿素之酸鹼平衡關係. 尿素為非電解質,易溶於水,難被 土粒吸附,隨水之移動容易流失(1:1水溶 液pH= 8.3)。不過在土壤中,尿素受水 解酵素之作用可變為碳酸銨,在夏季全 量變化至少約3-4日,冬季約7-10日,銨 離子則易被土粒吸附。此塩易溶於水, 因CO32-之K b ≧NH 4+之K a ,故溶液呈鹼 性,相關之反應如下: (NH2)2CO+2H2O = (NH4)2CO3 C O 32-+ H 2O = H C O 3-+ O H - Kb=2.13×10-4 N H 4++ H 2O = N H 3+ H 3O + Ka=5.7×10-10 圖五為尿素在土壤中酸化過程,雖 然其水解後產生的(NH 4)2CO3為鹼性,但 在土壤中經吸收、硝化等作用,涉及產 生碳酸的過程,仍然會造成酸化,只是 因碳酸為弱酸,故酸化強度不如硫銨。. 四、結語 施肥,對農友來說,它是一種知識 與經驗相互累積的行為邏輯,自有其認 知的藝術。另就上述所言肥料之酸化問 題,均係說明氮源與作物吸收間H+離子 的直接產生與消耗,故吾人常以此角度 衡量並強調氮肥對土壤酸化的嚴重性; 但土壤本身有其防衛機制,即灌溉水、 石灰質及水田作用,從此觀點去看,土 壤酸化問題就不是那麼可怕了。 土壤因其母質不同(如是否含石灰質) 原即有酸、鹼之別。但無論原為鹼性或 酸性,當土壤漸趨老化,其所含鹼性物 質必漸流失,致使其鹼性愈弱,酸性愈 強。又作物栽培年數愈久,對土壤中鹼 性物質之吸收消耗便愈多,土壤自然更 加酸化。通常石灰質土壤對pH的緩衝作 用是很大的,施肥所產生的H+瞬間即被 石灰質土壤之OH -所中和,而要洗去土. 壤中之石灰質亦要數百年之久。 一般灌溉水如濁水溪流域可補充 鈣、鎂等鹼性成分,種植水稻不但可藉 帶豐富之灌溉水而補充多量鹼性成分, 且因土壤在浸水狀態下受還原作用之影 響而減少酸度,故種植水稻為防止或減 緩土壤酸化之自然方法: 1/4CH2O(aq)+1/2MnO2(s)+H+(aq) = 1/2Mn2+(aq)+1/4CO2(g)+3/4H2O(l) 1/4CH 2O(aq)+FeOOH(s)+2H +(aq) =Fe2(aq)++1/4CO2(g)+7/4H2O(l) 1/4CH2O(aq)+1/8SO42-(aq)+1/8H+ (aq) =1/8HS(aq)-+1/4CO2(g)+1/4H2O(l) 上例方程式中,MnO 2 、FeOOH及 2- SO4 為水田土壤常見之氧化物,只要土 壤含相當量易分解有機物如CH2O,在水 田狀況下進行氧化作用,Fe、Mn、 S的 氧化物即行還原作用而消耗H+。 顯然, 在非石灰性土壤,又連年旱作的情況 下,上述肥料引起的酸化現象才會快速 且嚴重,尤其伴隨土壤鈣鎂離子的淋洗 損失更需注意。至於人工改良已酸化之 土壤,其原則甚為簡單,主要係石灰材 料,如一般石灰、含鎂石灰、煉鉄爐渣 等之施用,祗是應注意用量適當及與有 機材料配合應用。. 土 壤 管 理. 五、參考文獻 譚增偉。2005。作物施肥手冊。P.16-17 肥料手冊。2003。P.30-33、227。行政 院農業委員會第二辦公室編印。 洪崑煌。1995。有機質肥料合理施用技 術研討會專刊台灣省農業試驗所特刊第 50號。P.59-71 Garrison Sposito. 1989. The chemistry of soils. P.110、218-219 Reuss, J. O. and Johnson, D.W. 1986. Acid deposition and the acidification of soils and waters. P.26-31.. 農業試驗所技術服務.2008年6月.74期. 23.

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