土壤中的肥料三要素.docx
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土壤中的肥料三要素
第二章土壤中的肥料三要素
大部份植物定植於土壤，土壤供應植物生長所需的大部份營養。
土壤養分的獲得主要來自土壤礦物的風化（mineralweathering）釋出、有機質的礦質化作用（mineralization）釋放，有機與無機化學肥料的施用，以及經由空氣、灌溉水與雨水的加入等。
養分的移出則主要由於作物的攝取、滲漏損失、氧化以及地表逕流與表土沖蝕等，因此，土壤中養分的源（source）與匯（sink）必需詳加了解，方可做施肥推薦。
必需元素在土壤中存在量、每年作物移去量，如表6。
表6礦質土中必需元素的濃度及植物年移去量（FothandEllis,1988,p.6）
營養要素
土壤中含量
年移去量
土壤溶液中存在的量
％
kg/ha＊
kg/ha
μmol/L
mg/L
Ca
1
20,000
50
100-5000
4.0-200
K
1
20,000
30
100-1000
3.9-39
N
0.1
2,000
30
NO3--N100-20000
1.4-280
NH4+-N100-2000
1.4-28
P
0.08
1,600
7
1-20
0.03-0.62
Mg
0.6
12,000
4
100-5000
2.4-120
S
0.05
1,000
2
100-10000
3.2-320
Fe
4.0
80,000
0.5
Mn
0.08
1,600
0.4
0.1-10
Zn
0.005
100
0.3
＜0.05
Cu
0.002
40
0.1
0.03-0.3
Cl
0.01
200
0.06
B
0.001
20
0.03
Mo
0.0003
6
0.003
＊以每公頃土壤2,000,000公斤估算之。
一、土壤中的氮素
土壤中氮素的收得包括人為施肥，降水、灌溉水引入，以及固氮作用，其中人為施肥多係指化學肥料的施用，各大洲的肥料用量如圖6所示。
據78年版化學工業年鑑之資料顯示，1985年世界各國平均三要素用量為N-P2O5-K2O＝47.4-22.4-17.3公斤/公頃，台灣地區為275.2-65.1-107.9，1988年則為280.6-74.6-109.2，單位面積三要素平均用量位居亞洲之冠，只比荷蘭、比利時與紐西蘭為低，其中氮素施用量更高居世界第二位，僅次於以種植園藝作物著稱的荷蘭。
圖61975年世界各洲及部分國家的氮肥消耗量（Finck,1982.p.34）
又據估計1970年全世界氮素肥料工業固定空氣中氮素量為3,200萬公噸，此數據可視為當時的氮肥用量；但生物固定氮素量為9,100萬公噸，達肥料工業的近三倍，因此，利用生物固氮為最有希望的氮素肥料代用品捷徑，即不浪費資源，也不造成污染。
本省在豆科根瘤菌的使用已有很大成就。
土壤中有機物所包含氮素與無機氮素形態間的轉換，雖不包含在氮素的收支裏，但對土壤中氮素是否有效，關係密切，值得探討。
氮素的支出包括作物吸收、淋洗、脫氮脫氨，以及沖蝕損失。
土壤中氮素的循環如圖7。
（一）氮肥存在的形態及量
土壤的全氮量在0.02（土壤底土層）-2.5％（泥炭土）之間，一般耕作土壤在0.02-0.2％，平均0.1％，主要以有機態存在，可達全氮的98％以上，無機態則小於5％，見表6。
有機質中含有氮素約5％，因此，以有機質的含量來估算土壤中的氮素量是合理的。
但是有機氮必需經由微生物分解為無機態，始可被作物所吸收利用，其肥效較慢，土壤溶液中無機氮（NH4+-N或NO3--N）能迅速補充作物營養所需。
但有機與無機氮都能被植物所吸收利用，只是肥效的遲速問題而已。
圖7氮素的循環（Barber,1984.p.190）
表7土壤中氮素的型態
氮素型態
含量
氮素型態
含量
無機態
＜5％
有機態
90-98％
NH4+-N
Variable
Aminoacid-N
20-50％
NO3--N
50-150mg/L
Aminosugar-N
5-10％
NO2--N
Trace
PurineandPyrimidine-N
1％
others
50-60％
（二）氮素的收入
1.非生物的氮固定作用
由閃電、燃燒石化原料等因素，使氮素以銨態或硝酸態隨降雨而至土壤中，據估計每年每公頃有12.8公斤（英國洛桑4.0，美國康乃爾2-22，中國金華23.1kg/ha/yr）的氮量進入土壤系統中。
各類不同來源的氮素固定量如表8。
2.生物的固氮作用
經由生物固氮作用而進入土壤系統中的氮可分成四大類：
豆科共生固氮細菌、非豆科共生固氮放線菌、共生菌藻類及非共生獨立個體之固氮作用，其中以豆科作物栽培最廣，研究最多，利用價值最高，各種固氮生物之年固氮量如表9。
表8全球不同來源的氮素固定量（Brady&Weil,2000）
固定方式
面積，106公頃
年固定量，kg/ha
總固定量，106公噸
生物固氮
豆科植物
250
140
35
非豆科植物
1150
8
9
草地
3000
15
45
森林
4100
10
40
其他植被土地
4900
2
10
冰原
1500
0
0
全部土地
14900
139
海洋
51000
1
36
總生物固氮量
175
閃電
8
肥料工業
77
總和
260
3.灌溉水
灌溉水中含有多量銨態氮或硝酸態氮，會隨灌溉水而進入土壤系統中，依據日本西原農試試驗場的調查，每年由灌溉水送入水田的氮素量，每畝約48兩。
4.施肥
由施肥而進入土壤中的氮素，因地區耕作型態不一，而有很大的差異，通常已開發國家較高，集約耕作地區較高，各大洲及部分個別國家之氮消耗量如圖6。
由圖可知台灣之氮肥消耗量遠高於日本，僅低於荷蘭。
日本農業經營形態與我國差不多，但肥料用量差異這麼大，雖說我國地處熱帶亞熱帶地區，作物之生長速率較快，施肥量增加；但肥料流失問題亦必需慎重考慮。
否則污染地下水源，將造成後代子孫永遠的痛。
5.塵埃降落
以塵埃型式回到地面上的氮量為0.1-0.2kg/ha/yr。
6.動植物及微生物之遺體及排泄物。
表9生物的固氮量（FothandEllis,1988,p.66）
共生系統和微生物種類
固氮量（kg/ha/yr）
共生系統和微生物種類
固氮量（kg/ha/yr）
共生系統
非豆科非根瘤固氮
豆科固氮細菌
盤固拉草
（5-30）
苜宿（Alfalfa）
128-600（150-250）a
百喜草
（5-30）
羽扇豆（Lupins）
150-169（50-100）
植物－藻類共生系
三葉草（Clover）
104-160（100-150）
地衣（Lichens）
39-84
大豆（Soybeans）
57-94（50-150）
滿江紅（Azollas）
313（150-300）
牛豆（Cowpeas）
84（50-100）
非共生系統（自由生物体）
苕子（Vetch）
（50-150）
藍綠藻（Blue-greenalgae）
25（10-50）
菜豆（Bean）
（30-50）
Azotobactor
0.3（5-20）
花生（Peanut）
（40-80）
Clostridiumpasteurianum
0.1-0.5（5-20）
鴿豆（Pigeonpea）
（150-280）
非豆科根瘤固氮
赤楊屬植物（Alder），放線菌
40-300（50-150）
a括弧資料來自Brady&Weil（2000）
（三）氮素的支出
化學氮肥施入土中，當期作物吸收利用率在40-80％之間，平均只有50％，水稻田甚至低於25％，其餘的部分大多經由淋洗、脫氮作用、氨揮散及表面沖蝕而損失，小部分經由土中之微生物或化學固定作用，暫時無法為作物所吸收利用。
有機質肥料利用率在20-30％之間。
如何提高氮肥利用率，經濟合理施用氮肥，成了生產上迫切需要解決的問題。
一般肥料通常含有下列氮素型態之一或一種比上：
硝酸態氮（NO3--N），氨態氮（NH3-N），銨態氮（NH4+-N）以及尿素態氮（CO（NH2）2-N）。
每種型態的氮肥均有其獨特的特性，且各種氮肥的特性，決定其適宜的土壤環境及應有的肥培管理方法。
氮肥在土壤中損失的途徑甚多，而瞭解最易發生氮肥損失的環境與耕作方式，將有助於我們避免採取有損氮肥肥效的管理方法，或在不利肥效的環境下，如何以適當的對策來減少氮肥的損失。
氮肥的損失主要經由淋洗、脫氮、氨揮散，及表面沖蝕等四個途徑。
這幾種途徑按不同土壤條件而有主次之分，砂質土壤主要是氮的隨水淋洗損失，水田酸性條件下，主要是脫氮作用，鹼性（石灰質）土壤，氨的揮失最為嚴重。
1.淋洗（Leaching）
硝酸態氮易溶於水，且隨著土壤水在土層中移動。
若雨量過大，NO3--N極易被洗入地下水層而無法為作物利用。
雖然在乾旱時期，NO3--N會伴同水分的蒸發而往上移動，而可能聚積在土壤表面。
然而，若NO3--N被淋洗至根部以下，則大量的NO3--N往上移動實不可能，所以仍被視為無助於作物的吸收與利用。
（1）易於發生淋洗的環境
a.粗質地砂質土與陽離子交換容量低（CEC＜6）的土壤。
b.降雨量遠大於蒸發量的地區。
c.高頻度灌溉或灌溉量過多之地。
d.施用硝酸態氮肥，如硝酸鈣。
e.施銨態氮肥於硝化作用強之土壤（pH中性，土壤溫度25-35℃，通氣性良好之土壤銨態氮易轉變成硝酸態氮），如逢大雨，則氮易被淋失。
f.當作物休眠或地面無作物生長時。
（2）對策
適量適時施用氮肥為減少氮肥淋失最重要的管理方式。
只要施用量能配合作物的需求及土壤性質，淋失量將可減至最小。
反之，如施用量高於作物所能吸收利用的量，則將促進氮肥的淋失。
一般可用來減少氮肥淋失的對策為：
a.氮肥分施：
分施的次數及每次氮肥施用量，視土壤質地、降雨量及土壤CEC（陽離子交換容量）之大小而定。
一般而言，土壤質地愈粗，CEC愈小，降雨量愈大，則分施次數宜愈多，每次施用量宜減少。
b.控制灌溉頻度及灌溉量：
在作物收穫後，儘可能使土壤乾燥，以求在作物栽種前，土壤可貯存雨水，而避免氮肥隨著雨水而淋失。
c.使用緩效性氮肥：
如裏硫尿素、大顆粒尿素。
使氮肥被緩慢釋出，不致於一次大量的被釋出而遭淋失。
d.避免使用硝酸態氮肥而改用銨態氮肥：
如使用氨態（NH3）或銨態（NH4+）氮肥，宜配合使用硝化抑制劑，以減輕硝化作用的進行，減少NO3-被淋失的機會。
e.適時施用：
氮肥宜延緩至栽種前才施用或儘可能靠近作物生長需求最高之時期施用。
f.施用含碳氮比高的植物殘體，如稻草，以生物固定氮素（Immobilization），減少氮的淋失。
被固定的氮素可再經礦質化作用（Mineralization），而逐漸釋出為作物所吸收利用。
g.適當的病蟲害防治，確保植株生育健全，以免作物對氮吸收能力受阻，而增加氮被淋失的機會。
2.脫氮作用（Denitrification）
脫氮作用乃土壤細菌在氧氣缺乏的狀況下，利用硝酸態氮中的氧作為電子接受者，致將NO3-還原成氣態的NO、N2O或N2而損失。
anaerobicsoil,pH8.0-8.6
NO3-→NO2-→NO↑→N2O↑→N2↑
Chemoheterotrophicbacteria
（1）易於發生脫氮作用的環境
a.氧含量低的浸水土壤。
b.在浸水土壤施用硝酸態氮。
c.有壓實層及排水不良的土壤。
d.施用新鮮有機質的土壤。
新鮮有機質可立即提供能源予脫氮菌利用，繼而促進在嫌氣狀態下的脫氮作用。
（2）對策
a.改良土壤的排水及通氣性，如打破硬盤、犁底層或剖面質地不均情形。
b.避免使用硝酸態氮肥於水稻田或排水不良土壤，宜改用銨態氮肥，若使用銨態氮肥，則宜配合硝化抑制劑的使用。
c.使用緩效性氮肥。
d.在實施不整地（Zerotillage）或減少耕犁（Reducedtillage）制度的土壤，宜將肥料施入或注入植株底下。
3.氨揮失（Ammoniavolatilization）
氨在大氣中以氣體存在。
任何型態的氮如轉換成氨氣，將揮失於大氣中。
（1）易於發生氨揮失的環境
a.銨態或尿素態肥料表面施用，尤其是銨態氮肥表面施於石灰質土表面。
NH4+＋OH-→NH3↑＋H2O
b.尿素或含尿素之肥料直接施用於植物殘體表面。
植物殘體含尿素水解酵素（Urease），易使尿素水解成碳酸銨，而後形成氨而揮失。
c.土壤溫度高且水分含量低的土壤。
d.陽離子交換容量低的土壤，NH4+不易被土壤或有機質吸附，易發生揮失。
e.含尿素或銨態之氮肥與鹼性肥料或鹼性質材混合使用。
（2）對策
氨揮失主要受pH值、溫度、水分含量、氮素型態及其濃度的影響。
一般減少氨揮失的對策為：
a.不要將含尿素及銨態之氮肥施用於土壤表面，宜將其與土壤混合。
b.使用緩效性氮肥，減慢尿素的水解速率。
即使表面施用此類氮肥，其氨揮失量亦相對減少。
c.避免將含尿素之氮肥直接施於植物殘體或堆肥的表面，而宜施入植物殘體下面或減少此類氮肥與植物殘體直接接觸的機會。
d.若利用灌溉施肥方式，可於高pH的灌溉水中添加酸，降低灌溉水的酸鹼度。
e.若表面施用尿素或銨態氮肥，可利用添加氯化鈣（CaCl2），氯化鎂（MgCl2）或硫酸鎂（MgSO4）方式，使碳酸根（CO32-）與Ca2+或Mg2+形成沉澱，減少（NH4）2CO3生成之機會，如此相對地，氨揮失即可減少。
f.在石灰質土壤，宜避免使用含銨態或尿素態之氮肥。
若仍使用此類氮肥，則儘可能施入土中。
g.利用化學藥劑抑制尿素水酵素的活性。
其中PPDA，phenyl-phosphorodiamidate）為最著名的抑制Urease活性之化學藥劑。
h.利用產酸肥料與尿素一齊使用，可降低尿素肥料周遭土壤的pH值，進而可減少氨的揮散。
磷酸、過磷酸鈣、硫黃等常被使用。
i.氮肥的施用時間宜愈接近作物生長需求期愈好。
氮肥分施即為配合此原則的舉措。
j.含尿素或銨態的氮肥勿與鹼性質材混合施用。
k.尿素與氯化鉀混合施用亦可降低氨的揮失（Gamehetal,1990;RappaportandAxley,1984）。
l.選用鈣化合物中溶解度較高的陰離子與NH4+結合成的含氮肥料。
如NH4Cl與NH4NO3氨之揮失較（NH4）2SO4，（NH4）2HPO4與NH4F為少（FennandKissel,1973）。
4.表面沖蝕（Runoff）
表土中的氮往往隨著表土的沖蝕，而流入溝渠或地下水中，致無法為作物吸收利用。
（1）易於發生表面沖蝕的環境
a.坡地土壤。
b.浸水式灌溉。
c.不平坦之田地。
d.降雨強度大於水滲漏速率的地區。
e.無植物生長的裸露地。
（2）對策
a.肥料宜施入土中，避免表面施用。
b.整平地面。
c.利用敷蓋（禾稿桿）或覆蓋（塑膠布）方式，減少表面沖蝕。
d.採用不整地或減少耕犁次數的耕作方式，儘量遺留植物殘體於土壤表面，以改善表面沖蝕。
e.改善土壤排水。
綜合以上所述，採取以下措施，或可減少氮素損失。
1.控制氮肥的施用量。
根據土壤氮營養情況和作物狀況合理施肥。
在作物類型上，一般葉菜類及桑、茶等以葉為經濟產量的作物需氮較多，可適當多施；而有固氮能力的豆科作物可少施。
在施肥時期上，由於作物生長中期施用的氮肥，其損失比早期施用低很多，因此，一般應避免早期施用大量氮肥。
2.均衡施肥。
氮肥配合磷、鉀及有機質肥料等施用，可顯著提高氮肥利用率。
3.改變氮肥的形狀。
所有氮素化學合成肥料均為速效型，增大粒度，可減緩養分釋放速率，增長肥效，既減少了氮素損失，也提高了利用效率。
4.製成裹覆肥料。
5.使用硝化抑制劑。
6.注意施肥方法。
銨態氮肥與尿素等深施，可減少氮素損失。
7.注意土壤水分條件。
（四）土壤中氮素的轉換
土壤中氮素的收支與轉換如圖2.2。
有機物在土壤中經微生物分解轉換成無機物的過程，謂之礦質化作用（Mineralization），簡稱礦化。
土壤中礦化速率，因添加有機資材之碳氮比不同而有差異，碳氮比愈小淨礦化速率愈大，碳氮比愈大，淨礦化速率變小，因為有生物固定作用（Immobilization）發生的緣故。
土壤中氮素每年約1-3％為微生物所礦化。
礦化的步驟如下：
1.Aminization
有機含氮化合物經微生物之作用，生成含氨基（-NH2）化合物的過程。
HeterotrophicBacteriaorfungi
蛋白質→R-NH2＋CO2＋Energy＋otherproducts
2.氨化作用（Ammonification）
將氨基（-NH2）化合物中之氮轉變為氨的過程，謂之。
氨在土壤中停留的時間甚短，極易轉變成銨化合物。
HeterotrophicBacteria,pH7-8,
R-NH2＋H2O→NH3＋R-OH＋Energy
27-38℃，aerobicsoil
NH3＋H2CO3→（NH4）2CO3→2NH4+＋CO32-
銨可溶於水或為粘土礦物及有機物所固定，或更進一步在有氧狀況下，經自營性細菌進行硝化作用，而轉換成硝酸態氮。
3.硝化作用（Nitrification）
銨態氮氧化為亞硝酸鹽，再氧化為硝酸鹽的過程，謂之硝化作用。
此為氮素形態在土壤中自然的轉換。
在通氣良好的狀況下，此作用極易發生，因此，土壤溶液中的氮以硝酸態氮為主。
根據統計土壤中存在的硝酸態氮大部分在50-150mg/kg之間，遠高於銨態氮，當然剛施銨態氮肥的土壤例外。
Nitrosomonas,aerobicsoil
2NH4+＋3O2→2NO2-＋2H2O＋4H+＋Energy
pH6-8,25-35℃
Nitrobactor,aerobicsoil
2NO2-＋O2→2NO3-
pH6-8,25-35℃
（五）氮素經作物移去的量
作物對氮的需求因作物種類，甚至品種不同而異。
有報告指出每生成一噸下列的作物，所需利用的氮（N）量分別為：
穀類：
20-30公斤；豆類：
46-67公斤；纖維作物：
24-45公斤；油籽：
20-43公斤；甘蔗：
2公斤；咖啡37公斤；茶：
110公斤。
作物對氮的利用效率因種類不同而異。
一般而言C4型的作物（如：
玉米、高粱、甘蔗、喬麥...等）較C3型作物（如：
小麥、燕麥、大麥、水稻、裸麥、棉花、甜菜、豆類、菸草、馬鈴薯...等）具較高的氮利用率，此乃因C4作物具較高的光合作用速率。
高氮利用率的作物品種具有下列幾種特性：
（1）具高產量及聚積還原態氮素的能力，
（2）在穀類填充期，具高氮吸收率及高光合作用速率。
瞭解所栽種作物種類及品種，以及他們對氮的需求及利用效率。
然後選擇適宜之作物品種，或改良作物為氮利用效率高之品種均為提昇氮肥利用率的方法。
二、土壤中磷素
土壤中磷肥的來源僅施肥一途，別無他法，所幸磷肥在土壤中幾不流失。
土壤中磷素的循環如圖8。
（一）磷肥在土壤中存在的量及形態
土壤中存在的全磷量在0.02到0.5％之間，平均為0.05％，其中僅極微量可以被植物所吸收利用。
土壤中的磷可以分成四大類：
1.以離子或化合物形態存在於土壤溶液中；
2.吸附於土壤無機物表面；
3.礦物結晶的組成分；
4.有機物的組成分。
圖8土壤中磷素的循環（Tisdaleetal.1985.p.191）
表土中的磷大部分存於有機質中（有機質中含磷約0.5％）或與鐵、鋁、鈣、鎂等金屬離子形成沉澱而無效於植物，僅有小於1％的溶液磷是植物可以馬上吸收利用者，事實上土壤溶液中的磷含量在0.2-0.3mg/L，即已足夠大多數作物的吸收利用了。
土壤中無機磷（如表10）與溶液中磷存在的形態深受土壤pH值所影響，酸性土壤以Fe-P及Al-P為主，鹼性土壤以Ca-P為主，中性土壤則多吸附在矽酸鹽粘土礦物表面，其中吸附形態對作物之有效性最高，Ca-P又比Fe-P或Al-P之溶解度大，對作物之有效性當然較高。
溶液中磷，當pH＝7.2，HPO42-與H2PO4-濃度相當，pH＞7.2時，HPO42-較多，pH＜7.2時，H2PO4-較多。
表10主要的無機磷肥（Finck,1982.p.62）
中文名
英文名
化學式
備註
磷酸一鈣
Monocalciumphosphate
Ca（H2PO4）2
有效性磷肥
磷酸二鈣
Dicalciumphosphate
CaHPO42H2O
有效性磷肥
Octacalciumphosphate
Ca4H（PO4）33H2O
有效性磷肥
磷酸三鈣
Tricalciumphosphate
Ca3（PO4）2
磷灰石的主成分
氫氧磷灰石
Hydroxyapatite
Ca10（OH）2（PO4）6
磷礦石
氟磷灰石
Fluoroapatite
Ca10（F）2（PO4）6
磷礦石
碳酸根磷灰石
Carbonateapatite
Ca10（CO3）（PO4）6
磷礦石
磷酸鐵
Ironphosphate（Strengite）
FePO42H2O
酸性土壤中磷的主
磷酸鋁
Alumimiunphosphate（Variscite）
AlPO42H2O
要型態
因為植物吸收的磷形態，主為H2PO4-，次為HPO42-，故pH值以調整在微酸性對作物之吸收效果最佳。
（二）磷肥的利用
磷在土壤中的行為與氮大不相同，它無法由空氣中固定或由雨水中獲取，它亦不會經由淋洗或變成氣態而損失。
然而磷肥施用後，能為當季作物所吸收利用的百分率，僅為5-20％，約10-40公斤/公頃，其餘的絕大部分被固定於土壤礦物中，少部分為微生物所固定而成為有機態磷。
其中有些被固定的磷，可緩慢釋出為作物利用，而其餘較難釋出的部分，則恐無再被利用之日。
是故磷肥施於土壤後之有效性及利用率，深受土壤磷固定能力所左右。
增進磷肥的肥效，首要之途即為減少磷被固定的機會，進而設法促進磷肥在土壤中之溶解度和移動性。
（三）磷肥固定的途徑
影響磷肥有效性及供應力的因子為土壤酸度及土壤的磷固定能力。
土壤pH值決定磷存在的形態及溶解度。
土壤磷固定能力愈大，其生物有效性愈低。
1.磷肥為土壤中鐵和鋁氧化物所固定
風化程度高的酸性土壤，磷肥的利用率往往低於10％，尤其是熱帶土壤。
熱帶土壤所含的大量無定形鐵和鋁氧化物為其所以具高度磷固定能力的原因。
磷的固定包含吸附和沉澱兩種。
一般而言，若磷肥的添加所提昇土壤溶液中磷濃度低於5mg/kg時，則磷大多將被吸附在鐵和鋁氧化物的表面；反之，若高於5mg/kg時，則磷酸鋁和磷酸鐵的沉澱將會發生。
2.磷肥為土壤中之矽酸鹽粘土礦物所固定
矽酸鹽粘土礦物為一般土壤中最常見且含量最多的礦物，如蒙特石、伊萊石、高嶺石、蛭石、綠泥石...等。
磷常被吸附在此類礦物的邊緣或表面上。
其中1:
1型
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