文／黃裕銘 英國牛津大學植物科學系博士
據世界氣象組織（WMO）及美國國家海洋暨大氣總署（NOAA）報告指出，氣候變遷主要原因來自工業革命以後溫室效應氣體的提升，大氣中二氧化碳（CO2）濃度從1850年的280ppm，到2006年381.2ppm，2021年達414.72ppm；地球平均溫度1880年後每10年平均提高0.08°C，1981年後每10年提高0.18°C，2021年是歷年第6高溫，比上世紀平均高出0.84°C。環境科學家Delphine Deryng整理前人利用輻射驅動力（W/m2）相對於工業革命前水準提出代表濃度路徑（RCP,Representative Concentration Pathways）值，預估21世紀末如果世界各國不減排，CO2大於1370ppm，其RCP8.5W/m2；若減排不力CO2達850ppm，RCP6.0W/m2；盡全力減排CO2約650ppm，RCP4.5W/m2。各國低量增加碳排則CO2約490ppm，RCP2.6W/m2。世界各主要國家包括臺灣擬2050年達碳中和。
行政院農業委員會（簡稱農委會）已於2022年2月9日農業淨零排放策略與措施總結，並將邁向農業淨零排放策略分工為四主軸：減量、增（碳）匯、循環、綠趨勢。農作物若能科學化管理，則能減少肥料及農藥碳排，提高作物生質量而增匯，作物體循環利用進一步減量及增匯。
因應氣候變遷對農業的衝擊及可能影響糧食安全，進而需要科學化農業實作管理，內含涉及氣候、作物、土壤、肥料的交互關係，〈因應氣候變遷作物科學化管理〉一文擬於《豐年雜誌》分別用3篇文章進行說明，包含第一篇〈農業實作的誤解觀念及做法〉、第二篇〈調節實作以抗高溫、水分及其它逆境〉、第三篇〈提升土壤有機碳的田間實作方式〉。
要能順利推展正確科學化管理農業實作，首先需要澄清一般農作的誤解觀念及做法。
化學肥料酸化土壤？ 過於簡化有負面影響
太多非土壤肥料專業的農民、肥料業者、及學者都會琅琅上口說「施用化學肥料會酸化土壤，施用有機質肥料不會酸化土壤」，這種過於簡化的用語一直誤導社會大眾及農民，而造成許多不必要的負面影響。
Pierre W. H.早在1928年就進行氮肥酸化土壤的研究，此研究後來美國分析化學家協會（AOAC）定為官方公告的氮肥酸值（acidity）。他於1925年10月種植第1期作燕麥，1926年春天及秋天種植玉米及高粱，於1926跨1927的冬天及春天種植紫雲英（vetch）。由於肥料量太高，砂壤土氮含量達每公頃263.4公斤，造成高酸度及高鹽分，第2期作就抑制作物生長，所以砂壤土只能種前2期作物；黏質壤土緩衝力較大，作物生長較正常。
Pierre在溫室盆栽試驗其中，共有10種處理完全沒有施肥（CK1）、只施磷鉀肥（CK2）、硝酸鈉、硫酸銨、尿素、磷酸銨、硝酸銨、硫酸銨礦、氰胺基化鈣、及硝酸鈣的交換性氫離子總毫克當量（mgm equi.），在扣除完全沒施肥處理土壤的交換性氫離子毫克當量，再以施硫酸銨處理為100％，則氮肥施用種植作物後對土壤酸度影響的相對比率，只施磷鉀肥、硝酸鈉、硫酸銨、尿素、磷酸銨、硝酸銨、硫酸銨礦、氰胺基化鈣及硝酸鈣分別為13、－43、100、50、150、55、76、－55及－39％。負值表示降低土壤酸度，也就是鹼化土壤。他的研究同時證明，有淋洗狀況，土壤殘留酸比率提高。
他並提出證據，證明施肥種植作物對土壤pH的酸化或鹼化也受作物吸收陰陽離子差異的影響。他以盆栽試驗，用硝酸銨（NH4NO3）種植燕麥及蕎麥連續3期作。沒種作物的處理，其酸化土壤的值幾乎和硝化作用的理論值同；種植燕麥處理，其酸化土壤低於理論值27％，而種植蕎麥處理，則酸化值高於理論值87％。其和理論值的差異，可用氮的化學當量和由作物過度吸收的鹼基（bases），過量的鹼基由總陽離子吸收量（Ca2+、Mg2+、K+及Na+）減掉陰離子（Cl-、SO4-2及H2PO4-1）總吸收量做定量解釋。
除嗜酸性作物如茶、鳳梨等，一般作物最適合的土壤pH在6.0～6.5，對pH大於6.5的臺灣平地多數鹼性土壤，肥料酸化土壤是有益作物養分吸收的。無論化學肥料還是有機質肥料，都要看其在土壤中的有機及無機化學反應的成分特性，以及進入土壤後的無機化學及生物化學轉化反應、植物吸收主養分離子種類及副成分離子的反應。
當植物根呼吸及其釋出的有機物為土壤微生物分解，都會產生CO2，CO2溶於水產生碳酸（H2CO3）提高土壤酸源。這也是為何雨水在沒有酸性物質（N2O、SO2）下仍是酸性的原因。再來需要了解，各種化合物在氧化過程都會產生氫離子，也就是酸，如氨或銨經硝化作用產生亞硝酸根及硝酸根時產生酸。
以尿素（CO(NH2)2）為例，一分子尿素水解產生2分子NH3，2NH3和2分子H2O反應產生兩離子銨及氫氧根（鹼OH-），2離子銨硝化作用產生2離子NH4+及4H+。根吸收2NO3-時消除2H+，所以如果施用尿素，其氮完全硝化成硝酸態氮且完全為植物吸收，就不會造成土壤酸化。但是植物多少會吸收銨態氮及多於硝酸態氮沒被植物吸收，所以就會造成土壤酸化，尤其硝酸根一旦和其他陽離子（K+、Ca2+、Mg2+等等）淋洗出根圈土壤，則土壤酸化更嚴重，所以學者Zublena所整理表中列出，每100公斤尿素酸化值需要84公斤石灰中和。這顯示肥料是否酸化土壤，除要了解肥料化學式在土壤中的無機化學，及經生物化學反應產生氧化還原的作用外，還要考慮植物及其在土壤中移動。
所以，直接施用銨態氮，土壤一定會酸化。因為①銨直接被植物吸收會遺留氫離子，②其硝化作用產生2氫離子及硝酸根被吸收帶離1氫離子，還有1氫離子在土壤中。因此每100公斤硫酸銨的酸化，需要110公斤石灰中和。
以尿素為例，尿素在土壤或水中受尿素酵素的作用水解成氨，氨再和水反應形成銨及鹼基，此時會使土壤變鹼。然而銨可能經土壤微生物進行硝化作用形成亞硝酸（Nitrosomonas）及硝酸（Nitrobacter）而產生酸。
反應如下：
CO(NH2)2 + H2O酵素水解 → 2NH3+CO2
2NH3 + 2H2O → 2NH4+ + 2OH-
2NH4+ + 4O2 → 2NO3-+4H+ + 2H2O
（一）氮肥對土壤pH的影響
如前段說明可知，硝酸態氮可以提高土壤pH，但也要看其化合陽離子，例如硝酸銨的銨就會酸化土壤，還有硝酸銨鈣因為有用石灰裹覆，所以本身就帶石灰中和，硝酸鉀、硝酸鈣及硝酸鈉就提高土壤pH。
氰胺基化鈣因為製作過程是高溫下由碳化鈣和氮氣作用合成，會有炭，所以會是黑色，因此又稱烏肥。
CaC2 + N2 → CaCN2 + C
氰胺基化鈣接觸水會緩慢水解成氧化鈣（CaO）及尿素，氧化鈣是強鹼遇水產生兩個氫氧根（OH-），尿素進入土壤後的反應如前段所述。因此氰胺基化鈣會使土壤鹼化。氰胺基化鈣最早於1898年Adolph Frank和Nikodem Caro合成，一直被作為氮肥、消毒劑、殺草、防治病蟲害型連作障礙等作用。其主要是產生鹼時會有氨，氨也具很好的消毒作用，另外氰胺基化鈣會聚合成雙聚氰胺，其毒性更強。所以施用氰胺基化鈣時須注意安全。
CaCN2 + 2H2O → CaO + CO(NH2)2
CaO + H2O → Ca(OH)2
硫裹尿素，除了尿素的反應如前所述，元素態硫在土壤中氧化成亞硫酸根及硫酸根，會釋出氫離子酸化土壤，其化學式如下：
S + O2 + H2O → SO3-2 + 2H+
2SO3-2 + O2 → 2SO4-2
（二）磷肥對土壤pH的影響
磷肥可由土壤pH和磷酸（H3PO4）的3個解離常數判斷其酸化土壤或鹼化土壤，另外要考慮其化合的陽離子，例如銨離子的作用有如上面說明。
過磷酸鈣、重過磷酸鈣、磷酸一銨、磷酸一鉀的磷都是H2PO4-，在土壤pH大於7.2時期轉化為HPO4-2，釋出氫離子(H+)而酸化土壤，也就是對土壤pH低於7.2的土壤不會造成土壤酸化。磷酸二銨施入土壤對pH低於7.2土壤會馬上提高，氮是經銨硝化作用後釋出氫離子而酸化土壤。熔磷及磷礦都會提高土壤pH。
H3PO4 ⇌ H2PO4- + H+, pK a1 = 2.14
H2PO4- ⇌ HPO4-2 + H+, pK a2 = 7.20
HPO4-2 ⇌ PO4-3 + H+, pK a3 = 12.37
（三）鉀肥對土壤pH的影響
鉀肥，除了碳酸鉀(K2CO3)其碳酸根如同石灰的碳酸根會削減土壤氫離子而鹼化土壤(化學反應如下)，其他鉀肥如氯化鉀、硫酸鉀不會酸化土壤，而硝酸鉀的硝酸根經植物吸收後會鹼化土壤。
CO3-2 + 2H+ → H2O + CO2
（四）鈣肥對土壤pH的影響
鈣肥除了氯化鈣及硫酸鈣（石膏）對土壤pH不致造成影響，其他鈣肥如石灰（碳酸鈣）、苦土石灰（碳酸鈣碳酸鎂複鹽）、生石灰（氧化鈣）、硝石灰（氫氧化鈣）都會提高土壤pH。
（五）鎂肥對土壤pH的影響
常用鎂肥為硫酸鎂，它對土壤pH不會有所影響，氧化鎂是強鹼會提高土壤pH，苦土石灰也含鎂，其如上段說明是鹼性。
（六）硫肥對土壤pH的影響
元素態硫，其氧化產生亞硫酸或硫酸就是出氫離子酸化土壤，其他硫酸鹽的硫酸根在一般土壤pH範圍對土壤pH沒有影響。對強酸性土壤，硫酸根是可以提高其pH，例如石膏常用以改善及酸性土壤深層土層的土壤，主要是SO4-2陰離子在土壤中移動性較高。
HSO4-1 ⇌ SO4-2 + H+，pKa=1.99
（七）誤認施用有機質肥料可避免土壤酸化
傳統上所稱的有機質肥料是指氮養分不是很高的堆肥，此種堆肥一般含有高量的腐植酸，腐植酸含有許多有機酸根，這些帶負電荷的有機酸根一旦被微生物分解成二氧化碳跟水則會消耗氫離子，所以使酸性土壤pH上升。如下用醋酸根（CH3COO-）氧化簡要反應式：
CH3COO- + 3/2 O2 + H+ → 2CO2 + H2O
現代許多有機質肥料是高蛋白質成分的粕類肥料，蛋白質降解產生的氨，經過硝化作用產生酸，在用量過多下就如同化學肥料造成土壤酸化。同時，此等粕類肥料因為短時間就被完全分解，且少有含可以轉化為土壤腐植質的有機成分如腐植酸或木質素，所以無法提高土壤有機質含量，長期使用將造成土壤有機質逐年下降。（參考文獻請洽作者，續文請見豐年雜誌73卷2期）
PROFILE
黃裕銘 英國牛津大學植物學博士，現任漢將農業生物科技有限公司共同創辦人、國立中興大學土壤環境科學系兼任副教授，曾任中華肥料協會理事長、中華永續農業協會理事長、中興大學農產品驗證中心主任、土壤環境科學系主任、土壤調查試驗中心主任。專長為有機肥製程優化、廢棄物利用、農業微生物應用、田間輔導、有機農業技術輔導、肥料應用、土壤改良、重金屬汙染地整治等。
更多文章請見《豐年雜誌》2023年1月號
