土壤酸性和石灰的施用

土壤酸性和石灰的施用 93622653.doc 土壤酸性和石灰的施用 陳仁炫 國立中興大學土壤環境科學系教授 土壤調查試驗中心主任 前 言 本省地處熱帶與亞熱帶,由於氣候高溫多雨,土壤淋洗強烈,再加上普遍實施集約耕作,使得土壤中的鹼性陽離子大量的被淋洗及被作物攝取,以及長期大量的使用產酸肥料,因此使得本省土壤酸化情形甚為普遍。根據調查顯示,本省酸性耕地土壤面積佔全耕地總面積的65 ~ 75%,而其中屬強酸性者(pH < 5.5)則佔28%,另本省100公尺以上,1000公尺以下坡地中,強酸性者即佔76%,由此可見,強酸性土壤為本省最大宗的問題土壤。 土壤酸度的特性 +3+土壤酸鹼度(pH)可由土壤溶液中氫離子(H)和鋁離子(Al)活性的高低來決定,即土壤 +酸鹼度(pH) = - log [H],所以pH的高低可作為土壤酸度和鹼度的間接指標。土壤pH值愈低 +示土壤愈酸。一般而言,pH每差1個單位,則土壤溶液中的氫離子(H)濃度差10倍,譬 +如說,pH為5的土壤,其土壤溶液中所含H濃度為pH 6的土壤的10倍,而pH為4的土壤則 ++3+比pH為6的土壤多含100倍的H。依土壤溶液中所含H和Al的多寡,可將土壤酸度分成下列幾級, - 1 - 93622653.doc 表一、土壤酸度的分級 pH(水) 解析 分級 備註 < 4.4 極度酸性 對大部分作物而言太酸 4.5 ~ 5.0 極強酸 對大部分作物而言太酸 5.1 ~ 5.4 強酸 對許多作物而言太酸 5.5 ~ 6.0 中酸性 對部分作物而言太酸 6.1 ~ 6.5 微酸性 適合大部分作物生長 6.6 ~ 7.3 中性 適合大部分作物生長 土壤酸性的成因 ++++1. 母質,酸性岩石由於所含之鹼性陽離子(Ca,Mg,K和Na)量較少,故其經風化所形 成的土壤,pH通常較低。 2. 降雨和淋洗,強烈的降雨和過度的淋洗,會使土壤膠體之鹼性陽離子被淋失,而遺留者 ++2+多為酸性陽離子(H,Al和Mn),故土壤呈酸性。 3. 耕作,許多管理方式會影響酸性土壤的形成,如, (1) 作物生長時會吸收土壤中的鹼性陽離子,一旦作物收穫且從土壤移除,相對 地土壤中的鹼性陽離子亦隨之減少。 (2) 土壤沖蝕會造成鹼性陽離子的流失而助長土壤酸度的增加。 - 2 - 93622653.doc +(3) 長期大量的使用產酸肥料(包括化學酸性及生理酸性肥料),常遺留酸性H於 土壤中,故助長酸性土壤的形成。本省常用之硫胺,尿素,過磷酸鈣和氯 化鉀均屬產酸肥料,長期大量的使用此類肥料,會助長酸性土壤的生成。 強酸性土壤的問題所在 每一種作物都有它適宜生長的土壤pH範圍,若超出此適宜範圍,作物的正常生長將受到影響,嚴重者可能導致死亡。同時,土壤pH值的高低亦會影響土壤中植物所需養分的有效性及養分在土壤中的轉換以及根圈有益微生物的活性。強酸性土壤普見低肥力及潛存毒害物質之問題,因而使一般作物的生長和品質降低。簡言之,強酸性土壤的問題在於, 1. 除了表二所列的作物外,其他的作物的根系在強酸性下,其生長將受阻,因此根系養 分及水分的吸收能力降低,繼而作物的品質和產量亦隨之降低。 2. 磷被土壤組成分(尤其是結晶或非結晶性鐵或鋁氧化物)固定量大,因而降低磷的有效 性,甚至造成磷缺乏的現象。 2+2++3. 有益的鹼性陽離子(Ca、Mg、K等)易遭淋失,因而造成鈣、鎂和鉀缺乏的現象。 4. 鐵、鋁和錳溶出量太多,因而對作物造成毒害作用,其中又以鋁毒害為最常見者。 5. 部分微量要素(如銅、鋅和硼等)易因強烈淋洗而從土壤流失,致發生微量要素缺乏的現 象。 6. 土壤中微生物活性差,致減緩部分養分(如氮、磷和硫)在土壤中之轉換,而使該等養分 之有效性低。 7. 鉬溶解度低,除易發生作物之鉬缺乏外,亦將導致氮素同化作用的降低。 8. 土壤有機質含量低。 表二、適合生長於強酸性土壤之作物及其適宜土壤pH範圍 - 3 - 93622653.doc 種類 範圍 種類 範圍 水果類 花草及庭園木類 5.0 - 7.5 4.0 - 6.0 柑 鐵線蕨 5.0 - 7.0 4.0 - 6.0 柿 杜鵑 5.0 - 6.5 4.0 - 4.5 荔枝 愛麗佳 5.0 - 7.0 4.5 - 6.5 龍眼 山荼花 4.5 - 5.5 4.0 - 4.5 鳳梨 洋繡球花 5.0 - 6.0 洋玉蘭 4.5 - 5.5 蔬菜類 茶花 5.0 - 7.0 5.0 - 6.0 洋蔥 扁柏類 5.0 - 7.0 5.0 - 7.0 竹筍 霍香薊 5.0 - 6.0 鐵線蓮 5.0 - 7.0 天竺葵 4.0 - 5.0 蘭類 5.0 - 6.5 大岩桐 石灰的施用對強酸性土壤改良之重要性 將鹼性的石灰質材施入土壤,除了可提昇土壤pH外,且可間接地增進土壤中養分的有 效性,及提昇有益微生物的活性,故為所有酸性土壤改良方法中最經濟且效果最持久的改 - 4 - 93622653.doc 良策略。 +3+在酸性土壤施用石灰之最顯著的好處即在降低土壤中由於氫離子(H),鋁離子(Al) 2++和錳離子(Mn)所造成作物生長的毒害效應,其中H僅在極度酸性(pH < 4.0)及鈣含量甚低 3+的環境下才會對作物產生毒害。在pH 4.0 至 5.5 間,可溶性Al成為毒害作物根系生長的主要兇手,而錳在土壤pH低於5.2時,才會對作物產生毒害。 大部分作物的養分吸收之最適合土壤pH約在6.5 ~ 7.0之間。一般而言,在pH 7.0以下肥料中之養分(如氮、磷和鉀)的有效性係隨土壤pH的降低而降低(表三),其中又以磷的有效性所受的影響最大。因此,如果土壤酸度未被改善前,所施入的肥料能被作物吸收利用的百分率將大打折扣。土壤pH亦會影響土壤中微生物的種類和活性,當pH低於5.5時,土壤中之微生物將因鋁和錳之毒害及養分有效性的不足而降低其活性和族群數目。 表三、作物養分回收率與土壤酸度之關係 土壤 氮 磷 鉀 pH ----- 回收率 (%) ----- 7.0 70 30 60 6.0 63 15 60 5.5 52 15 45 5.0 38 10 30 4.5 21 8 21 (一) 石灰質材的選擇 - 5 - 93622653.doc 石灰資材的施用對強酸性土壤改良之效果,深受資材的品質、施用量、土壤pH緩衝能力、施用方法及施用時期的影響,是故欲發揮石灰施用在強酸性土壤的改良效果必需慎選石灰質材及實施合理的管理策略。 (1) 鹼度, 石灰資材的品質可由其所能中和土壤酸度的能力來評估,而此中和效果係由石灰資材的化學組成之鹼度和粒徑分布(或稱細度)來決定。石灰資材在中和土壤酸度的潛力往往以純石灰石粉的相對鹼度來表示,其中相對鹼度愈大者,中和酸度的潛力也愈大,所需施用量亦愈少(表四)。 表四、常用石灰質材之酸中和能力 質材名稱 主要化學成分 酸性中和能力(CCE)* CaCO 95 - 100 貝殼粉 3 CaCO 100 石灰石粉 3 Ca(OH) 136 消石粉 2 CaO 179 生石灰 CaMg(CO) 109 白雲石粉 32 CaSiO 60 - 80 矽酸爐渣 3 CaSiO 65 - 85 石灰爐渣 3 *以石灰石粉之鹼度(% CaO + % MgO × 1.39)為100時,各種質材之鹼度相對值 - 6 - 93622653.doc 石灰資材中所含陽離子和陰離子的種類為決定質材中鹼度高低的決定因子。一般而言,石灰資材遇水行水解時,若產生強鹼及弱酸者,其中和土壤酸度的效果較佳(如生石灰、消石灰、石灰石粉、苦土石灰),而產生強鹼及強酸者,其中和效果將大打折扣(如石膏)。茲將優良及不良之陽離子及陰離子列表於表五,其中優良的 2+2+陽離子(Ca、Mg)係有助於土粒之絮聚作用,而可增進土壤的團粒構造,而不良 +陽離子(Na)反而會使土粒分散,而破壞土壤的構造。 表五、石灰質材中之優良和不良的陽離子和陰離子 優良陽離子 優良陰離子 2+2+=-=-Ca、Mg CO、O、OH、SiO 33 不良陽離子 不良陰離子 +-=Na SO、Cl 4 簡言之,由石灰資材中陽離子和陰離子之配對,可瞭解石灰質材之優劣,茲按中和土壤酸度效果高低及對土壤構造的良劣,將石灰資材分類如下表, 表六、石灰質材的分級 優等 次等 劣等 石灰石粉(碳酸鈣)、生石氯化鈣、氯化鎂、硫酸鈣、硫酸鈉、氯化鈉、水泥 灰、消石灰、苦土石灰(白雲硫酸鎂、碳酸鈉、氫氧化鈉 - 7 - 93622653.doc 石粉、氧化鎂、氫氧化鎂、 爐渣 以經濟及對土壤品質保育的觀點來衡量,我們應該選擇使用優等的石灰資材來進行酸性土壤改良工作,而不可使用次等及劣等的石灰質材。 (2) 細度 一般而言,石灰資材愈細者,具有較大的表面積,因此中和土壤酸度的速度較快,且效果愈佳。如粒徑小於0.25毫米(即可通過60目篩孔)者,中和土壤酸度的能力最高(指數為100),粒徑介於0.25至0.85毫米者,中和能力為小於0.25毫米者之60%,而粒徑0.85 ~ 1.70毫米者則僅為10%左右。唯粒徑比0.25毫米更小者,其中和土壤酸度的能力不會因細度愈細而增進,所以石灰質材磨得過細,其實並沒有意義。 (二) 常用石灰質材的特性 任何質材只要具有 (1)含鈣或鎂,及(2)可中和土壤酸度而提昇土壤pH值,兩特性者均可稱為石灰質材。常見的石灰質材可歸納為四類, 1. 碳酸鹽類(Carbonates) 碳酸鹽類的質材為使用最廣且最易取得之石灰質材,且有價錢較低及處理較方 便的優點,包括, (1) 石灰(Calcitic lime),俗稱石灰,來自天然的石灰石礦床,為最常用的石灰質材。 - 8 - 93622653.doc 主為CaCO,較常用於鎂含量不低的強酸性土壤。 3 (2) 白雲石灰(Dolomitic lime),俗稱苦土石灰,除含CaCO外亦含MgCO,價錢比33 石灰石粉稍貴,且降低土壤pH的速率比石灰石粉慢,唯其同時含有Ca和Mg, 故較適用於鎂含量低的強酸性土壤之改良。本省強酸性土壤常具有鎂有效性低 的特性,為避免發生鈣和鎂不平衡的現象,故含鎂之苦土石灰為本省強酸性土 壤改良之最佳選擇。 (3) 泥灰(Marl),為粘土,鈣和鎂碳酸鹽及貝殼殘留物的天然混合物。 (4) 貝殼粉,為純CaCO組成。 3 2. 氧化物(Oxide) 石粉或白雲石粉中之CO被驅除,所形成純的氧化鈣(CaO)或氧化鎂(MgO)。此類2 石灰質材之分子量較低鹼度較高且提昇土壤pH的速率較快,故若以相同用量來評估時,此類質材為所有石灰質材中效果最佳者。氧化鈣(CaO),俗稱生石灰,溶解度比石灰(CaCO)大,因此在提昇土壤pH的效果相對也較快,然而生石灰的製造成3 本和售價均比石灰高。除此之外,生石灰因會吸濕及產生高溫,故在施用上並不方便,所以較少被推薦用於強酸性土壤之改良。 3. 氫氧化物(Hydroxide) - 9 - 93622653.doc 此類質材係由CaO或MgO加水而形成之Ca(OH)和Mg(OH)。氫氧化鈣22 [Ca(OH)],俗稱熟石灰,和生石灰一樣具有粉末狀,反應快和處理不便的特性,2 且生產成本比石灰石粉高,故在農地改良上不常被使用。 4. 副產物(By-Products) 許多採礦、煉鋼、加工和製造過程的副產品亦具有石灰的特性而可當作石灰 質材被使用,如煉鋼廠之爐渣,燃煤工廠之飛灰和底灰,糖廠,磨石廠和紙廠之 石灰污泥....等等。 由於此類副產品常含雜質且成分變異較大,故其中和酸度的能力較石灰石粉 及苦土石灰低,因而提昇土壤pH的效果也稍差。同時,有些副產物含有不利於土 壤和作物生長的物質,故在使用副產物當石灰質材時,一定要先瞭解及確認該質 材之全部化學組成。爐渣為煉鋼過程中的副產物,本身即為含鈣或鎂的石灰質材, 其鹼度雖不及石灰石粉及苦土石灰,但爐渣另含有磷、硫、鐵、錳等作物生長所 需的植物養分,為其優點之一。只要施用合宜,除可達資源回收再利用的目的外, 亦為有發揮其在強酸性土壤改良之潛力。 (三) 石灰資材的施用量 在決定施用量之前應先瞭解欲種植之作物的生長適宜pH範圍,再以提昇土壤pH至該pH範圍的中間值附近為目標,以柑橘為例,其適合pH範圍為6.0 ~ 7.0,故改良之目標pH可訂在6.5左右,若經費及人力不足,最起碼也該改良在pH 6.0以上。 - 10 - 93622653.doc 石灰需要量受土壤性質的影響甚大。同樣是pH4.3的兩塊農地,如果要施用石灰使土壤pH提高到6.0,兩塊地所需要的石灰量未必相同,此乃因我們一般所測定之pH值,只反映存在於土壤溶液中之氫離子的濃度(稱為活性酸),而施石灰所需中和的土壤酸度,除了活性酸之外,尚包括存在於土壤膠體上的氫離子或鋁離子(稱為潛性酸),而此些潛性酸主要是吸附在粘粒和有機質上,所以一般而言,有機質含量及粘粒含量愈高的土壤,表示其陽離子交換能量愈大,因此石灰需要量亦愈大,且提昇土壤pH至目標pH所需的時間也愈長。 石灰需要量的多寡,代表欲提昇該土壤pH至某一目標pH值時,所需要施用的石灰量。石灰需要量的決定方法甚多,包括直接培育法及緩衝溶液法,其中以直接培育法較為準確但也較耗時,而其他緩衝溶液法所需的時間雖然較短,但其適用及準確性常因土壤性質之不同而異。農友們若想瞭解您的田地所需之石灰需要量,可委託各區農業改良場,農業試驗所或中興大學土壤調查試驗中心測定,並請同時告知您所栽種之作物名稱,則可獲得石灰需要量及施用準則的推薦方法。若未有上述實驗室之石灰需要量的評估,我們亦可藉助表七的簡則來概估土壤的石灰需要量(公噸/公頃,改良20公分土層厚度)。 表七、石灰需要量的估算簡則 pH 砂土及壤質砂土 砂質壤土 壤土 坋質壤土 粘土 有機土 0.7 1.2 1.8 2.8 3.7 8.2 4.5增至5.5 - 11 - 93622653.doc 1.0 1.7 2.4 3.5 4.7 8.5 5.5增至6.5 石灰需要量乃以欲改善一公頃土壤之目標深度來估算,一般多以20公分為目標,若要改良更深的土層,則必需乘上一個比例因子。假如以表土20公分為調整之深度,其石灰需要量為,公頓/公頃,則調整目標為80公分時,其石灰需要量應為, ,×80/20,4,(公噸/公頃)。 除了栽種鈣需求量較大的作物(如花生)外,一般而言,施石灰提昇土壤pH的目標可鎖定為,礦質土壤以pH 6.0以上,礦質與有機質複合土壤以pH 5.5以上、而有機質土壤以pH 5.0以上即可,因為在該等pH值下,鋁與錳對作物的毒害已減輕至甚低,而石灰需要量可減少甚多且在整體效果之評估上已證實為最經濟的策略。換言之,若經費不充裕或不大允許的情況下,一般土壤除非土壤pH值低於5.5,則可暫時不考慮施用石灰,但每年必需重新測定土壤pH,若土壤pH低於5.5 則需再補充石灰。同時,改良的目標應為全層改良,除非是栽種淺根性的作物,如蔬菜、草皮....等,否則不可只改良表面20公分,最佳之改良深度應隨作物根系的深淺而定。 (四) 石灰資材的施用法 由於石灰資材的溶解度不大,在土壤中的移動速度不快,所以應藉助耕犁之農具將石灰與土壤均勻的混合,以發揮其最大的效果。石灰資材可在作物收穫後與下栽種前的任何時間施用,但需注意的是,土壤具有pH緩衝能力,所以石灰施用後,土壤pH並不是立即調升至我們所期盼的目標pH,而是逐漸的上升,有時可能需要超過一 - 12 - 93622653.doc 年的時間才能達成目標。若栽種多年生作物,則石灰與土壤的混合必需在播種前完成,同時盡可能遠離播種期,以讓石灰有充分時間發揮其效應。如果土壤只是微酸性或作物對酸性並不是很敏感的話,則石灰施用期靠近種植期也無妨,若欲栽種對酸度敏感的作物(如高粱、苜蓿、甜菜、萵苣、茼蒿、芹菜、菠菜、花椰菜、洋蔥、蘆筍、絲瓜、洋香瓜、青椒等)則需在栽種前一年施用石灰,以使土壤pH有足夠時間調升,否則難見改良的效果。 石灰施用一般都採用表面撒施後再犁入土中,以求目標深度內的土壤儘可能與石灰接觸。一般石灰資材在土壤剖面中之垂直移動距離極短,所以使土壤和石灰資材充分混合乃十分重要。完全靠表面撒施,僅能改善表土數公分內之酸度,對深根作物而言難見改良效果。若欲改良剖面土壤的酸度可利用下列方法, (1) 直接將石灰深施或將石灰懸浮液灌入底土,但此種方法往往受限於所需費用較 高,且需要施肥機或耕犁機來協助完成。 2+2+2+(2) 表面施用石膏,石膏中的Ca移動較一般石灰中的Ca快,因此可藉Ca置換剖面 -23++土壤膠體上的之毒性鋁,或石膏中的SO4與底土中Al形成毒性較低的AlSO,4 以減輕底土之鋁毒害。 2+--(3) 大量施用硝酸鈣或硝酸鈉,其中 Ca將隨 NO下移至底土,屆時作物吸收NO33 2+--的量將比Ca多,因而植物根系會釋出OH或HCO,至使根圈附近土壤pH值提3 昇,但需注意過多的鈉離子可能會造成土壤構造的破壞。 - 13 - 93622653.doc (4) 有機質肥料的施用,有機質肥料可提昇強酸性土壤的pH,且有機質肥料中之有機 2+陰離子(尤其是有機酸)有助於Ca的往下移動,且可減輕鋁的毒害。作者曾評估數 種改良資材及改良策略,結果顯示以石膏配合禽畜糞堆肥的施用,可達到較佳改 善強酸性土壤剖面酸性及提昇剖面肥力之效果。 結語 酸性土壤為本省最大宗的問題土壤,若要使農業升級,增進農作物的產量和品質,及減少病蟲害的感染,唯有進行土壤改良一途。石灰資材的施用則為所有改良方法中最經濟及有效者,唯其改良成效的高低,係由所選用資材的優劣、施用的方法、施用量和施用時期的正確與否所決定。在此必需強調的是石灰的施用並非一勞永逸,其效果大約可維持3 ,5 年,所以隔年必需偵測土壤pH一次,以決定是否需再度補充石灰,同時也要避免過度的石灰施用以免造成負面的影響(如微量元素的缺乏,鉀的缺乏....等)。確記石灰的施用雖可提昇土壤中養分有效性而減少肥料的施用,然而強酸性土壤普遍肥力低,故仍需注意肥料的配施,方可達到作物高產量及高品質的目標。 - 14 - 93622653.doc - 15 -