農學報導
提升肥料效率 營造永續的農業環境
刊登日:104/12/10
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根據聯合國人口司(United Nations population division)統計資料顯示,世界人口成長率將從1.26%(自1996~2005年)下降至1.10%(自2006~2015年),世界人口成長率雖然呈現下降趨勢,但是每年世界的人口數仍然大量增加,預估自1950~2030年,每年約增加5~7億人口(圖1);隨著世界人口數增加,但人均耕地面積(arable land per capita)減少的情形下(圖2),人們對糧食作物的需求將更為迫切。
化學肥料是提高農作物產量的主要資材之一,也是增加農作物產量最快速與直接的資材,試驗資料顯示增加作物產量的因素,約有50%是來自於施用化學肥料的貢獻。基於肥料對作物產量的重要性,政府自民國97年5月起,每月檢討並調整農民使用之化學肥料價格,肥料漲價之15%由農民負擔,其餘85%漲幅由政府補貼,迄101年底累計投入補貼金額達190億元,目前仍持續補貼農民常用之11種肥料(表1)。
隨著人們對農作物產量的需求越來越多,而且施肥對作物的增產效果容易顯現,化學肥料的用量也就越來越大,但是,由於大部分農民依據經驗作為田間肥料管理方法,普遍超量施用肥料,施用於農田的化學肥料無法全部被作物吸收,以致於降低了農業的經濟效益,同時也給環境帶來了負面效應。我國農田作物當季對氮肥、磷肥、鉀肥的利用率分別約為30%~35%、5%~15%、35%~50%,較已開發國家低約15%~20%。根據行政院農業委員會農糧署統計室資料,臺灣地區化學肥料年消耗量約為110萬公噸(97~102年),產值約為110億,若以肥料的平均利用率為35%估算,肥料每年損失的金額約則為75億(表2)。 表1.103年11月份肥料漲幅價差政府補貼分攤明細表 單位:元/包(40kg)
附註:農民實際購肥價=農民負擔價+運費及管銷費用(經銷點)
表2.臺灣地區化學肥料年消耗量及估計損失金額
資料來源:行政院農業委員會農糧署(統計室)
未被作物吸收利用的化學肥料,一部分被沖蝕流入水體,包括汙染地下水或者造成水庫之水體優養化,在水源污染中,汙水和農業汙染各約佔50%,其中農業廢棄物汙染佔35~40%,化學肥料汙染佔15~20%。102年環保署水庫水質監測資料顯示,臺灣地區25座主要供水水庫中有16座水庫屬於優養狀態(卡爾森指數大於50),不僅危及飲用水的安全並且影響水體的正常用途;一部分則揮發至空氣中產生氧化亞氮(N2O)溫室氣體,農田土壤是全球N2O的重要排放源,是近幾十年來大氣中N2O濃度持續上升的重要原因,而且每年以0.25%的速率增長。我國人為溫室氣體中二氧化碳約占96.48%,氧化亞氮約佔1.16%,甲烷約佔0.54%,全球暖化潛勢方面,藉由相較於二氧化碳之暖化衝擊能力進行單位當量換算,甲烷的暖化能力為二氧化碳之23倍,氧化亞氮則為296倍(表3),而且氧化亞氮可於大氣中存在150年,農業活動對於氣候暖化的影響不可忽視。
而大量殘留在農田的化學肥料亦對土壤環境造成負面影響,包括土壤的酸化、鹽害與結構劣化等,將對下季栽種的作物產量與品質造成很大的負面影響。肥料利用率低不僅浪費資源與能源,降低農業生產的經濟效益,也對人類的生存環境產生嚴重影響,而且,一味的增加肥料施用量,不僅不能增加作物產量,反而會降低農作物的產量與品質,進而降低農民收益。因此,施行合理化施肥的作物栽培方法以及發展肥料利用率高的新型肥料產業,是提高農業經濟效益,以及解決農業產業因施肥對環境造成問題的重要手段。
表3.溫室氣體增溫效應(以二氧化碳作為基準)
一、常見的田間施肥方法
一般農民以產量為目標,常依據施肥習慣或者施肥管理上的方便性,作為田間作物的肥料管理方法,將肥料施用於農田表面(圖3),肥料遇雨時養份容易被沖蝕流失,造成表面水體優養化及汙染地下水的問題;部分肥料則因揮發至空氣中而損失。表面施肥不僅肥料的利用率低,對環境亦造成很大的衝擊。另外,在高山多礫石的土壤上栽種作物,農民一般將肥料施用於農田表面(圖4),由於土壤結構鬆散及位處地理位置的關係,肥料更容易流失,對環境所造成的嚴重衝擊不言可喻。
不過,我們可以藉由發展控釋型肥料來解決這些問題,例如日本的水稻全量施肥法(圖5),水稻生長期所需的肥料養分一次施於育苗箱中,即將控釋型肥料施用於水稻根系附近,肥料養分根據水稻不同生長期對養分的需求緩慢釋出,不會傷及根系,大部分的磷肥被水稻吸收利用,減少被土壤固定的機會,整體肥料的利用率提高許多,而且由於大部分的肥料養分被水稻吸收利用,也減少田間管理雜草的農藥與勞力成本。
另外,田間亦常見施用生雞糞衍生之環境問題,由於生雞糞之價格較雞糞堆肥後之售價便宜許多,而且生雞糞之氮、磷、鉀含量亦高,生雞糞施用於田間後養份之釋放雞糞堆肥速度快,頗為農民喜愛(圖6)。但是直接將生雞糞施用於田間,將會產生環境衛生的問題。我們可以藉由調整生雞糞氮、磷、鉀比例與含量後調製成適合作物生長的環保粒肥(圖7),不但便於農民田間施肥、對環境友善而且可以解決農業資源再利用的問題。
二、提高肥料利用率,減少環境
負面影響的方法發展低價格而且肥料利用率高的緩控釋型肥料,是目前克不容緩的工作。緩釋型肥料的養分在土壤中緩慢釋出,與化學肥料相比,不但可以減少養份的流失等問題,而且可以提高肥料的經濟效益。而控釋型肥料是緩釋型肥料的高階產品,控釋型肥料的養分釋放模式與作物在不同生長階段對養分的需求一致,肥料的利用率較緩釋行肥料高,養分損失更少,對農業的環境壓力小,而且一次施肥即能滿足一季作物對養分的需求,不需要追肥,或者可以減少農民在田間的施肥次數,提高肥料的農業經濟效益。試驗結果顯示施用較化學肥料少20~30%之控釋型肥料可維持相同的作物產量與品質。因此,施用控釋型肥料較施用化學肥料具有節省農民施肥勞力成本與肥料成本以及減少施肥對環境所造成的衝擊等優點(圖8)。
控釋型肥料之製作方法,通常是在單質肥料或者複合肥料的外層包覆一層無機或者有機材料,材料的種類、包覆的厚度、製作過程的控制條件等均會影響控釋型肥料養分在田間的利用效率。當控釋型肥料施入土壤後,水分侵入控釋型肥料的外層,造成外層有破洞,由於養份濃度差的關係,控釋型肥料由內部流向土壤中而被作物吸收(圖9)。
由於製作控釋型肥料在技術上較化學肥料複雜,使得控釋型肥料價格較化學肥料昂貴,目前臺灣控釋型肥料每年進口約2億元,每公斤售價超過100元,除了應用於高經濟作物外,一般農民基於成本考量沒有意願購買,農田無法普遍施用,無疑的,發展低價格而且肥料利用率高的控釋型肥料(圖10、圖11)是解決目前因施肥引起的環境問題與提高肥料經濟效益的一個方法。控釋型肥料在農業上的應用與研發正逐漸受到重視,產值也逐年增加,2013年控釋型肥料在全球的產值約為20億美元,預估2014~2019年的年複合增長率(Compound annual growth rate)為6.5%,在美國、西歐與日本等先進國家中,日本將90%的控釋型肥料施用在一般農田,10%的控釋型肥料施用在高經濟作物,是唯一將控釋型肥料施用在一般農田最普遍的國家(圖12)。
三、結語
近幾年來,政府透過農業試驗單位與農民面對面進行合理化施肥座談會,相互交換作物栽培的肥料問題與技術,相信在肥料的經濟效益上會有顯著提升,對環境的衝擊也會有顯著降低。下列基本方法可以提高肥料的經濟效益,首先,農民可採取土壤或者植體樣品送至農業試驗單位,進行物理與化學分析,了解農田土壤的結構、酸鹼度、肥力供應能力、植體對養分的吸收情形⋯⋯等,得知當地土壤之理化性質,然後根據土壤之理化性質與不同作物對肥料之需肥特性,選擇適當的肥料種類,根據土壤中肥料養份的供應能力及作物生長對養份的需求量,施與適當的肥料量,在正確的時間點施肥,並且將肥料施放在正確位置,作為栽種作物時肥料管理之方法。另一方面,有待產業與學界開發價格低廉而且肥料利用率高的控釋型肥料,提高作物的產量與品質,不但解決世界人口對作物的需求,也可解決因追求作物高產量而引起的環境問題,提高肥料的經濟效益,營造永續的農業環境。
文圖/ 張瑞明、陳佳玲 農業試驗所
化學肥料是提高農作物產量的主要資材之一,也是增加農作物產量最快速與直接的資材,試驗資料顯示增加作物產量的因素,約有50%是來自於施用化學肥料的貢獻。基於肥料對作物產量的重要性,政府自民國97年5月起,每月檢討並調整農民使用之化學肥料價格,肥料漲價之15%由農民負擔,其餘85%漲幅由政府補貼,迄101年底累計投入補貼金額達190億元,目前仍持續補貼農民常用之11種肥料(表1)。
隨著人們對農作物產量的需求越來越多,而且施肥對作物的增產效果容易顯現,化學肥料的用量也就越來越大,但是,由於大部分農民依據經驗作為田間肥料管理方法,普遍超量施用肥料,施用於農田的化學肥料無法全部被作物吸收,以致於降低了農業的經濟效益,同時也給環境帶來了負面效應。我國農田作物當季對氮肥、磷肥、鉀肥的利用率分別約為30%~35%、5%~15%、35%~50%,較已開發國家低約15%~20%。根據行政院農業委員會農糧署統計室資料,臺灣地區化學肥料年消耗量約為110萬公噸(97~102年),產值約為110億,若以肥料的平均利用率為35%估算,肥料每年損失的金額約則為75億(表2)。 表1.103年11月份肥料漲幅價差政府補貼分攤明細表 單位:元/包(40kg)
肥料種類 (N-P-K) |
97.5.30 農民負擔價A |
103.11 |
92.5.30與103.11 農民負擔價比較 (E-A) |
||||
出廠價B |
漲幅價差 C=B-A |
政府補貼額度D |
農民負擔價 E=B-D |
||||
過磷酸鈣(粉狀)(0-18-0) | 153 | 175 | 22 | 31 | 144 | -9 | |
過磷酸鈣(粒狀)(0-18-0) | 185 | 207 | 22 | 31 | 176 | -9 | |
氯化鉀(0-0-60) | 405 | 459 | 54 | 45 | 414 | 9 | |
複合肥料 | 1號複肥(20-5-10) | 284 | 373 | 89 | 78 | 295 | 11 |
特1號複肥(20-5-10) | 290 | 403 | 113 | 88 | 315 | 25 | |
特4號複肥(11-5.5-22) | 302 | 390 | 88 | 76 | 314 | 12 | |
5號複肥(16-8-2) | 299 | 353 | 54 | 69 | 284 | -15 | |
特5號複肥(16-8-2) | 299 | 394 | 95 | 82 | 312 | 13 | |
39號複肥(12-18-12) | 385 | 470 | 85 | 109 | 361 | -24 | |
43號複肥(15-15-15) | 420 | 509 | 89 | 101 | 48 | -12 | |
特43號複肥(15-15-15z) | 420 | 543 | 123 | 147 | 396 | -24 |
表2.臺灣地區化學肥料年消耗量及估計損失金額
年度 | 施用數量 公噸 | 價值 千元 | 估計損失金額 (65%)千元 |
96 | 1,203,018 | 8,491,261 | 5,519,319 |
97 | 1,074,454 | 12,046,845 | 7,830,449 |
98 | 1,088,608 | 12,866,053 | 8,362,934 |
99 | 1,124,990 | 9,470,124 | 6,155,606 |
100 | 1,105,732 | 11,665,832 | 7,582,790 |
101 | 1,111,123 | 12,737,482 | 8,279,363 |
102 | 1,048,734 | 11,382,204 | 7,398,432 |
未被作物吸收利用的化學肥料,一部分被沖蝕流入水體,包括汙染地下水或者造成水庫之水體優養化,在水源污染中,汙水和農業汙染各約佔50%,其中農業廢棄物汙染佔35~40%,化學肥料汙染佔15~20%。102年環保署水庫水質監測資料顯示,臺灣地區25座主要供水水庫中有16座水庫屬於優養狀態(卡爾森指數大於50),不僅危及飲用水的安全並且影響水體的正常用途;一部分則揮發至空氣中產生氧化亞氮(N2O)溫室氣體,農田土壤是全球N2O的重要排放源,是近幾十年來大氣中N2O濃度持續上升的重要原因,而且每年以0.25%的速率增長。我國人為溫室氣體中二氧化碳約占96.48%,氧化亞氮約佔1.16%,甲烷約佔0.54%,全球暖化潛勢方面,藉由相較於二氧化碳之暖化衝擊能力進行單位當量換算,甲烷的暖化能力為二氧化碳之23倍,氧化亞氮則為296倍(表3),而且氧化亞氮可於大氣中存在150年,農業活動對於氣候暖化的影響不可忽視。
而大量殘留在農田的化學肥料亦對土壤環境造成負面影響,包括土壤的酸化、鹽害與結構劣化等,將對下季栽種的作物產量與品質造成很大的負面影響。肥料利用率低不僅浪費資源與能源,降低農業生產的經濟效益,也對人類的生存環境產生嚴重影響,而且,一味的增加肥料施用量,不僅不能增加作物產量,反而會降低農作物的產量與品質,進而降低農民收益。因此,施行合理化施肥的作物栽培方法以及發展肥料利用率高的新型肥料產業,是提高農業經濟效益,以及解決農業產業因施肥對環境造成問題的重要手段。
表3.溫室氣體增溫效應(以二氧化碳作為基準)
氣體 | 增溫效應 |
二氧化碳(CO2) | 1 |
甲烷(CH4) | 23 |
氧化亞氮(N2O) | 296 |
一、常見的田間施肥方法
一般農民以產量為目標,常依據施肥習慣或者施肥管理上的方便性,作為田間作物的肥料管理方法,將肥料施用於農田表面(圖3),肥料遇雨時養份容易被沖蝕流失,造成表面水體優養化及汙染地下水的問題;部分肥料則因揮發至空氣中而損失。表面施肥不僅肥料的利用率低,對環境亦造成很大的衝擊。另外,在高山多礫石的土壤上栽種作物,農民一般將肥料施用於農田表面(圖4),由於土壤結構鬆散及位處地理位置的關係,肥料更容易流失,對環境所造成的嚴重衝擊不言可喻。
不過,我們可以藉由發展控釋型肥料來解決這些問題,例如日本的水稻全量施肥法(圖5),水稻生長期所需的肥料養分一次施於育苗箱中,即將控釋型肥料施用於水稻根系附近,肥料養分根據水稻不同生長期對養分的需求緩慢釋出,不會傷及根系,大部分的磷肥被水稻吸收利用,減少被土壤固定的機會,整體肥料的利用率提高許多,而且由於大部分的肥料養分被水稻吸收利用,也減少田間管理雜草的農藥與勞力成本。
另外,田間亦常見施用生雞糞衍生之環境問題,由於生雞糞之價格較雞糞堆肥後之售價便宜許多,而且生雞糞之氮、磷、鉀含量亦高,生雞糞施用於田間後養份之釋放雞糞堆肥速度快,頗為農民喜愛(圖6)。但是直接將生雞糞施用於田間,將會產生環境衛生的問題。我們可以藉由調整生雞糞氮、磷、鉀比例與含量後調製成適合作物生長的環保粒肥(圖7),不但便於農民田間施肥、對環境友善而且可以解決農業資源再利用的問題。
二、提高肥料利用率,減少環境
負面影響的方法發展低價格而且肥料利用率高的緩控釋型肥料,是目前克不容緩的工作。緩釋型肥料的養分在土壤中緩慢釋出,與化學肥料相比,不但可以減少養份的流失等問題,而且可以提高肥料的經濟效益。而控釋型肥料是緩釋型肥料的高階產品,控釋型肥料的養分釋放模式與作物在不同生長階段對養分的需求一致,肥料的利用率較緩釋行肥料高,養分損失更少,對農業的環境壓力小,而且一次施肥即能滿足一季作物對養分的需求,不需要追肥,或者可以減少農民在田間的施肥次數,提高肥料的農業經濟效益。試驗結果顯示施用較化學肥料少20~30%之控釋型肥料可維持相同的作物產量與品質。因此,施用控釋型肥料較施用化學肥料具有節省農民施肥勞力成本與肥料成本以及減少施肥對環境所造成的衝擊等優點(圖8)。
控釋型肥料之製作方法,通常是在單質肥料或者複合肥料的外層包覆一層無機或者有機材料,材料的種類、包覆的厚度、製作過程的控制條件等均會影響控釋型肥料養分在田間的利用效率。當控釋型肥料施入土壤後,水分侵入控釋型肥料的外層,造成外層有破洞,由於養份濃度差的關係,控釋型肥料由內部流向土壤中而被作物吸收(圖9)。
由於製作控釋型肥料在技術上較化學肥料複雜,使得控釋型肥料價格較化學肥料昂貴,目前臺灣控釋型肥料每年進口約2億元,每公斤售價超過100元,除了應用於高經濟作物外,一般農民基於成本考量沒有意願購買,農田無法普遍施用,無疑的,發展低價格而且肥料利用率高的控釋型肥料(圖10、圖11)是解決目前因施肥引起的環境問題與提高肥料經濟效益的一個方法。控釋型肥料在農業上的應用與研發正逐漸受到重視,產值也逐年增加,2013年控釋型肥料在全球的產值約為20億美元,預估2014~2019年的年複合增長率(Compound annual growth rate)為6.5%,在美國、西歐與日本等先進國家中,日本將90%的控釋型肥料施用在一般農田,10%的控釋型肥料施用在高經濟作物,是唯一將控釋型肥料施用在一般農田最普遍的國家(圖12)。
三、結語
近幾年來,政府透過農業試驗單位與農民面對面進行合理化施肥座談會,相互交換作物栽培的肥料問題與技術,相信在肥料的經濟效益上會有顯著提升,對環境的衝擊也會有顯著降低。下列基本方法可以提高肥料的經濟效益,首先,農民可採取土壤或者植體樣品送至農業試驗單位,進行物理與化學分析,了解農田土壤的結構、酸鹼度、肥力供應能力、植體對養分的吸收情形⋯⋯等,得知當地土壤之理化性質,然後根據土壤之理化性質與不同作物對肥料之需肥特性,選擇適當的肥料種類,根據土壤中肥料養份的供應能力及作物生長對養份的需求量,施與適當的肥料量,在正確的時間點施肥,並且將肥料施放在正確位置,作為栽種作物時肥料管理之方法。另一方面,有待產業與學界開發價格低廉而且肥料利用率高的控釋型肥料,提高作物的產量與品質,不但解決世界人口對作物的需求,也可解決因追求作物高產量而引起的環境問題,提高肥料的經濟效益,營造永續的農業環境。
文圖/ 張瑞明、陳佳玲 農業試驗所
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齡(達人級會員)發表於 107/09/09
Good
陳*杰(達人級會員)發表於 104/12/12
很好