谈土壤电荷和化肥出路

天下本无事，庸人自扰之。拿来看肥料这个再着通不过的离子化合物，再合适不过。离子为何物? 元素的电荷又从何而来?
 

原子由原子核的质子和中子组成，其中，质子带正电，中子不带电。围绕原子核外的是电子，不同的原子有不同大小的原子轨域，有如人造卫星在地球上面运转，这些围绕原子核绕行的电子带负电，当它的数量和原子核内的质子等同时，原子是呈中性的，当数量少于质子时，整个原子带正电，反之，带负电。不同原子这个与生俱来的性质，称为“化合价”，这个性质决定了一些原子(或原子团)和其它原子(或原子团)进行组合配对时必要的一种机制。常说的门当户对，带正1价的钾可以和1个负1价的氯结合成氯化钾(KCl)，而遇上负2价的硫酸根时，就必须有2个1价钾才足以配对(K2SO4)。有配对就有拆对，成双成对各类型的肥料化合物往土壤里一施，在水合作用的拆对下形成离子，才有目前土壤内发生的许多“恩怨情仇”。
 

单纯土壤粒子的本质，是大自然条件形成的硅铝酸盐错化合物，形成了一种十分稳定的晶体结构。经由千万年的风化和化学反应，地表的有机物分解的有机质分解成腐植质，和原本的土壤粒子共同形成了可耕层。此耕层的维持一种团粒的结构并带有负电荷，会吸附带有正电荷的离子，此说法已在50年代经由大量的实验验证。根系也吸收大带正电荷的养分离子，因此，相安无事的状况下，是土壤团粒和根系处于一种相互 “扶持”的状况，即土壤粒子是个养分暂存区，供应根系取用。但是，物质不灭，电荷守恒，随着施入的肥料愈多，土壤粒子无法负载更多的正离子，因土壤颗粒间静电斥力和水合斥力在水合的作用下导致团粒破裂。负电荷的离子则会和未被根系吸收的正电荷离子或基团结合，此时团粒对于水份也不具调控的能力。常规土壤粒子间隙足以让水分子通透，丧失粒子间距的土壤无法让水分通过，因此遇雨成粘土，在大太阳照晒也无法保水，因此干燥时开裂，也就是常说的土壤板结。过量施用酸性肥料，包括尿素致使土壤酸化的原因，在于碳铵NH4+在硝化作用转化为硝酸根NO3- 的过程中，多出的正电荷，和水形成水合氢离子（H3O+），使土壤的正电质子不断上升，是土壤酸化元凶。酸化土壤导致带负电的磷酸根离子，易与铁、铝等离子形成不溶性化合物，也就是所谓的被土壤固定化。发生了板结化、酸化、固定化，对于作物的意义就是根系无法伸长、元素可利用率降低、营养需求得不到充分满足等困境出现。

目前最常见的量测土壤离子电荷的指标就是阳子交换能力(Cation Exchange Capacity)，即以单位介质可吸附多少毫克当量的阳离子来表示。一般的表土多为15-30 meq/100克。而腐植质高的火山土可达到50以上。常用的矿物类的土壤改良剂如沸石在80-200 meq/100克，而腐植酸等资材，依不同的规格在300-500左右。土壤调理剂所针对要调整的就是土壤电荷，恢复平衡的微环境离子生态是走向生机土壤的关键步骤。常见的有机肥、腐植酸、黄腐酸到了土壤后经由水分和微生物的分解，就会形成带大量的负电荷的物质，协助土壤团粒恢复上面所说的功能。目前在国家政策上强调多施用有机肥，也就是为了达到此种减肥增效的目前。有机质类的土壤改良剂在成本上具有优势，但也有良莠不齐的情况发生，无论任何等级的有机质材料，基本上都需要经过生物性的转化才能分解成小的团粒发挥作用，因此，补充有机质来改良土壤，在操作上是不若矿物源性的土壤改良剂来得快和明显。首先从先天结构上，矿物源类的土壤改良剂如沸石、麦饭石、膨润土等具有多孔隙结构，其所形成的比表面积也是有机质原料无法比拟的。一克的沸石，内部孔隙的表面积所展开的面积可达上百平方米。沸石已大量的应用在水产养殖池的改良，如吸附氨化物等物质，但在中国，直接用在农地改良却十分的少。在概念上近年来十分红火的炭基肥，基本上就属于笔者所归纳的有机质原料经加工产生的带有高负电荷性的资材，包括炭化的稻壳、秸秆等，在扮演功能的意义上，归根来说都是调理土壤的CEC，优化土壤团粒的作用。
 

从广义的土壤改良的角度来说，使用有机肥当然有其他的效益，包括增加微生物的族群，提供氮源等效益。切入此种利基的产品，近年在中国也开始应用。以沸石作为肥料的载体的研究，中国最早于90年代提出此种肥料的模拟研究。当初是将化肥和沸石进行掺混后应用，观察到增产的效益。至今，此研究主题一直方兴未艾。近两三年，中国化肥过量的问题一直被人所诟病，虽然化肥2020年减量的目标已于2017年底提前达标，但相对应的产品相对匮乏。在研制的过程中，沸石对化肥的作用，需借由耦合，吸附和释放等过程逐步累积技术经验，另外在销售和使用上也颠覆常规肥料的用法用量，但是施肥兼调土的、减量省工等的国家长期目标摆在眼前时，确实是这类功能性肥料，在传统化肥长久黯淡市场中另辟蹊径的大好机遇。