问题土壤改土技术及方法.doc

问题土壤改土技术及方法一、前言 对永续性农业之生产会产生物理或化学性障碍的土壤，吾人称之为问题土壤。基于自然气候环境的造就，农事耕作，人为疏忽及外来重金属毒物质的移入，全球问题土壤的面积有逐渐增加的趋势。为了纾解人口增加所带来食粮需求上升的压力，问题土壤面积扩大的避免以及问题土壤的改良开发，实为刻不容缓之事。 本省面积虽小，唯因气候环境，母质种类，以及地形植生的变异大，故所造就的士类甚为繁多，然因肥方状况普遍不佳，实有赖于肥料及土壤改良剂的添加以满足作物对养分的需求。一般而言，土壤的酸度，盐分，土壤密实，排水不良，及重金属污染为本省主要限制作物生长的土壤因子，故本省主要问题土壤可归纳为(1)强酸性土壤;(2)盐害土壤;(3)排水不良土壤或压宝土壤;(4)重金属污染土壤;(5)砂质土壤及(6)台湾粘土六大类。本文将针对上述六类问题土壤的障碍所在及改良对策分别论述于后:二问题土壤之改良对策1.强酸性土壤1.1问题所在: 本省地处热带与亚热带，由于高温多雨，土壤淋洗强烈，再加上集约耕作，土壤中之硷性阳离子被作物摄取量大，以及产酸肥料的长期大量使用，使得本省土壤酸化情形甚为普遍。根据调查显示，本省酸性耕地土壤面积占全耕地总面硕的65-75%，而其中属强酸性者(pH5.5)则占28%,另本省100公尺以上，1000公尺以下坡地中，强酸性者即占76%,由此可见，强酸性土壤实为本省最大宗的问题土壤。植物所需养分约有效性深受土壤pH的影响，进而影响作物的生长和品质。强酸性土壤普见低肥力及潜在毒害物质等问题而抑制作物的生长。简而言，强酸性土壤不适作物生长的原因可归纳如下:(1)铁，铝和锰溶出量太多而造成对作物的毒害。(2)有机质的矿化作用受阻，而减少养分的释出(如氮、磷、硫及其他微量元素)。(3)磷的固定能力增强，而降低磷的有效性。(4)硷性阳离子(Ca,Mg,K等)易遭淋失，故可供作物利用的硷性阳离子含量低，尤其易造成镁缺乏的现象。(5)钼溶解度低，而抑制需钼参与之固氮作用及硝酸还原作用的进行。换言之，氮素同化作用将受阻。(6)作物根系生长受阻，因而降低养分及水分的吸收。(7)部分微量元素(如铜，锌和硼)易因强烈淋洗而流失，致发生微量元素缺乏的现象。1.2改良对策 在所有会被推荐在改良强酸性土壤的方法(如石灰资材施用，耐酸作物的栽培，客土，加重肥料添加等)中，以石灰资材的施用为最经济实惠者，故本文将专注于此改良方法的介绍。石灰资材的施用对强酸性土壤改良之效果，深受资材品质，施用量，土壤pH缓冲能力，施用方法，及施用时期的影响。1.2.1.石灰资材的品质 石灰资材的品质可由其中和土壤酸度的有效性来评估，而此中和效果乃由石灰资材的硷度及粒径分布(或称细度)来决定。石灰资材在中和土壤酸度的潜力往往以石灰石份的相对硷度来表示。相对硷度愈大者，中和酸度的潜力愈大，所需施用量亦愈小(表一)。资材的粗细亦影响中和酸度的效果，一般而言，愈细者，单位体积内其可发挥中和效应的表面积愈大，所以效果愈佳。如粒径小于0.25mm(即可通过60目筛孔者)中和能力最高(指数为100)，粒径介于0.25至0.85mm者次之(指数为60%)，而粒径0.85-1.70mm者再次之(指数为10%)。石灰资材的优良与否，吾人可由下列方法评估之: (1)资材之化学组成中阳离子和阴离子的种类: 一般而言，石灰资材遇水水解时，产生强硷及弱酸者，中和酸度的效果最佳如CaO,Ca(OH)2，而产生强硷及强酸者，中和效果将大打折扣(如石膏)。兹将优良及不良之阳离子及阴离子的种类列表于下:(2)资材之ECCE(Effective calcium carbonate equivalent)之测值。ECCE愈大，酸度中和效应愈大。其中ECCE=CCE 细度因子1.2.2.石灰资材的施用量 在决定施用量之前应先了解欲栽种之作物生长适宜pH范 围(表二)，嗣以提升土壤pH至该适宜pH范围内的中间值附近为目标。石灰需要量受土壤性质的影响甚大，一般而言，有机质含量及粘粒含量愈高的土壤，亦即阳离子交换能量(CEC)愈大的土壤，石灰需要量愈大。石灰需要量的决定方法甚多，包括直接培育法及缓冲pH测定法(如riginal SMP, Improved SMP, Original Woodruff, Improved Woodruff, Adam-Evans, Mehlich buffr pH methods)，其中以直接培育法最为准确但耗时，而其他方法所需时间较短，但其适用性常因土坏性质不同而异，一般而言，吾人可藉助以下的简则来决定石灰的需要量(公吨，公顷，20公分土层厚度)。 石灰需要量乃以欲调整一公顷土壤之目标深度来估算，一般多以20公分或30公分为目标。若欲调整更深的深度，则需乘上比例因子，如以20公分为调整目标的石灰需要量为A公吨/公顷，则调整目标为60公分，其石灰需要量应为Ax60/20=3A(公吨/公顷).2.3.石灰资材的施用法 由于石灰资材的溶解度不大，移动性亦不大，是故应利用于耕犁之农具将之与土壤均匀的混合，以发挥其最大的效果。若栽种多年生作物，石灰与土壤的混合必需在播种前完成，同时尽可能远离播种期，以让石灰有充分的时间来发挥其效果。如果土壤只是微酸性或作物对酸性并不是很敏感，则石灰施用期近于种植期地无妨，唯栽种对酸度敏感的作物(如高梁，苜蓿，甜菜，莴苣，茼蒿，芹菜，菠菜，花椰菜，洋葱，芦笋，丝瓜，洋香瓜，青椒等)则需先在栽种前一年施用石灰以调整土壤pH。 石灰施用一般都采用表面撒施后再犁入土中，以求目标深度内的土壤尽可能与石灰接触。一般石灰资材在土壤剖面中之垂直移动距离不远，所以使土壤和石灰资材充分混合乃十分重要，如果完全靠表面施撤，则仅能改善表土数公分内的酸度，对深根作物而言难见改良效果。若欲改良底土的酸度可利用下列方法:(1)直接将石灰或石灰悬浮液灌入底士;(2)表面施用石膏(CaSO4 2H2O):石膏中的Ca2+移动较一般石灰快，而可置换底土胶体上之毒性铝，或藉由SO4-与Al3+形成毒性较低的AlSO4+，以减轻底土之铝毒害;(3)大量施用Ca(NO3)2:其中Ca2+将随NO3-下移至底土，届时作物吸收NO3-的量将大于Ca2+，因此植物根系将释出OH-或HCO3-是故将提升根圈附近土壤之pH值。2.盐害土壤2.1.问题所在 凡土壤因所含水溶性盐类浓度过高，而造成土壤物质变坏及作 物生长不良者，称之为盐害土壤，或称为盐分地。台湾虽位居湿润地带，唯因旱雨季分明而雨量又过于集中，且滨海地区风大雨少灌 溉又不足，加上温度高，水分蒸散量大于降雨量，故水分在土层之往上移动大于往下渗透，因此土壤盐类逐渐累积而造成盐分地。本省据调查目前盐分地面积约25,000公顷，近年来由于引进荷兰 式地下排水技术，约有3000公顷已获改良。由于滨海地区养殖鱼塭面积的扩大，使得临近之农地发生盐化者亦随之增加。动物排泄物的施用不均，高盐分灌溉水的引用，设施农业之欠缺自然淋洗等等作用，均助长盐害土壤的面积。 盐类累积过多，对土壤性质及作物生长将产生不良的影响,如:(1)磷钾和大部分微量元素的有效性降低,(2)含钠多土壤构造差除了不利于耕作外，土壤之通气性和透水性均将降低，因而不利作物生长,(3)灌溉水，地下水或土壤孔隙中水含盐分愈高，其所产生的渗透压也愈高，因而不利于植物根系的水分吸收，故植物常出现缺水的症状。2.2.改良对策盐害土壤的改良原则有四:(1)降低地下水位;(2)改良土壤剖面透水性;(3)增加水分的移入;(4)阻绝盐分的来源。简言之，除了外来盐分的避免外，洗盐乃为盐害土壤改良最重要的工作，洗盐(De-salinazation)即利用足量之高品质水源，将根附近之盐分淋洗至下层，再利用排水设施予以排除。盐害土壤的改良，可藉助下列的方法:()改良土壤排水状况 盐害土壤往往因土壤团粒构造的破坏，干时表面常成结皮，湿时又泥泞，因而水分往下移动受阻，同时土面蒸发量又大，致盐分逐渐累积。降低地下水位及改善排水状况可减少土面蒸散及盐分聚积现象。本省盐分地大多属于海滨新冲积土，土壤的堆积层理甚为发达，常有质地粗细不一的土层夹杂存在，因而阻碍淋洗水的往下移动，因而影响洗盐的效果。若不均土层离地面四、五十公分内，则可利用深耕机予以破坏，但若深达六十公分以下则必需仰赖怪手(挖土机)来加以翻挖，不过并非所有土层问题均可用翻土方法来解决。盐分地的改良以往均采明沟排水的方式，然因地势低平，外部排水往往并不顺畅，尤其遇到下雨时，水位快速上升致无法利用降雨之自然淋洗，因而降雨大多成为表面迳流，洗盐效果因此大打折扣。同时，明沟排水之沟深必需有相当大的边坡(1:1以上)，且需时常疏浚，如此土地面积损失多，维护费用高。另一种利用暗管方式的排水系统则无上述明沟排水之缺点，且可利用机械耕作，暗管排水由于排水流线降低，其能被淋洗脱盐的土层比明沟方式深。(2)灌溉制度的建立 许多盐害土壤包括盐土(saline soil)，盐硷土(sodic-saline soil)和硷土(sodic soil)均发生于干早的地区，该地土面蒸散量大于降雨量，故欲利用淋洗方式洗盐，则有赖于灌溉方式以供应足够的水分。实施灌溉制度的先决条件为土壤的排水状况必须良好，同时灌概水的品质需良好，如果灌溉水中含盐分高则灌溉会造成反效果。(3)施用土壤改良剂 土壤渗水性可藉助胶体上钠的减少及钙和镁的增加来增进。有些化学物质的施用可(1)直接提供钙以置换胶体上之钠;(2)提供酸或产酸物质(如硫酸或硫磺)而助于钙从石灰中之释出;(3)降低水中之碳酸氢盐(bicarbonate)的量，因而改善土壤的物理性质。石膏，硫磺，或硫酸为最常用之盐害土壤改良剂，且石膏和硫酸方可将之溶入灌溉水中，藉灌溉水之施用而改良土壤。(4)阻绝外来盐分的移入 (1)利用截流沟渠，将临靠农田之鱼塭，水塘或大排水沟之合盐 水流切断收集后排出去。 (2)修筑堤防，避免海水倒灌而造成的全面性漫淹。 (3)在海岸及靠海地区之耕地，种植防风林以拦截盐分。 (4)避免使用含盐分高之灌溉水源。(5)施用有机质 添加作物残株，绿肥，污泥，厩肥或堆肥，可直接或间接的改善土壤的物理状况，而增进透气性及渗水性，且可避免分散的土壤因重型农机的操作而发生压实的现象。污泥，厩肥中合盐分比作物残株及绿肥多，所以在改良盐害土壤上，似乎以作物残株及绿肥较为适合。(6)种植抗盐性之深根作物，如黑麦，三叶草，大麦，大豆，草莓，小麦，紫花苜蓿等(7)栽种蔓性覆盖作物，以减少水分的蒸散，阻止盐分上升。3.排水不良或压实土壤3.1.问题所在 排水不良与土壤压实为限制根系伸展的两大主因。土壤排水是否良好，可由40-150公分深度范围内土壤颜色来判别，当其中任何一层的土块出现锈斑就是排水不良的征状。灰斑(色度=4)常与锈斑同时出现。灰斑的出现会妨碍植物根系的伸展与健康，致使根系对养分的吸收能力弱，对肥料的需求量(如氮、钾、钙、镁)也较大，同时容易造成养分不平衡及病虫害的感染。本省冲积平原出现灰斑层的情形十分普遍，因而成为限制作物生长的主要原因。压实土壤常出现排水不良的现象，且压实土壤常有犁底层，硬盘或脆盘的出现，使得该处总体密度过高而限制根系的向下伸展。一般而言，总体密度大于1.4g/cm即构成对根系的抑制现象。3.2.改良对策(1)打破压实层 压实层的存在不但抑制作物根系的往下伸展，同时造成排水不良的现象，是故改良压实土壤首要之途即在打破此压实层。打破压实层可采用深耕的方式，然于深耕会使上下土层混合，是故必需加上足够的肥料，以提升整层土壤的肥力状况，若在强酸性土壤则需配合石灰及白云石粉的施用。深耕可增进土壤的渗水性，但在排水不良的土壤，深耕并不适合，因排水不良土壤通常出现在地势较低洼地区，深耕不但无法降低地下水位，反而使翻松的表土在大雨成灌溉后储存更多的水分，反而需要更多的时间来排除。(2)排水设施的建立 利用明沟或排水暗管方式，增进水分的往下移动而降低地下水位，其中又以暗管排水方式效果最佳，(3)添加有机质 有机质的密度一般为1.4g/cm3，比土壤中矿物质的2.65- 2.70g/cm3小了甚多，添加有机质于土壤有助于降低土壤的总体密度，亦可降低土壤的压实程度。(4)施用石灰资材 石灰石粉，滑石粉，白云石粉或生石灰曾被用来改良压实土壤。石灰资材的添加具有稳定土壤，使土壤絮聚及减轻耕耘及收获时重型车辆辗压所造成的压实程度。(5)添加含聚电解质(polyelectrolytes)的土壤改良剂 许多聚电解质的改良剂如IBMA, VAMA, HPAN, 和Krilium被证实具增进团粒构造及抵抗土壤压实的功效。此类物质的功效可维持数年之久，唯价钱并不便宜，利用它们来改良压实土壤，需投下甚巨的资金。(6)栽种具打破压实层能力的作物 许多文献及研究报告指出紫花苜蓿(alfalfa)，草木樨(sweetclover)和瓜尔豆(guar)的根系生长时具打破压实层的能力，而有利于后作的生长，所以吾人可利用轮作系统先种植上述作物改良压实层后，再种植目标作物。(7)引入或增进蚯蚓的繁衍 蚯蚓在土层中之钻动可使压实层出现通道，而有助于土壤的通气性，透水性，同时蚯蚓所排泄之粪便亦有增进土壤团粒构造的效果。据报导地球上大约有1800种蚯蚓，其中以Lumbricusterrestria和Allolobophora caliginosa及Eisenia foetida三种蚯蚓在改善土壤压实的效果最佳。L. terrestria活动的范围从土壤的表面到2公尺深处;A. caliginosa较喜欢生长在表面30公分的范围内，如果该范圈内温度变得太高或太低，A.Caliginosa会往更深的土层钻动。E. foetida种蚯蚓主要的贡献在于释出有机肥料。4.重金属污染土壤4.1.问题所在 近年来由于国内经济的高度发展，土壤受重金属污染的报导时有所闻。据统计本省约有5.63%的耕地表土重金属含量有偏高的现象，且有0.09%的耕地已遭严重的污染，其中以桃园基力和高银化工排放水的镉已严重污染观音乡和芦竹乡农地之事件最广为人知。重金属在土壤中不易移动及分解，且持续性久，一但土壤遭受重金属污染则不易复原。土壤若受重金属污染将使微生物活动受到限制，养分的有效性及根系对养分的吸收均将降低，进而影响作物的生长和品质。若作物吸收及累积过多的重金属，则对食用之人畜健康亦将产生莫大的危害。4.2.改良对策 土壤中重金属的来源计有:母质，空气沉降，肥料，农药，有机废弃物(包括动物厩肥及污泥)及无机的污染物。一旦农地遭过量重金属污染，除了废耕之途外，可藉由下列方法来改良之:(1)藉由酸剂或钳合剂来淋洗已受污染的土壤，唯需避免污染地下水层。这种方法虽然可以减少土壤中重金属的总量但亦可能增加生物有效性之重金属的量。(2)施用石灰质材使pH至中性，以减低重金属的生物有效性。这种方法乃最广范被引用者。(3)添加有机质于土壤以增进土壤对重金属的吸附能力，以减少自由态重金属的浓度。(4)栽种非食用性的作物，或在受轻微污染的土壤中，栽种重金属累积能力低的作物，或栽种观赏性之花卉树木，以避免人畜的食用。(5)在水稻田或可形成水塘或沼泽的田地，藉淹水方式制造还原状态以降低重金属的生物有效性。(6)移去已受污染之土壤，或在污染土壤上铺以一层未污染之土壤，唯需确定根系不会伸展至已遭污染之土层，且毛细作用及蒸散作用不会携带可溶性的重金属至根系附近。此处理方法之费用太过庞大，且对大面积之非淹水农地而言并不易行。(7)利用客土或翻土的方式以稀释单位体积内土壤重金属含量。土壤一旦遭受重金属的污染，虽可藉上述方法来改良，唯其效果仍然有限，最重要的治本方法乃在于阻绝及严控重金属污染源的侵害。5.砂质土壤5.1.问题所在 砂质土壤中粘粒含量低，阳离子交换能力小，且土壤中大孔隙多，所以常见肥力低及保水力差的缺失。本省深层砂质土壤主要衍生于页岩及砂岩冲积土的粗颗粒沉积物，且分布在西部海岸附近，面积大约为四万公顷，其中大约有二万一干公顷为农业生产用。在雨季或全年有适当灌溉的情形下，此砂质土壤可栽种花生，甘蔗及甘藷，唯此类土壤常出现许多物理及化学的障碍，加保水，保肥方低，透水性太强，本身肥力低，再加上风势大，所以作物的产量普遍都低。5.2.改良对策 风大的威胁，可由广植防风林来减轻之，而砂质土壤本身的障碍则有赖下列方法来改良:(1)灌溉系统的设立 砂质土壤保水力差，在干旱季节水分的逆境常为作物生长的限制因子，因而有赖适宜的灌溉制度来辅助。喷灌(Sprinkerirrigation)为砂质土壤改良上最经济且水分利用率最高的灌溉制度，其改良效果可如下表窥知:表三喷灌系统对干旱季节砂质土壤之作物生长影响(2)在底层埋设排水障碍物 在砂质土壤的下层铺设柏油或塑胶布类之物质，将有助于抑制或减少水分的往下运动，因而可增进砂质土壤的保水力及作物产量:(3)添加细质地土壤 外地或下层深度的细质地土壤，可用来增加砂质土壤的保水力。利用客土方式从外界引入细质地土壤对小区域的改良尚称实用，唯要施行于大面积则将因运费的高昂而显得不够经济。利用翻土的方式将下层细质地土壤与粗质地土壤混合，亦不失为一良方。Harper和Brensing(l950)曾在奥克拉荷马州的砂质土壤上进行深耕翻土工作以改善保水力差的问题，在未实施深耕翻土前表土的砂粒含量为86.8-94.8%，粘粒含量为2.7-3.7%，当耕犁深度为25-40公分时表土含砂量降低为64.5-82.5%，而粘粒含量增为10.3-17.7%。表土粘粒含量的增加，相对的将增加表土的保肥力及保水力，故有助于作物的生长。(4)添加有机质材 基于有机质材本身保水力很强，所以在砂质土壤添加有机质材对土壤保存有效水予作物利用的能力的增进甚有帮助。Unger(l975)指出每增加1%的有机质(体积比)，约可增加1,8%的植物有效水(指田间容水量和凋萎点问的水分)。欲求在一公顷之表土30公分范园内增加1%的有机质含量大约需要45吨约有机质材，此数量远高于一般作物年产之残株量，所以必需借助于外来的资材。在小面积栽培上，此法也许可行，唯欲大面积的进行改良，恐甚费时费力。6台湾粘土6.1问题所在 在本省西南部平原的中间地带，存在约20,000公顷无法农用的冲积土，此类土壤的特征为全层均含高量的粘粒，且在耕犁层下出现粘质硬盘，遇雨泥泞，干时会龟裂，吾人称之为台湾粘土台湾粘土在淹水状态栽种水稻可得高产，然在干旱状态，士壤易龟裂且结成硬块因而不利于旱作根系的生长。6.2改良对策(1).添加土壤改良剂(如0.07%VAMA)，有机质肥料(0.5-O.l%干物重)深耕(40-50公分深)和引入石膏(0.15%)曾被证实能有效的改善粘土的物理性及增进绿肥和甘蔗的产量，唯在大面积的改良上仍属昂贵而不大实用。(2).在土层中客砂，以稀释粘粒含量，改善土壤物理性，此方法被证实为改良台湾粘土最理想且效果最长久者。台糖公司的试验结果显示，将砂引入18公分深处对甘蔗产量的增进效果最佳，且原本壤质粘土的甘蔗田经此处理后，质地变为砂质壤土，而更利于甘蔗的生产。(3).深耕作业，并配合引入含钙物质。台糖公司以深耕45-