氮肥的美麗與哀愁

生活科學趣談

全球首次揭開氮肥的秘密… – 上下游發布於2019年9月23日

想當年開始在北投市民農場租地種菜時,看到大芥菜的葉子顏色不太綠,於是去農會扛了一包尿素回來(就是精選圖片中農夫正在稻田中灑的肥料),平均一公斤還不到十元真是便宜。施肥後變化非常明顯,立馬一片綠油油,看了真是龍心大悅

圖片來源:台灣好食材

不過被園主看到後唸了好久,說大芥菜就是要看起來黃酸黃酸(khuànn-khí-lâi n̂g-sng-n̂g-sng)(註:面黃肌瘦之意),這樣葉梗(芥菜仁)才會肥厚,更何況他的農場是禁止使用化肥的 >.<

商業尿素是透過氨與二氧化碳的反應來生產的,2NH3 + CO2 → CO(NH2)2 + H2O

氨則是使用哈伯法來製造

接著來看一篇分享文:鹿谷麒麟潭-超美露營地

圖片來源:pts.org.tw

這片碧綠的潭水令我回想起學生時代在梨山打工時,遠眺德基水庫也是綠油油一片,因為梨山果樹的雞屎肥放很重,誇張到當時吃飯就像這樣↓

這是因為直接使用從蛋雞場載來的乾燥生雞屎肥,當年一大包才70元(腐熟雞糞貴很多)

回來看今天的主題:氮肥。化學氮肥生產的主要原料是合成氨,20世紀的50年代,硫酸銨是最主要的氮肥品項,當時高雄硫酸錏公司為台灣打開了自製硫酸銨的先河,也使台灣的化學肥料不假外求

60年代,增加了硝酸銨,合成方法可以由氨水與硝酸作用製成  NH3·H2O(aq) + HNO3(aq) → NH4NO3(aq) + H2O(l)

70年代以來,尿素則成為主導的氮肥品項。根據 這份教學資料 顯示,1985年世界各國平均三要素用量 N、P2O5、K2O分別是47.4、22.4、17.3公斤/公頃,台灣地區是275.2、65.1、107.9:1988年則為280.6、74.6、109.2,單位面積的三要素平均用量位居亞洲之冠,其中氮素施用量更高居世界第二位,僅次於以種植園藝作物著稱的荷蘭

尿素是現今氮肥市場最主要的肥料,含氮量高達47%【註:2N/CO(NH2)2 = 28/(12+16+28+4) = 0.467,是氮素含量最高的化學氮肥】。尿素極易溶於水,20℃的溶解度是105克/100克水。植物並無法直接利用尿素,必須先藉由土壤中的細菌將其轉化成硝酸鹽(硝態氮 NO3

這個過程稱為硝化作用,然後硝酸鹽(或是未解離的氨)才能被植物吸收利用

圖片來源:wiki

上圖中的同化作用則是指植物利用根系從土壤中吸收硝酸根離子之後,將其轉變成有機含氮化合物,從而合成胺基酸以建構蛋白質來使用。接著動物攝食植物,氮素才得以進入動物體內,就如同昨天松鼠跑來花園剝柚子…

牠們就不吃果肉而只吃富含蛋白質的種子(OS:基於好奇,我試了一下松鼠的剝法,甚苦>.<)

扯遠了,回歸正題。這則新聞提及「我們施下去的氮肥,真正被植物吸收只有30-50%」,由於硝酸根是帶負電荷的陰離子,無法被同樣帶負電荷的 土壤膠體 所吸附,因此這些沒有被利用到的硝酸根就會隨著雨水被沖刷流失而滲入地下水中,或是進入湖泊而造成水體優養化。飲水中的硝酸鹽在進入人體後有部分會轉變為亞硝酸鹽(成人約轉換10%),因而對人體造成危害;嬰孩則能在消化道內將硝酸鹽幾乎完全轉換成亞硝酸鹽,因此硝酸鹽對嬰孩的危害甚大。

至於新聞提及的硝酸鹽轉運蛋白CHL1,這是一種雙親和性的轉運蛋白,可藉由 磷酸化 或是去磷酸化(去除磷酸基)來改變分子構形,從而在高或低親和性狀態之間轉換。當環境中硝酸鹽濃度較低時,CHL1會因磷酸化而成為高親和性的轉運蛋白;而硝酸鹽濃度較高時,CHL1則被去磷酸化以轉換成低親和性的轉運蛋白。也就是說,藉由改變CHL1的構形可以調整其活性,使得硝酸根離子進入細胞內的傳輸效率可以隨著外界硝酸根離子濃度而調整。白話一點的說法就是「食物少時就大家搶,面對滿漢全席的皇帝卻是呷袂落去」

至於新聞中的下列這張插圖,縱座標應該應標示成「外界硝酸鹽濃度」才正確^^

文末提及的「這種局部的硝酸鹽重新分布是靠篩管,也就是韌皮部在輸送」

在這篇文章〈茶樹-營養障礙症〉中的一段話,就印證了蔡宜芳老師獨到的觀點 → 「氮素缺乏會使蛋白質與葉綠素合成受阻,新生嫩葉出現土黃色,但因植體內氮的可移動性高,數日後則可由母葉、枝條與根部等部位轉入,新葉則逐漸轉為翠綠,母葉因氮的移出,而由翠綠轉成無光澤之土綠色,並隨著新梢生長量的增加,使氮素的移出量也增多,母葉再逐漸轉為土黃色,交雜橙色或紅紫色,最後脫落」

資料來源:Uptake, allocation and signaling of nitrate