109 年 國立臺灣大學森林環境暨資源學系碩士班丙組《土壤學》

Jenny (1941) 提出的土壤生成五大因子是影響土壤形成與性質的關鍵因素，它們的相互作用決定了土壤的獨特性。這五大因子分別是：

1. 母質 (Parent Material, Pm)：指構成土壤的原始岩石或沉積物。母質提供了土壤礦物質的來源，其化學組成和物理性質直接影響土壤的質地、礦物成分、肥力潛力以及風化速率。

   • 影響：例如，花崗岩風化形成的土壤通常富含石英，質地較粗；而玄武岩風化形成的土壤則可能較肥沃，富含鐵、鎂等元素。
   • 例子：砂岩母質形成的土壤質地較粗，排水性好，但保肥能力較差；頁岩母質形成的土壤質地較細，保水保肥能力較好，但排水性可能較差。

2. 氣候 (Climate, Cl)：包括溫度、降水量、蒸發量、日照等。氣候影響風化作用的速率、有機質的分解與累積、水分的移動以及土壤化學反應的進行。

   • 影響：高溫多雨的熱帶地區，風化作用強烈，有機質分解快，易形成紅土（如氧化鐵、氧化鋁含量高）；乾旱地區則風化作用慢，有機質易累積，可能形成黑鈣土。
   • 例子：在溫帶地區，較低的溫度和適度的濕度有利於有機質的積累，形成富含腐殖質的表土；在極端乾燥的地區，降雨不足會限制植物生長，有機質難以累積，土壤可能呈鹼性。

3. 生物 (Organisms, O)：包括植物、動物、微生物（細菌、真菌）、以及人類活動。生物參與有機質的形成與分解，影響土壤結構、養分循環、土壤通氣與排水。

   • 影響：植物根系分泌物和死亡的植物體是土壤有機質的主要來源；蚯蚓等土壤動物有助於土壤團粒結構的形成和土壤的混合；

以下是針對各項土壤基本性質的說明：

1. 土壤質地 (Soil Texture)：

   • 定義：土壤質地是指土壤中砂粒、粉砂粒和黏粒這三種礦物顆粒大小的相對比例。它是一種相對穩定的土壤物理性質。
   • 影響：土壤質地決定了土壤的物理性質，如孔隙度、通氣性、排水性、保水性、保肥性以及耕作的難易程度。
   • 分類：根據三種粒徑的比例，土壤可被分為砂質土、砂質壤土、壤土、粉砂質壤土、黏質壤土、壤質黏土、黏土等。例如，砂粒含量高的土壤稱為砂質土，黏粒含量高的土壤稱為黏土。

2. 土壤 pH：

   • 定義：土壤 pH 是指土壤溶液中氫離子 ($H^+$) 濃度的負對數，用來衡量土壤的酸鹼度。pH 值範圍通常在 4 到 9 之間。
   • 影響：pH 值對土壤中養分的有效性、微生物的活性、植物的生長以及土壤化學反應（如陽離子交換、沉澱反應）有極大的影響。
   • 說明：pH < 7 為酸性，pH = 7 為中性，pH > 7 為鹼性。大多數植物在中性至微酸性土壤中生長最佳。酸性土壤可能導致某些金屬離子（如鋁、錳）溶解度增加而產生毒害，同時可能抑制某些必需養分的有效性。鹼性土壤可能導致磷、鐵、錳、鋅等微量元素的有效性降低。

3. 陽離子交換容量 (Cation Exchange Capacity, CEC)：

   • 定義：CEC 是指土壤膠體（有機質和黏土礦物）表面所帶負電荷，能夠吸附和交換的陽離子（帶正電的離子）的總量。通常以每單位質量土壤（如每 100 克土壤）所能交換的陽離子毫當量 (meq) 或毫莫耳 (mmol) 來表示。
   • 影響：CEC 是衡量土壤保肥能力的重要指標。CEC 愈高，土壤吸附陽離子（如 $K^+$, $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$, $NH_4^+$）的能力愈強，養分流失愈少，肥力潛力也愈高。
   • 說明：有機質和黏土礦物是影響 CEC 的主要因素。黏土礦物中，蒙脫石的 CEC 最高，其次是伊利石，而高嶺石的 CEC 較低。有機質的 CEC 通常遠高於大多數黏土礦物。

這題主要探討森林火燒對土壤養分元素形態的影響，以及台灣森林火燒的特性與地點。

(i) 森林火燒過程中養分元素形態的改變 (10 pts)

森林火燒是一種高溫氧化過程，會顯著改變土壤中有機物和養分的形態。

• C (碳)：

  • 改變：大部分有機碳在火燒過程中會被氧化成二氧化碳 ($CO_2$) 和一氧化碳 ($CO$) 等氣體，逸散到大氣中。少部分未完全燃燒的碳會殘留在土壤中，形成炭黑 (charcoal) 或生物炭 (biochar)，這些是相對穩定的有機碳形態。
  • 形態變化：有機態碳 $\rightarrow$ 氣態碳 ($CO_2$, $CO$) + 固態碳（生物炭）

• N (氮)：

  • 改變：氮化合物（如氨基酸、蛋白質、尿素）對高溫非常敏感，絕大部分會被氧化分解，轉化為氮氧化物 ($NO_x$) 和氮氣 ($N_2$) 逸散到大氣中。因此，火燒會導致土壤有機氮的嚴重損失。
  • 形態變化：有機態氮 $\rightarrow$ 氣態氮 ($N_2$, $NO_x$)

• P (磷)：

  • 改變：磷在火燒過程中相對穩定，不易揮發。大部分無機磷和有機磷會以灰燼的形式殘留在地表。然而，高溫可能導致部分有機磷分解為無機磷，並可能與陽離子（如 $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$）形成難溶性磷酸鹽，降低其生物有效性。
  • 形態變化：有機態磷 $\rightarrow$ 無機態磷 (灰燼中，可能形成難溶性鹽)

• K (鉀)：

  • 改變：鉀是陽離子，存在於植物組織中。在火燒過程中，植物體內含鉀的有機物被燃燒後，鉀會以灰燼的形式殘留在地表，通常是水溶性的氯化鉀 ($KCl$)、硫酸鉀 ($K_2SO_4$) 或碳酸鉀 ($K_2CO_3$) 等形式。這些形態的鉀在降雨後容易被淋溶。
  • 形態變化：植物體內鉀 $\rightarrow$ 灰燼中的水溶性無機鉀鹽

• Ca (鈣)：

  • 改變：鈣與鉀類似，也以灰燼的形式殘留在地表，通常是碳酸鈣 ($CaCO_3$) 或氧化鈣 ($CaO$) 等形式。這些灰燼中的鈣鹽相對穩定，但會增加土壤的鹼性，並可能與磷形成沉澱。
  • 形態變化：植物體內鈣 $\rightarrow$ 灰燼中的無機鈣鹽（如 $CaCO_3$）

(ii) 造成土壤 pH 上升的主要元素 (4 pts)

森林火燒後，土壤 pH 顯著上升（變得更鹼性）的主要原因是由於植物灰燼中含有大量的鹼性陽離子（金屬氧化物或碳酸鹽）。這些鹼性陽離子包括：

• Ca (鈣)：灰燼中的碳酸鈣 ($CaCO_3$) 和氧化鈣 ($CaO$) 會與土壤水反應，釋放 $OH^-$ 離子，提高 pH。
• K (鉀)：灰燼中的碳酸鉀 ($K_2CO_3$) 和氧化鉀 ($K_2O$) 溶解後，其水溶液呈鹼性，能提高 pH。

本題主要探討森林生態系統的碳循環，以及特定改變對碳循環（尤其是在土壤層面）的影響。

(1) 森林生態系統的碳循環過程圖 (12 pts)

森林生態系統的碳循環是一個複雜的過程，涉及碳在大氣、生物體、土壤和水體之間的交換。以下是森林生態系統碳循環圖的關鍵要素和五種過程的說明：

碳循環圖（文字描述，請自行繪製圖像）

• 大氣 (Atmosphere)：以二氧化碳 ($CO_2$) 的形式存在。
• 生物圈 (Biosphere)：
  • 植物 (Plants)：通過光合作用從大氣中吸收 $CO_2$，將碳固定在有機物中。
  • 動物 (Animals)：通過攝食植物或動物獲取碳。
  • 微生物 (Microbes)：分解動植物殘體。
• 土壤圈 (Soil)：儲存大量的有機碳，包括土壤有機質 (SOM)。
• 水圈 (Hydrosphere)：溶解 $CO_2$，參與交換。

五種碳循環過程（請在圖中標示）

1. 光合作用 (Photosynthesis)：

   • 過程：植物利用太陽能，將大氣中的 $CO_2$ 和土壤中的水 ($H_2O$) 轉化為有機物（如葡萄糖，$C_6H_{12}O_6$），並釋放氧氣 ($O_2$)。這是將大氣碳固定到生物圈的主要途徑。
   • 方程式：$6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{光能} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$

2. 呼吸作用 (Respiration)：

   • 過程：所有生物（植物、動物、微生物）都會進行呼吸作用，將有機物分解，釋放能量，並將碳以 $CO_2$ 的形式釋放到大氣或土壤中。
   • 植物呼吸：釋放 $CO_2$ 到大氣。
   • 土壤呼吸 (Soil Respiration)：微生物分解土壤有機質，釋放 $CO_2$ 到大氣。

3. 分解作用 (Decomposition)：

   • 過程：微生物（細菌、真菌）分解動植物的屍體、排泄物及其他有機殘體。這個過程將有機碳轉化為無機碳（$CO_2$）或新形成土壤有機質。
   • 土壤影響：分解產物是土壤有機質的重要組成部分，影響土壤肥力、結構和碳儲存。

4. 死亡與殘體堆積 (Death and Litterfall)：

   • 過程：植物的葉片、枝條、根系以及動物的屍體死亡後，成為有機殘體。這些殘體進入土壤，成為分解者作用的基質，或在特定條件下（如濕地、極地）長期儲存，形成泥炭等。
   • 土壤影響：是土壤有機質的直接來源，影響土壤碳儲量。

5. 碳儲存（土壤有機質）(Carbon Storage - Soil Organic Matter)：

   • 過程：分解作用不完全的有機物，或穩定分解後的有機物質（腐殖質），會在土壤中長期積累，形成土壤有機質。土壤是地球上最大的陸地碳庫。
   • 土壤影響：土壤有機質是土壤碳循環的關鍵儲存庫，其變化對全球碳循環有重大影響。

其他可能的過程：

• 燃燒 (Combustion)：如森林火災，將大量碳以 $CO_2$ 和其他氣體形式釋放到大氣。
• 木材採伐與利用 (Logging and Utilization)：將森林碳移出生態系統，可能進入建築材料或被焚燒。
• 土壤侵蝕 (Soil Erosion)：將含碳的土壤顆粒帶入水體。

(2) 改變對碳循環（土壤部分）的影響 (15 pts)

以下將分析指定的改變對森林生態系統碳循環（尤其是在土壤層面）的影響：

(i) 森林轉農地 (Forest to Agriculture)

• 影響：
  • 土壤有機碳減少：
    • 移除植被：光合作用的碳匯被移除，進入土壤的有機物（落葉、枯根）大幅減少。