111 年 國立臺灣大學森林環境暨資源學系碩士班丙組《森林土壤學》

本題主要在考驗學生對美國土壤分類系統（Soil Taxonomy）中常見土壤類群（Order）的理解，以及它們在台灣的分布與特性。

解題思路：

1. 理解土壤分類系統：首先要理解美國土壤分類系統的基本概念，認識到 Ultisols, Alfisols, Inceptisols, Entisols 分別代表不同的土壤發育程度和特徵。
2. 記憶各類土壤特性：針對這四個土壤類群，回憶或查找其定義、主要診斷層（diagnostic horizons）、養分狀況、質地、排水性等典型特性。
3. 台灣的地理與氣候背景：連結台灣的地理環境（多山、高降雨、地質多樣性、土地利用歷史）來推論這些土壤類群的分布可能性。
4. 綜合說明：將各類土壤的特性與在台灣的分布情況結合，進行有條理的說明。

詳解：

美國土壤分類系統（Soil Taxonomy）是基於土壤的形態學特徵（特別是診斷層）來劃分土壤類群。台灣位於亞熱帶至熱帶季風氣候區，地形複雜，加上地質年輕、地震頻繁，這些因素影響了土壤的發育。

(a) 極育土 (Ultisols)

• 特性：Ultisols 是高度風化、發育成熟的土壤。它們通常具有明顯的黏粒累積層（argillic horizon, Bt horizon），因為上層的有機質和陽離子（如 Ca$^{2+}$、Mg$^{2+}$、K$^+$、Na$^+$）被淋洗到較深層，導致土壤表層酸性強，陽離子交換量（CEC）低，肥力也相對較低。在台灣，這類土壤常出現在母質不易風化、降雨量高的地區，且地勢起伏較大，淋洗作用強烈。
• 台灣分布概況：主要分布在台灣的丘陵、山地，特別是東部、南部及部分中部山區，這些地區氣候濕熱，地形陡峭，長期受強烈淋洗。

(b) 淋餘土 (Alfisols)

• 特性：Alfisols 也是有黏粒累積層（argillic horizon, Bt horizon）的土壤，但相較於 Ultisols，它們的風化程度較低，表層的陽離子飽和度（base saturation）較高，因此肥力也較高。它們通常出現在較乾燥或較年輕的地質母質上，或者淋洗作用不如 Ultisols 強烈。
• 台灣分布概況：Alfisols 在台灣相對較少，可能出現在降雨量適中、母質風化較慢或坡度較緩的地區。部分學者認為在台灣的某些地區，如一些平原地帶或台地，可能存在類似 Alfisols 的土壤。然而，台灣的強降雨和高溫條件使得土壤更傾向於高度風化，形成 Ultisols 或 Inceptisols。

本題主要考查學生對土壤有機碳（SOC）採樣和測定方法的了解，包括濃度（concentration）和儲存量（stocks）這兩個不同概念的測量。

解題思路：

1. 區分概念：首先要明確「土壤有機碳濃度」和「土壤有機碳儲存量」的定義和差異。濃度是指單位質量或體積土壤中的有機碳含量，而儲存量則是指單位面積下，特定土層深度內累積的總有機碳量。
2. 採樣策略：說明採樣前需要考慮的因素，如採樣目的、研究區域的變異性、採樣深度、採樣頻率等。
3. 採樣方法：詳細描述採樣工具、採樣方式（如隨機採樣、系統採樣、分層採樣等）以及採樣深度。
4. 測定方法：介紹測定土壤有機碳濃度的實驗室分析方法。
5. 儲存量計算：說明如何利用採樣數據和土壤密度來計算土壤有機碳儲存量。

詳解：

土壤有機碳（Soil Organic Carbon, SOC）是土壤肥力、碳循環和氣候變遷研究中的重要指標。測量 SOC 的濃度和儲存量是評估土壤健康和碳匯潛力的基礎。

一、土壤有機碳濃度 (Soil Organic Carbon Concentration, SOCC) 的採樣與測定

1. 採樣目的與設計：
   • 目的：了解特定地點或區域土壤有機碳的含量。
   • 設計：根據研究目的，確定採樣範圍、採樣密度、採樣深度和採樣頻率。例如，研究耕作對 SOC 的影響，可能需要對不同耕作方式的樣區進行對比採樣；研究土壤剖面 SOC 垂直分布，則需進行分層採樣。
2. 採樣方法：
   • 採樣深度：最常見的是表層土壤（0-15 cm 或 0-30 cm），但也可能需要不同深度（如 0-10 cm, 10-30 cm, 30-60 cm 等）的樣品來分析垂直分布。
   • 採樣工具：土壤採樣器（如土鑽、環刀、鏟子等）。
   • 採樣方式：
     • 複合樣 (Composite Sample)：在一個採樣點或一個採樣區域內，隨機採集多個（通常 5-10 個）小樣，將它們混合均勻，然後取一部分作為代表性樣品。這種方法可以減少單一樣品的個體差異，提高結果的代表性。
     • 單一樣品 (Grab Sample)：直接採集單一樣品，適用於對空間變異性要求不高的初步調查。
   • 樣品處理：採集到的樣品應盡快送往實驗室。在實驗室，樣品通常需要：
     • 去除雜質（如石塊、植物殘體）。
     • 風乾（或低溫烘乾，以避免碳損失）。
     • 研磨至細粉狀（如通過 2 mm 或 0.2 mm 篩網）。
3. 測定方法：
   • 高溫燃燒法 (Combustion Method)：這是最常用和最準確的方法。將樣品在高溫（約 900-1000°C）下燃燒，將有機碳氧化成二氧化碳（CO$_2$），然後通過紅外線氣體分析儀（IRGA）或氣體層析儀（GC）測定 CO$_2$ 的含量，進而推算出有機碳含量。
     • 元素分析儀 (Elemental Analyzer)：將樣品在高溫下燃燒，自動測定碳和氮的含量。

本題考查學生對森林火燒對土壤性質影響的認識，這是一個重要的土壤生態學與森林經營學議題。

解題思路：

1. 理解火燒過程：首先要想像森林火燒時的物理和化學過程，高溫對土壤物質的影響。
2. 分類影響層面：將土壤性質分為物理、化學和生物三個主要方面，逐一分析火燒的影響。
3. 具體說明改變：針對每個方面，列舉出火燒可能導致的具體改變，並解釋原因。
4. 考慮影響因素：簡要提及火燒強度、頻率、土壤類型等因素會影響改變的程度。

詳解：

森林火燒是影響森林生態系統的重要干擾因素，它對土壤性質會產生一系列的短期和長期改變。這些改變取決於火燒的強度、頻率、持續時間、土壤類型、植被覆蓋以及氣候條件。

一、物理性質的改變

1. 土壤結構 (Soil Structure)：
   • 短期：高溫可能破壞土壤中的有機質，而有機質是維持土壤結構穩定性的關鍵。土壤團粒結構可能遭到破壞，導致土壤變得鬆散，容水容氣能力下降。
   • 長期：若火燒頻繁且強度大，土壤有機質持續流失，可能導致土壤結構退化，易於侵蝕。
2. 土壤溫度 (Soil Temperature)：
   • 短期：火燒會顯著提高土壤表層溫度。淺層土壤（幾公分內）的溫度可能在短時間內劇烈升高，足以殺死土壤微生物和植物種子。
   • 長期：火燒後植被覆蓋減少，土壤接受的太陽輻射增加，可能導致土壤溫度波動增大，尤其是在白天。
3. 土壤顏色 (Soil Color)：
   • 有機質的燃燒會使土壤顏色變淺，甚至呈現灰白色。
   • 高溫也可能導致土壤中的鐵氧化物發生變化，影響顏色。
4. 土壤水分 (Soil Moisture)：
   • 火燒初期，土壤表層有機質減少，可能降低土壤的持水能力。
   • 火燒後的土壤表面可能形成疏水層（hydrophobic layer），尤其是在高溫下有機質碳化後，這會顯著降低土壤對水的滲透性，導致地表徑流增加，加劇侵蝕。
5. 土壤密度 (Bulk Density)：
   • 有機質的燃燒會導致土壤體積收縮，可能使土壤體密度增加，尤其是在表層。

二、化學性質的改變

1. 土壤有機質 (Soil Organic Matter, SOM)：
   • 主要影響：火燒會直接燃燒消耗土壤表層的有機質，導致其含量顯著下降。燃燒的程度與火燒強度和有機質的分解程度有關。
   • 灰分：燃燒後剩餘的礦物質灰分（富含 P、K、Ca、Mg 等陽離子和微量元素）會殘留在土壤表面，短期內可能提高土壤養分含量。
2. 土壤 pH 值 (Soil pH)：

本題旨在探討長期施用化學肥料對土壤鹽化與酸化的影響機制。

解題思路：

1. 釐清概念：首先要理解「土壤鹽化」和「土壤酸化」的定義。
2. 分析化肥成分：了解常見化學肥料的成分，特別是那些容易導致鹽化和酸化的元素或化合物。
3. 機制解析：分別闡述化肥成分如何在土壤中引發鹽化和酸化的過程。
4. 綜合說明：總結化肥施用與土壤鹽化、酸化之間的關聯。

詳解：

長期施用化學肥料，尤其是氮肥和鉀肥，是導致土壤鹽化和酸化的主要原因之一。其機制如下：

一、土壤鹽化 (Soil Salinization)

土壤鹽化是指土壤中可溶性鹽分（如氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、碳酸鹽等）累積到一定程度，影響植物生長的現象。化學肥料導致鹽化的主要途徑：

1. 肥料本身的鹽分：
   • 許多化學肥料本身就是鹽類。例如，硫酸銨 ($(NH_4)_2SO_4$)、氯化鉀 (KCl)、硝酸鉀 (KNO$_3$)、尿素 (CO(NH$_2$)$_2$) 等，它們在水中溶解後會產生離子，這些離子積累在土壤溶液中，若水分蒸發大於淋洗，則鹽分濃度升高。
   • 特別是複合肥料，常含有多種鹽類成分。
2. 肥料轉化過程的副產物：
   • 某些肥料在土壤中的轉化過程也會產生鹽分。例如，尿素在土壤中水解後，會產生氨（$NH_3$）和碳酸銨（$(NH_4)_2CO_3$），這些物質在一定條件下會增加土壤的鹽分。
3. 影響水分平衡（間接）：
   • 當施肥量大於植物吸收和土壤淋洗能力時，鹽分就會在土壤表層或特定土層累積。在乾旱或半乾旱地區，水分蒸發強烈，地表鹽分容易隨水分上升而積聚，加劇鹽化。

二、土壤酸化 (Soil Acidification)

土壤酸化是指土壤溶液中氫離子（$H^+$）濃度增加，pH 值降低的過程。化學肥料導致土壤酸化的機制主要與氮肥的應用有關：

1. 銨態氮肥的水解和硝化作用：
   • 銨態氮肥的水解：施入土壤的銨態氮肥，如硫酸銨 ($(NH_4)_2SO_4$)、氯化銨 (NH$_4$Cl) 或尿素（水解後產生銨離子 $NH_4^+$），在土壤中會被微生物轉化（水解）產生 $NH_4^+$。
     $CO(NH_2)_2 + H_2O \rightarrow 2NH_3 + CO_2$
     $NH_3 + H_2O \rightarrow NH_4^+ + OH^-$

本題考查學生對「土壤質地」這一基本名詞的理解。

解題思路：

1. 定義：首先給出土壤質地的準確定義。
2. 組成成分：說明土壤質地是由哪些基本組成的。
3. 重要性：簡述土壤質地的意義和影響。

詳解：

土壤質地是指土壤中各粒徑大小的礦物顆粒（砂粒、粉砂粒、黏粒）的相對含量，是土壤最基本、最穩定的物理性質之一。

• 組成成分：土壤質地主要由三種粒徑的礦物顆粒決定：
  • 砂粒 (Sand)：粒徑範圍為 2.0 mm 至 0.05 mm (或 0.02 mm，依不同分類標準)。
  • 粉砂粒 (Silt)：粒徑範圍為 0.05 mm (或 0.02 mm) 至 0.002 mm。
  • 黏粒 (Clay)：粒徑小於 0.002 mm。

本題考查學生對土壤生成五大因子的記憶與理解。

解題思路：

1. 列出因子：直接列出公認的五大土壤生成因子。
2. 簡述各因子：對每個因子進行簡要的解釋，說明其在土壤形成過程中的作用。

詳解：

土壤生成（Soil formation）是指土壤從母質經過一系列物理、化學和生物過程，逐步發育形成一個複雜的、具有特定結構和性質的系統的過程。美國土壤學家 Hans Jenny 在 1941 年提出了土壤形成因子的概念，認為土壤 (S) 是時間 (t)、母質 (m)、氣候 (cl)、生物 (o) 和地形 (r) 的函數，即：
$S = f(cl, m, o, r, t)$
這五個因子共同作用，決定了土壤的類型、性質和分布。

土壤生成五大因子：

1. 母質 (Parent Material, m)：

   • 定義：指形成土壤的原始物質，可以是岩石風化物、殘積物、坡積物、沖積物、海積物、冰磧物等。
   • 作用：母質決定了土壤的礦物組成、顆粒大小、陽離子交換量、pH 值等基本性質，是土壤形成最初的物質基礎。例如，花崗岩風化形成的土壤通常較砂質、酸性；石灰岩風化形成的土壤則較黏質、鈣質。

2. 氣候 (Climate, cl)：

   • 定義：包括溫度、降水量、蒸發量、風等氣象要素。
   • 作用：氣候是影響土壤發育最重要的動力因子。
     • 溫度和降水：影響風化作用的強度、有機質的分解速率、淋洗作用的程度、土壤水分的有效性等。例如，高溫高濕的熱帶地區，風化和淋洗作用強，易形成成熟、養分淋失嚴重的土壤（如 Ultisols）；乾旱地區則易形成鹽鹼土（如 Aridisols）。
     • 溫度和降水也影響植被類型。

3. 生物 (Organisms, o)：

   • 定義：包括植物、動物、微生物（細菌、真菌、藻類等）以及人類活動。

本題考查學生對「有機物礦化作用」的定義和意義的理解。

解題思路：

1. 定義：首先給出礦化作用的準確定義，強調其核心內容。
2. 過程與產物：描述礦化作用的具體過程，以及產生的最終產物。
3. 作用與意義：說明礦化作用在土壤生態系統中的重要性。
4. 相關概念：可與腐爛作用 (Decomposition) 或其他相關概念稍作區別。

詳解：

有機物礦化作用 (Mineralization) 是指土壤微生物（主要是細菌和真菌）將複雜的有機物分解為簡單的無機物（礦物質）的過程。這個過程是土壤肥力維持和養分循環的關鍵環節。

• 過程：

  • 土壤中的有機物，如動植物殘體、死亡的微生物等，首先被微生物分解（腐爛作用，Decomposition）。
  • 在分解過程中，有機物中的碳、氮、磷、硫等元素逐漸被轉化。
  • 當這些元素被轉化為無機形態時，這個過程就被稱為礦化。

• 產物：

  • 碳循環：有機碳被分解為二氧化碳（CO$_2$），釋放到大氣中。這是碳礦化的主要形式。
  • 氮循環：有機氮被轉化為銨離子（$NH_4^+$）。這是氮礦化。
    $R-NH_2 \rightarrow NH_3 + H_2O \rightarrow NH_4^+$

本題考查學生對「土壤水分勢能」的定義、組成及其意義的理解。

解題思路：

1. 定義：首先給出土壤水分勢能的準確定義，強調其物理意義。
2. 組成成分：說明土壤水分勢能是由哪些分勢（勢能組分）組成的。
3. 各分勢的意義：簡要解釋每個分勢的來源和影響。
4. 總勢能的計算：給出總勢能的計算公式。
5. 重要性：說明土壤水分勢能對水分運動和植物吸水的意義。

詳解：

土壤水分勢能 (Soil Water Potential, $\Psi_w$ 或 $\Phi_w$) 是指單位質量（或體積、莫耳數）的水在土壤中移動時，由於其所處的勢能狀態不同，而可能對外界做的功。它是一個衡量土壤水分狀態的指標，也代表了土壤對水分的「吸引力」或「持有力」。水的移動方向總是從勢能高的地方流向勢能低的地方。

土壤水分勢能是一個複合的概念，主要由以下幾個分勢（或稱勢能組分）組成：

$\Psi_w = \Psi_s + \Psi_m + \Psi_p + \Psi_t$
其中：

• $\Psi_w$：總水分勢能 (Total Water Potential)
• $\Psi_s$：溶質勢能 (Solute Potential) 或滲透勢能 (Osmotic Potential)
• $\Psi_m$：基質勢能 (Matric Potential) 或稱吸力勢能 (Adhesion Potential)
• $\Psi_p$：壓力勢能 (Pressure Potential) 或稱靜水壓力勢能 (Hydrostatic Potential)
• $\Psi_t$：重力勢能 (Gravitational Potential) (在某些情況下會包含，但常被忽略或合併討論)

各分勢的意義：

1. 溶質勢能 ($\Psi_s$)：

   • 來源：土壤溶液中溶解的各種鹽類和有機物。
   • 意義：溶液中的溶質會降低水的化學勢，使其勢能降低。溶質濃度越高，$\Psi_s$ 的絕對值越大（越負），水的勢能越低。這也是植物根系吸水時面臨的滲透壓的主要來源。在純水中，$\Psi_s = 0$。

2. 基質勢能 ($\Psi_m$)：

   • 來源：土壤顆粒表面的吸附力（附著力 Adhesion）和土壤細小孔隙中的毛細管作用（內聚力 Cohesion）。
   • 意義：土壤顆粒對水的吸附以及細小孔隙對水的束縛力，使得水分子在土壤中的勢能降低。土壤越乾燥，細小孔隙越發達，水分被束縛得越緊，$\Psi_m$ 的絕對值越大（越負）。這是土壤保水能力的主要體現，也是植物通過根系吸水時需要克服的主要阻力。