112 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》

此題主要考驗學生對全球碳循環中各儲庫（大氣、植生、土壤）的碳量大小，以及不同生態系統和不同來源有機物的土壤有機碳含量與特性。

(1) 全球碳儲庫的比較：
一般而言，土壤有機碳是地球上最大的陸地碳儲庫，其儲量遠超過大氣中的碳和所有植被的總碳量。大氣碳儲量約為 $800 \times 10^{15}$ g C，植生碳儲量約為 $550 \times 10^{15}$ g C，而土壤有機碳儲量則估計約為 $1500 \times 10^{15}$ g C，甚至更高。因此，土壤有機碳量最高。
【答案】(c) 土壤有機碳量

(2) 森林土壤有機碳含量：
在一般森林土壤（非水域、無強烈人為干擾）的 0-100 cm 深度範圍內，土壤有機碳含量會因氣候、植被類型、土壤生成條件等因素而有很大差異。然而，題目給的選項範圍很廣。一般而言，較肥沃、生產力較高的森林土壤，其有機碳含量會相對較高。選項 (a) 10 ton C ha⁻¹ 偏低，(d) 1000 ton C ha⁻¹ 偏高，除非是極特殊的泥炭地或高有機質堆積層。常見的森林土壤在 0-30 cm 深度，有機碳含量約在 20-100 ton C ha⁻¹ 之間；若考慮到 100 cm 的深度，雖然有機質含量會隨深度遞減，但平均值落在 100 ton C ha⁻¹ 左右是比較合理的估計範圍。國際上一些研究也顯示，全球森林土壤有機碳儲量平均約為 1500 Pg C (1 Pg = $10^{15}$ g)，若以 1 m 土壤深度計算，相當於平均每公頃約 100-200 ton C ha⁻¹。因此，100 ton C ha⁻¹ 是比較符合一般情況的估計值。
【答案】(b) 100 ton C ha⁻¹

(3) 生態系統土壤有機碳比例比較：
生態系統的碳量分配比例會因生產力、分解速率、氣候條件（溫度、濕度）等而異。
(a) Boreal forest（北方寒帶森林）：氣候寒冷，分解速率慢，有機物容易累積，土壤有機碳佔比較高。

本題旨在評估考生對土壤有機碳定量研究的完整流程的理解，包含野外採樣技術、實驗室分析方法以及數據計算。

土壤有機碳量（Soil Organic Carbon, SOC）的野外採樣、室內分析與計算流程，以溪頭柳杉造林地（土壤深度約 50 公分）為例，說明如下：

一、 野外採樣 (Field Sampling)

1. 目的與策略設定：

   • 確定研究區域（溪頭柳杉造林地）的範圍和變異性。
   • 設定採樣目標：是評估平均 SOC 含量、探討空間變異，還是監測變化？
   • 根據研究目標，決定採樣設計：
     • 系統採樣 (Systematic Sampling)： 在區域內設置固定網格，依序採樣。
     • 隨機採樣 (Random Sampling)： 在區域內隨機決定採樣點。
     • 分層隨機採樣 (Stratified Random Sampling)： 根據土壤類型、地形、植被密度等分層，在各層內進行隨機採樣，以減少變異性，提高代表性。對於有明顯變異的區域（如坡地），此法較適用。

2. 採樣工具與方法：

   • 採樣器 (Soil Auger/Corer)： 使用螺旋式採樣器 (soil auger) 或環刀 (core sampler) 來獲取特定體積的土壤。對於 50 公分的深度，需要足夠長的採樣器。
   • 採樣深度控制： 嚴格控制採樣深度為 0-50 公分。若研究需要分層（如 0-10 cm, 10-30 cm, 30-50 cm），則需使用不同長度的採樣器或分段採樣。
   • 樣品收集：
     • 在每個採樣點，使用採樣器鑽取至 50 公分深。
     • 將鑽取出的土壤依序收集，若需分層，則分開收集。
     • 為確保代表性，可在每個採樣點進行 複合樣品 (Composite Sample) 的製作：在一個預設區域（如 10x10 m 或 20x20 m）內，採集數個（例如 5-10 個）獨立的土壤核心，將它們均勻混合後，再取出一部分作為該點的代表性樣品。
   • 樣品處理與記錄：
     • 將採集的土壤樣品放入乾淨的塑膠袋或容器中，標記清楚採樣點的編號、日期、深度、GPS 座標等資訊。
     • 若需進行體積密度 (bulk density) 的測量，可使用環刀法：將已知體積的環刀敲入土壤中，取出後刮平兩端，稱重後計算體積密度。

3. 樣品保存：

   • 採集後的樣品應盡快送至實驗室。
   • 在運送和儲存過程中，應避免樣品乾燥或污染。可將樣品冷藏（4°C）或冷凍，以減緩有機質的分解。

二、 室內分析 (Laboratory Analysis)

1. 樣品前處理：

   • 風乾 (Air-drying)： 將樣品在室溫下自然風乾，或在低溫烘箱（約 40°C）中烘乾。
   • 過篩 (Sieving)： 將風乾後的土壤通過特定孔徑的篩網（如 2 mm 或 0.25 mm），分離出細土顆粒。通常碳含量分析是以細土為基礎。
   • 去除雜質： 清除樣品中的植物殘體、石塊等非土壤物質。

2. 土壤有機碳含量分析 (Soil Organic Carbon Content Analysis)：

   • 燃燒法 (Combustion Method)： 這是最常用且準確的方法。
     • 高溫燃燒法 (High-temperature Combustion)： 使用元素分析儀 (Elemental Analyzer, EA) 或紅外線碳分析儀 (Infrared Carbon Analyzer) 進行。將樣品在高溫（約 900-1200°C）下燃燒，將有機碳氧化成 CO₂，然後測量釋放出的 CO₂ 量。這是目前最標準的方法。
     • 乾法燃燒 (Dry Combustion)： 類似高溫燃燒，通常用於特定儀器。
   • 濕法化學氧化法 (Wet Chemical Oxidation)： 例如重鉻酸鉀法 (Walkley-Black method)。此法相對較簡單，但準確度較低，且不能完全氧化所有有機碳，通常低估 SOC 含量。不建議用於精確計算。

3. 土壤有機質含量分析 (Soil Organic Matter Content Analysis)：

本題考查學生對增加土壤有機碳（SOC）儲量的管理措施及其背後機制的理解。土壤有機碳吸存是指將大氣中的碳通過植被光合作用轉化為有機物，並最終儲存在土壤中的過程。

以下舉出兩個可以增加土壤有機碳吸存的操作及其機制：

操作一： 減少耕作強度或改採免耕/少耕 (Reduced Tillage/No-Till Farming)

• 機制：
  1. 減少有機質分解： 傳統的翻耕（如犁地）會將土壤深處的有機質翻到表層，並與土壤充分混合，同時破壞土壤結構，增加土壤與空氣的接觸，加速微生物活動，從而顯著提高有機質的分解速率，導致 SOC 流失。免耕或少耕則能最大限度地減少對土壤結構的破壞，降低有機質與氧氣的接觸，抑制微生物活動，減緩有機質分解，使輸入土壤的有機物能更有效地轉化為穩定的 SOC 儲存起來。
  2. 增加殘體輸入： 免耕操作允許作物殘茬（如秸稈、根系）在土壤表面累積，這些殘茬經過分解後，為土壤提供了更多的碳源。同時，免耕也有利於地表覆蓋，減少土壤侵蝕，進一步保護已累積的 SOC。
  3. 根系固碳： 即使在免耕狀態下，植物的根系活動（生長、死亡、分泌物）也是 SOC 的重要來源。免耕有利於維持土壤結構，可能促進根系向更深層發展，增加深層土壤的有機碳輸入。

操作二： 增加植被覆蓋與生物量輸入 (Increased Vegetation Cover and Biomass Input)，例如：
* 種植綠肥 (Cover Cropping)
* 施用有機肥 (Application of Organic Fertilizers/Manures)

本題主要考查學生對土壤學中幾個核心基本概念的理解與定義能力。

(1) 土壤質地 (Soil Texture)

• 定義： 土壤質地是指土壤中不同粒徑的礦物顆粒（砂粒、粉砂粒、黏粒）的相對比例。
• 說明： 這是土壤最基本的物理性質之一，對土壤的物理、化學和生物性質有著決定性的影響。
  • 砂粒 (Sand)： 直徑 2.0 - 0.05 mm
  • 粉砂粒 (Silt)： 直徑 0.05 - 0.002 mm
  • 黏粒 (Clay)： 直徑 < 0.002 mm
    通過測量這三種粒級的百分比，可以將土壤劃分為不同的質地類別，如砂質土、壤土、黏質土等。土壤質地決定了土壤的保水性、保肥性、通氣性、滲透性以及可耕性等。

(2) 粘聚層 (Argillic Horizon)

• 定義： 粘聚層是土壤剖面中一個具有明顯的、由黏粒（或由黏粒和有機質組成的物質）沉積而形成的層位，其特徵是黏粒含量顯著高於其上層土壤。
• 說明：
  • 在土壤發生學上，粘聚層（標記為 Bt 層）是判斷土壤發育程度的重要指標之一。
  • 其形成機制通常是上層土壤的黏粒在水的作用下淋溶下來，並在該層位沉積。
  • 粘聚層的特徵包括：
    • 黏粒含量比其上層（A 層或 E 層）高出至少 20%（相對百分比）。
    • 通常具有明顯的紋理特徵，如斑紋 (mottles)、黏盤 (clay skins) 或條帶 (strikings)。
    • 其質地通常為黏質或粉砂黏質。

(3) 黏土礦物 (Clay Mineral)

• 定義： 黏土礦物是土壤中粒徑小於 0.002 mm 的無機礦物顆粒，它們通常具有層狀結構，由矽氧四面體片 (silica tetrahedral sheets) 和鋁氧八面體片 (alumina octahedral sheets) 疊加而成。
• 說明：
  • 黏土礦物與其他土壤顆粒（砂、粉砂）不同，它們具有較大的比表面積 (specific surface area) 和豐富的表面電荷，這使得它們對土壤的陽離子交換容量 (CEC)、保水保肥能力、黏結性、脹縮性等有著極其重要的影響。
  • 常見的黏土礦物包括：

本題旨在評估考生對森林火燒對森林生態系統地上部和地下部影響的綜合理解，包括碳循環、生產力、土壤養分動態以及土壤有機質的轉化。

森林火燒是一種劇烈的干擾，對森林生態系統的結構和功能產生深遠影響。

森林火燒對地上部與地下部的影響：

(1) 地上部森林枯落物層碳量、森林地上部林木生物量與森林淨初級生產力如何受到火燒影響？(8pts)

• 枯落物層碳量 (Litter Carbon Stock)：

  • 影響： 火燒會直接燃燒地表的枯落物層，導致其碳量急劇下降。燃燒的強度決定了枯落物損失的比例，強火燒可能完全燒毀枯落物層，弱火燒則可能只燃燒部分表層。
  • 結果： 枯落物層碳量顯著減少，其儲存的碳被釋放到大氣中（以 CO₂ 和其他氣體的形式）。

• 地上部林木生物量 (Aboveground Forest Biomass)：

  • 影響： 火燒會對地上部林木造成不同程度的傷害。
    • 弱火燒/低強度火燒： 可能只燒毀樹皮、下層植被和部分枝葉，對大樹的結構性生物量影響較小，但可能會造成樹冠層的損失。
    • 中強度火燒： 可能導致樹皮嚴重受損，樹幹燒傷，部分枝葉死亡，甚至導致部分樹木死亡。
    • 強火燒/高強度火燒： 可能導致樹木完全燃燒，或因高溫導致樹幹結構破壞而死亡。
  • 結果： 總體而言，火燒會導致地上部林木生物量減少，特別是當火燒強度較高時，大量樹木死亡或被摧毀，生物量損失嚴重。

• 森林淨初級生產力 (Net Primary Productivity, NPP)：

  • 影響： 火燒對 NPP 的影響是複雜且階段性的。
    • 短期（火燒後立即至幾年內）： 由於植被（樹木、灌木、草本）的損失和受損，以及土壤養分的流失（短期內），NPP 會顯著下降。
    • 長期（恢復階段）： 經過一段時間後，森林開始恢復。如果火燒促進了某些先前被抑制的物種（如某些耐火或喜陽的物種）的生長，或者清除了過密的競爭者，並且土壤養分（經過礦化）得到補充，那麼 NPP 可能會恢復甚至超過火燒前的水平。然而，如果火燒強度極大，導致土壤嚴重退化或植被更新困難，NPP 的恢復將非常緩慢。
  • 結果： 火燒後短期內 NPP 大幅下降，長期恢復情況取決於火燒強度、恢復能力和後續管理。

(2) 地下部土壤無機態氮濃度、土壤有效性磷含量、土壤 pH 與鹽基飽和度如何受到火燒影響？(8pts)

• 土壤無機態氮濃度 (Soil Inorganic Nitrogen Concentration)：

  • 影響： 火燒會燃燒地表的有機質，其中含有大量的有機態氮。高溫會導致有機態氮直接以氣體形式（如 N₂、NH₃、NOx）揮發散失。同時，火燒也會礦化一部分土壤有機質，釋放出無機態氮（如 NH₄⁺ 和 NO₃⁻）。
  • 結果： 短期內，由於揮發散失，土壤有機態氮和總氮含量會顯著下降。但由於有機質的燃燒和部分有機態氮的礦化，土壤表層的無機態氮（特別是 NH₄⁺）可能會暫時升高，但隨後因淋溶或反硝化作用而流失。長期來看，由於有機氮輸入減少，土壤總氮和有機氮含量會降低，進而影響無機態氮的供應。

• 土壤有效性磷含量 (Soil Available Phosphorus Content)：

  • 影響：

本題考查學生對森林生態系統中碳循環和氮循環長期變化的理解，特別是與過去 50 年相比的差異，以及背後的原因和影響。這涉及到全球變化（如氣候變遷、人為活動）對生態系統養分循環的影響。

相較於 50 年前，現今森林生態系統碳循環與氮循環過程的差異：

一、 碳循環 (Carbon Cycle)

主要差異：
現今森林生態系統的碳循環，受到更大程度的全球變化（如氣候變遷、大氣 CO₂ 濃度升高、土地利用變化）的影響，導致碳的吸收、轉化、儲存和釋放的速率和模式發生顯著變化。

兩個例子：

1. 差異： 森林碳匯能力變化（可能增強也可能減弱，受區域差異影響）

   • 差異原因：
     • 大氣 CO₂ 濃度升高 (CO₂ Fertilization Effect)： 過去 50 年來，人類活動導致大氣 CO₂ 濃度持續升高。對於許多森林生態系統，特別是那些養分（尤其是氮）不嚴重限制光合作用的地區，較高的 CO₂ 濃度可以刺激植物的光合作用，增加碳的吸收量，從而增強森林的碳匯能力。
     • 氣候變遷 (Climate Change)： 全球暖化導致氣溫升高，降雨模式改變。在某些地區，暖化和延長的生長季可能有利於碳吸收（例如北方森林）。然而，在另一些地區，乾旱、熱浪、極端天氣事件的頻率和強度增加，則會抑制光合作用，增加碳的釋放（如樹木死亡、火災、病蟲害爆發），甚至使森林從碳匯轉變為碳源。
   • 可能影響：
     • 增強碳匯： 部分森林可能吸收了更多的大氣 CO₂，有助於減緩全球暖化的速度。
     • 減弱碳匯或轉變為碳源： 由於乾旱、熱浪、病蟲害等極端事件的增加，森林的碳儲存能力下降，甚至釋放儲存的碳，加速氣候變遷。例如，近年來某些地區的森林因乾旱和高溫導致大規模死亡，成為碳排放源。

2. 差異： 土壤有機碳儲存的動態變化（複雜且具不確定性）

   • 差異原因：
     • 溫度和濕度變化： 氣候變遷導致全球許多地區氣溫升高，土壤水分條件改變。高溫通常會加速土壤有機質的分解，增加 CO₂ 的釋放。然而，在某些高緯度或高海拔地區，溫度升高可能解凍永久凍土，釋放大量儲存的有機碳，但同時也可能使植被生長條件改善，增加碳輸入。濕度變化（乾旱或過濕）也會顯著影響微生物活性和分解速率。
     • 土地利用和管理變化： 過去 50 年，全球土地利用方式發生巨大變化，包括農業集約化、森林砍伐、再造林、城市化等。這些變化直接影響土壤有機碳的輸入（如作物殘茬、森林凋落物）和輸出（如耕作、採伐）。例如，集約化農業可能導致土壤有機碳流失，而某些地區的再造林計畫則有助於增加土壤有機碳儲存。
   • 可能影響：
     • 土壤碳庫的釋放： 如果分解速率大於輸入速率，土壤有機碳庫可能會減少，釋放 CO₂ 到大氣中，形成正回饋，加速氣候變遷。
     • 土壤碳庫的增加： 在某些地區，由於植被恢復、土地管理改善或 CO₂ 施肥效應，土壤有機碳儲存可能增加，吸收更多大氣碳。