113 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》

本題主要在探討土壤形成的五大因子及其相互關係，並進一步思考人為因子對土壤生成過程的影響。

土壤生成（Soil formation）是指土壤從無到有，經過一系列物理、化學、生物過程而逐漸形成的過程。這個過程受到五大主要因子的影響，即：母質（Parent material）、氣候（Climate）、生物（Organisms）、地形（Topography），以及時間（Time）。

1. 母質 (Parent material, PM)：土壤的原始物質來源，決定了土壤的礦物組成、質地、化學性質以及初始的腐殖質含量。例如，花岡岩母質形成的土壤通常質地較粗，酸性較強；石灰岩母質形成的土壤則可能質地較細，pH值較高。
2. 氣候 (Climate, Cl)：氣候是影響土壤化育最重要的外部因子之一，主要透過溫度和降水兩個要素作用。高溫高濕的氣候促進有機質分解和礦物風化，加速土壤發育；乾燥寒冷的氣候則會減緩這些過程，可能導致鹽分累積或永久凍土的形成。降水影響土壤水分狀況、淋溶作用、侵蝕作用等。
3. 生物 (Organisms, O)：包括地表植物、動物、微生物等。植物提供有機質，其根系有助於風化母質、改善土壤結構；動物（如蚯蚓）有助於土壤混合和通氣；微生物則分解有機質，參與養分循環。
4. 地形 (Topography, R for Relief)：地形影響日照、溫度、濕度、降水以及地表徑流。坡度、坡向和坡位會影響土壤的侵蝕、堆積、水分的滲透與蒸發，進而影響土壤的發育速度、厚度和排水狀況。例如，山頂和陽坡通常土壤較薄，而山谷和陰坡則可能土壤較厚、較濕潤。
5. 時間 (Time, T)：土壤的發育是一個漫長而漸進的過程。隨著時間的推移，土壤各層（土層剖面）會逐漸發育完善，養分逐漸累積，結構逐漸形成。年輕的土壤（如新沖積土）通常發育程度較低，而古老的土壤（如古土壤）則可能具有複雜的土層結構和豐富的化育特徵。

本題要求解釋森林碳循環的概念，並繪製圖示，最後需詳細說明兩種與土壤相關的碳循環過程。

森林碳循環 (Forest Carbon Cycle)
森林碳循環是指森林生態系統中，碳元素在生物圈、大氣圈、水圈和岩石圈之間進行交換、轉化和儲存的過程。森林是地球上重要的碳匯（carbon sink），能夠吸收大量的二氧化碳，並透過光合作用將其轉化為有機物儲存起來，有效減緩大氣中二氧化碳濃度的上升。

森林碳循環示意圖 (繪圖)
（由於此處無法實際繪製圖形，故以文字描述圖示內容，請參閱下方說明）

• 圖示元素：

  • 大氣 (Atmosphere)：代表大氣中的二氧化碳 ($CO_2$)。
  • 森林植被 (Forest Vegetation)：代表樹木（樹幹、樹枝、樹葉、根系）。
  • 土壤 (Soil)：代表土壤中的有機質、微生物、根系。
  • 箭頭 (Arrows)：表示碳元素的流動方向和過程。

• 圖示說明 (文字敘述)：

  1. 二氧化碳吸收：大氣中的 $CO_2$ 透過植物葉片的氣孔，被森林植被透過光合作用 (Photosynthesis) 吸收，轉化為有機碳（如葡萄糖）。
     • 箭頭：從大氣 $CO_2$ 指向森林植被。
  2. 碳儲存於植被：吸收的碳以有機物的形式儲存在樹幹、樹枝、樹葉和根系等植被結構中。
  3. 碳釋放 (呼吸作用)：森林植被透過呼吸作用 (Respiration) 將部分有機碳釋放回大氣，形式為 $CO_2$。
     • 箭頭：從森林植被指向大氣 $CO_2$。
  4. 碳轉移至土壤：
     • 凋落物 (Litterfall)：森林植被的葉片、枝條等死亡後掉落至地表，形成凋落物，將碳轉移至土壤。
       • 箭頭：從森林植被指向土壤。
     • 根系死亡與分泌物：植物根系死亡或分泌物也會將碳轉移至土壤。
       • 箭頭：從森林植被（根部）指向土壤。
  5. 土壤中的碳循環：
     • 有機質分解：土壤中的微生物（細菌、真菌）分解凋落物和死亡的根系，將有機碳分解為無機碳（$CO_2$）釋放回大氣，或轉化為土壤有機質（腐殖質）。
       • 箭頭：從土壤有機質/微生物指向大氣 $CO_2$。
       • 箭頭：表示碳在土壤有機質中儲存或轉化。
     • 土壤呼吸 (Soil Respiration)：土壤中的微生物和根系呼吸作用釋放 $CO_2$。
       • 箭頭：從土壤指向大氣 $CO_2$。

本題旨在探討土壤質地對各種土壤性質的影響，特別是當土壤質地趨向黏質時，這些性質的變化趨勢及其原因。

土壤質地 (Soil Texture)
土壤質地是指土壤中砂粒（sand）、粉砂（silt）和黏粒（clay）三種礦物顆粒的相對比例。這三種顆粒的大小範圍分別是：

• 砂粒：直徑 2.0 至 0.02 毫米
• 粉砂：直徑 0.02 至 0.002 毫米
• 黏粒：直徑小於 0.002 毫米

土壤質地是土壤最基本、最穩定的物理性質之一，它直接影響土壤的許多其他物理和化學性質。

土壤質地對下列性質的影響（當土壤質地愈黏時，性質的變化趨勢與理由）

當土壤質地愈黏（即黏粒比例愈高），砂粒和粉砂比例相對降低時，上述性質的變化如下：

1. Percent of organic matter (有機質百分比)：

   • 趨勢：當土壤質地愈黏時，有機質百分比可能愈高。
   • 理由：黏粒顆粒表面積非常大，且帶有負電荷，能夠吸附和結合有機質分子（特別是腐殖質）。這種物理和化學上的吸附作用，能夠保護有機質免受微生物的快速分解，使其在土壤中累積。此外，黏粒顆粒之間緊密的排列，也可能限制氧氣的擴散，進一步減緩好氧微生物的分解作用。因此，黏質土壤通常比砂質土壤有更高的有機質含量。

2. Speed of drainage (排水速度)：

   • 趨勢：當土壤質地愈黏時，排水速度愈小（愈慢）。
   • 理由：黏粒顆粒非常細小，使得黏質土壤的孔隙（特別是微孔隙）體積比例較大，而大孔隙（macropores）的比例較小。小孔隙的毛細管作用會增強對水分的吸附力，使得水分難以自由流動。同時，細小顆粒緊密堆積，也阻礙了水分的快速滲透。相較之下，砂質土壤因顆粒大、孔隙大，排水速度快。

3. Swelling potential (膨脹潛力)：

   • 趨勢：當土壤質地愈黏時，膨脹潛力愈大。
   • 理由：黏粒主要由黏土礦物組成，這些礦物具有層狀結構，層間可以吸附水分。當水分進入黏土礦物層間時，會導致層間距離擴大，體積膨脹。黏粒比例越高，土壤的膨脹潛力就越大。這種性質在某些高嶺土、蒙脫石等黏土礦物含量高的土壤中尤為顯著。

本題探討森林火燒對土壤及森林生態系統各項性質的影響。森林火燒是一種劇烈的干擾，會對植被、土壤有機質、養分循環、水文特性等產生深遠的影響。

森林火燒過後，各性質的改變與影響

1. 森林枯落物層碳儲存量：

   • 改變：(a) 減少
   • 說明：森林火燒最直接的影響是燃燒地表的枯落物層（落葉、落枝、草本植物殘體等）。大部分有機質被氧化成二氧化碳 ($CO_2$) 和水釋放到大氣中，導致枯落物層的碳儲存量急劇減少。

2. 森林地上部林木生物量：

   • 改變：(a) 減少
   • 說明：火燒可能直接燒死地表的林木，或對樹皮、樹冠造成嚴重損傷，導致樹木死亡。即使樹木未立即死亡，火燒也會削弱其生長能力，並增加其遭受病蟲害侵襲的風險。因此，火燒後地上部的林木生物量會顯著減少。

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

   • 改變：(a) 減少
   • 說明：淨初級生產力是指植物透過光合作用固定的總碳量減去呼吸作用消耗的碳量。火燒會移除植被，破壞葉片結構，影響光合作用的進行。同時，土壤養分的流失（特別是氮）和結構的破壞，也會限制植物的生長和恢復能力。因此，火燒後短期內森林的淨初級生產力會顯著下降。

4. 土壤無機態氮量：

   • 改變：(a) 減少
   • 說明：有機氮是土壤總氮的主要形式。森林火燒會高溫分解地表的枯落物和土壤表層的有機質，將有機態氮轉化為揮發性的氮氧化物（如 $N_2O$）和氨氣 ($NH_3$)，這些氣體會隨高溫逸散到大氣中，導致土壤中無機態氮（如銨態氮 $NH_4^+$、硝態氮 $NO_3^-$）的總量減少。雖然燃燒初期可能因有機質分解而短期內銨態氮增加，但長期來看，由於總氮輸入減少和淋溶損失增加，無機態氮總量會減少。

5. 土壤有效性磷含量：

   • 改變：(b) 增加
   • 說明：磷在有機物中的含量相對較低，且不易揮發。火燒時，地表有機物的燃燒會將有機態磷轉化為無機態磷。同時，高溫可能改變土壤中磷的化學形態，使其從不易溶解的形態轉變為更易溶於水的形態，或者從有機質中釋放出來。因此，火燒後短期內土壤有效性磷含量通常會暫時增加。但長期來看，若磷的淋溶作用強烈，也可能造成損失。

本題要求解釋五個與森林土壤學相關的重要名詞。

名詞解釋

1. CEC (Cation Exchange Capacity, 陽離子交換能力)

   • 定義：土壤膠體（主要是土壤有機質和黏粒）能夠吸附和交換的陽離子總量，通常以每單位質量或每單位體積土壤所能交換的陽離子毫當量 (meq) 或毫摩爾 (mmol) 來表示。
   • 重要性：CEC 是衡量土壤養分保持能力的重要指標。CEC 越高的土壤，能夠吸附和儲存越多的陽離子養分（如 $K^+$、$Ca^{2+}$、$Mg^{2+}$、$NH_4^+$），減少養分流失，並提供植物易於吸收的養分來源。通常，黏粒含量高、有機質含量高的土壤，CEC 也較高。

2. Soil organic carbon stock (土壤有機碳儲量)

   • 定義：指在特定土壤體積或質量中，所儲存的有機碳的總量。它通常以每公頃（或每平方米）土壤的碳質量（如噸/公頃）來計算，並需要指定土壤深度（如 0-30 公分、0-100 公分）。
   • 計算：土壤有機碳儲量 = 土壤體積 × 土壤容重 × 土壤有機質含量 × 有機碳比例（通常為 0.58）。
   • 重要性：土壤有機碳是土壤肥力、結構、保水保肥能力和生物活性的重要基礎。同時，土壤也是地球上最大的陸地碳庫之一，土壤有機碳儲量的變化對全球碳循環和氣候變化具有重要影響。

3. Water potential (水分勢)

   • 定義：水分勢是指單位質量的水在某種條件下所具有的勢能，它代表了水從某一點向另一個點移動的驅動力。在土壤中，水分勢主要由以下幾個分量組成：
     • 基質勢 (Matric potential, $\psi_m$)：由於土壤顆粒表面對水分的吸附力（毛細管力）引起的水勢降低。在乾燥土壤中，基質勢是主要的。
     • 溶質勢 (Solute potential, $\psi_s$)：由於土壤溶液中溶解的溶質（如鹽類、養分）對水分的吸引力引起的水勢降低。
     • 重力勢 (Gravitational potential, $\psi_g$)：由於重力作用引起的水勢變化，通常隨高度變化。
     • 壓力勢 (Pressure potential, $\psi_p$)：在飽和土壤中，水體受到的靜水壓力。
   • 土壤水勢 (Soil water potential, $\psi_w$)：通常表示為 $\psi_w = \psi_m + \psi_s + \psi_p + \psi_g$。