114 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的電荷特性及其來源，並比較不同土壤質地與土壤種類的電荷差異。

(1) 土壤的帶電性是指土壤顆粒表面所帶的電荷，這對土壤的物理、化學性質有重要影響，例如離子交換能力、養分吸附能力、土壤結構穩定性等。土壤顆粒主要帶兩種電荷：負電荷和正電荷。
電荷的主要來源包括：

• 永久性負電荷 (Permanent Negative Charge)：主要來自於黏粒礦物的層間取代，例如矽鋁層中的 Al$^{3+}$ 被 Mg$^{2+}$ 取代，或矽鋁層中的 Si$^{4+}$ 被 Al$^{3+}$ 取代，這會導致黏粒礦物表面產生永久性的負電荷。
• 變異性電荷 (Variable Charge)：主要來自於土壤有機質和部分黏粒礦物（如氧化物、氫氧化物）表面的官能基，如羧基 (–COOH) 和酚基 (–OH) 等。這些官能基的質子解離程度受溶液 pH 值影響，pH 值升高時，質子解離增加，產生負電荷；pH 值降低時，質子解離減少，甚至可能質子化，產生正電荷。在酸性土壤中，氧化物表面可能帶正電荷。

(2) 不同土壤質地與土壤有機物在電荷上存在差異：

• 砂粒 (Sand)：主要由石英等穩定礦物組成，表面光滑，不帶或僅帶極少量永久性電荷。其比表面積小，變異性電荷也很少，因此總電荷量最低。
• 粉粒 (Silt)：主要由較細的岩石碎屑和礦物組成，比表面積介於砂粒和黏粒之間。部分粉粒礦物可能帶少量永久性電荷，但變異性電荷也相對較少。
• 黏粒 (Clay)：主要由黏粒礦物（如蒙脫石、伊利石、高嶺石等）組成。黏粒礦物具有較大的比表面積，且由於層間取代，帶有顯著的永久性負電荷。此外，黏粒礦物表面也存在變異性電荷。因此，黏粒的總電荷量遠高於砂粒和粉粒。
• 土壤有機物 (Soil Organic Matter, SOM)：有機質具有極大的比表面積和豐富的官能基（如羧基、酚基），因此帶有大量的變異性電荷。在大多數土壤 pH 值範圍內，有機質主要帶負電荷。土壤有機質的電荷密度（單位重量的電荷量）通常高於礦物黏粒。

本題要求繪製森林碳循環圖並說明其機制。森林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。

森林碳循環圖 (簡化示意)

       大氣 CO2
         ↑↓
      光合作用 (吸收 CO2)
         ↓
     森林生物量 (樹木、植被)
     /     |     \
    /      |      \
   /       |       \
  /        |        \
 呼吸作用  死亡     根系分泌物/凋落物
 (釋放CO2)  (有機物)     (進入土壤)
    ↓        ↓          ↓
   土壤有機質 (腐殖質、分解)
     /   \
    /     \
   呼吸作用  反硝化作用 (若有厭氧條件)
 (釋放CO2)  (釋放 CO2/N2O)

五種碳循環機制或過程說明：

1. 光合作用 (Photosynthesis)：這是森林吸收大氣中二氧化碳的主要途徑。植物利用葉綠素捕捉太陽能，將大氣中的 $CO_2$ 和土壤中的水轉化為有機物（如葡萄糖），並釋放出氧氣。此過程將無機碳轉化為有機碳，儲存在植物的生物體內。
   $6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{光能} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$

2. 呼吸作用 (Respiration)：森林生態系統中的所有生物（植物、動物、微生物）都需要能量來維持生命活動，它們透過呼吸作用分解有機物，釋放出二

本題主要探討土壤有機碳（SOC）的量測方法，以及增加土壤有機碳儲量的策略。

土壤有機碳 (Soil Organic Carbon, SOC) 的量測

土壤有機碳是指土壤中有機質中碳的含量。量測方法主要有以下幾類：

1. 濕式燃燒法 (Wet Combustion Methods)：

   • Nelson-Sommers 法：使用強氧化劑，如重鉻酸鉀 ($K_2Cr_2O_7$) 在濃硫酸 ($H_2SO_4$) 介質中，加熱氧化土壤中有機質，然後滴定未反應的重鉻酸鉀來計算被氧化的有機碳量。此方法相對簡單，但可能無法完全氧化所有有機質，且部分無機碳（如碳酸鹽）也會被氧化。
   • Walkley-Black 法：類似Nelson-Sommers法，但使用體積較小的重鉻酸鉀和硫酸，並加入磷酸來降低反應速率，通常不需要額外加熱。此方法較為常用，但仍有部分有機質氧化不完全的問題。

2. 乾式燃燒法 (Dry Combustion Methods)：

   • 高溫燃燒法 (High-Temperature Combustion)：將土壤樣本在高溫（通常 > 900°C）下燃燒，有機碳轉化為二氧化碳 ($CO_2$)，然後透過紅外線檢測器 (NDIR) 進行定量。此方法準確度高，能氧化幾乎所有的有機碳，且可同時測量總碳 (Total Carbon, TC) 和無機碳 (Inorganic Carbon, IC)，SOC = TC - IC。這是目前最標準和精確的量測方法，常使用元素分析儀 (Elemental Analyzer) 或總碳分析儀 (Total Carbon Analyzer)。

3. 光譜法 (Spectroscopic Methods)：

   • 近紅外光譜法 (Near-Infrared Reflectance Spectroscopy, NIRS)：利用不同化學鍵對近紅外光譜的吸收特性，建立模型來預測土壤有機碳含量。此方法快速、無損，適合大範圍篩查，但準確度取決於模型的建立和校準。

4. 其他間接估算法：

   • 根據土壤質地、土地利用歷史、氣候條件等參數，利用模型進行估算。

本題為一個綜合題，要求針對五種不同的土壤品質下降現象，分別說明其可能發生的地區、原因及改善方法。每小題配分 8 分，總共 40 分。

(1) 土壤鹽分增加 (Salinization)

• 可能發生的地區：

  • 乾旱或半乾旱地區：這些地區降雨量少，蒸發量大，不利於鹽分的淋洗。
  • 沿海地區：受海水入侵影響。
  • 灌溉農業區：若灌溉用水含鹽量高，或排水不良，鹽分易在土壤表層累積。
  • 低窪地區：鹽分容易從周邊地區淋洗匯集。

• 造成原因：

  • 自然因素：母質本身含有較高鹽分，或長期乾旱氣候導致鹽分在表層累積。
  • 人為因素：
    • 不當灌溉：使用含鹽量高的水源進行灌溉，或灌溉水量不足以淋洗土壤中的鹽分。
    • 排水不良：土壤排水系統不完善，導致地下水位升高，毛細作用將土壤深層的鹽分帶到表層蒸發。
    • 過度開墾：破壞植被，增加土壤水分蒸發，導致鹽分上移。
    • 海水入侵：沿海地區過度抽取地下水，導致海水倒灌。

• 改善方法：

  • 改善排水：修建完善的排水系統（如明溝、暗管），降低地下水位，將鹽分淋洗排出土壤。
  • 淋洗法：用大量淡水（或雨水）灌溉，將土壤中的鹽分淋洗到深層或排水系統中。
  • 種植耐鹽作物：選擇對鹽分有較高耐受性的作物進行種植。
  • 改良土壤：施用石膏 ($CaSO_4$) 等改良劑，可以置換土壤中的鈉離子 ($Na^+$)，降低土壤的鈉化程度，改善土壤結構，有利於鹽分的淋洗。
  • 調整灌溉方式：採用滴灌、微噴灌等節水高效的灌溉技術，減少水分蒸發，並精準控制灌溉水量。

(2) 土壤酸化 (Soil Acidification)

• 可能發生的地區：

  • 濕潤多雨地區：強烈的淋洗作用會將土壤中的陽離子（如 $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$, $K^+$, $Na^+$）淋失，留下較多的酸性離子。
  • 森林生態系統：植物吸收養分過程中，會釋放質子 ($H^+$) 到土壤中。
  • 長期施用化學肥料（特別是銨態氮肥）的農田。
  • 酸雨頻繁的工業區或受污染地區。

• 造成原因：

  • 自然因素：
    • 淋洗作用：降雨將土壤中的鹼性陽離子淋失，殘留的陽離子（如 $Al^{3+}$）水解產生酸。
    • 有機質分解：有機質分解產生有機酸。
    • 植物吸收養分：植物根系吸收陽離子時，會釋放質子。
  • 人為因素：
    • 化學肥料的施用：特別是銨態氮肥，其硝化作用會產生質子。例如，$(NH_4)_2SO_4$ 施入土壤後，經過硝化，2 莫耳的 $NH_4^+$ 產生 4 莫耳的 $H^+$。
    • 酸雨：大氣中的 $SO_2$ 和 $NO_x$ 溶於水形成硫酸 ($H_2SO_4$) 和硝酸 ($HNO_3$)，隨降雨落入土壤。
    • 作物收穫：移除作物時，連同鹼性陽離子一同移走。

• 改善方法：

  • 施用石灰質材料：如石灰石 ($CaCO_3$)、DOLOMITE (含 $CaCO_3$ 和 $MgCO_3$) 等。石灰質材料會中和土壤中的酸，補充鈣 ($Ca^{2+}$) 和鎂 ($Mg^{2+}$) 等陽離子，提高土壤 pH 值。
  • 減少銨態氮肥施用量：改用硝酸態氮肥或緩釋肥料，或配合其他改良措施。
  • 施用有機肥：有機肥可以緩衝土壤的酸度，並提供緩慢釋放的養分。
  • 種植耐酸性作物：選擇 pH 值適應範圍較寬的作物。
  • 改善排水：避免土壤長期處於過濕狀態，有利於減少酸性物質的積累。

(3) 土壤壓實 (Soil Compaction)

• 可能發生的地區：

  • 重型機械頻繁作業的農田、建築工地、林業採伐區。
  • 土壤含水量較高時進行機械作業的地區。
  • 人畜頻繁踩踏的牧區或人行道旁。

• 造成原因：

  • 機械作業：重型農機（拖拉機、收割機）、建築機械、林業機械在土壤上行駛或作業，對土壤施加壓力，使土壤顆粒之間的空隙被擠壓變小，土壤密度增加。
  • 人畜踩踏：牲畜或行人反覆踩踏，尤其在土壤濕潤時，會顯著增加土壤壓實。
  • 土壤水分條件：土壤含水量高時，顆粒間的潤滑作用增強，更容易被壓縮。