114 年 國立臺灣大學農業化學系碩士班甲組《土壤學》

此題主要在探討土壤生成五大因子（母質、氣候、生物、地形、時間）中，生物因子對土壤化育作用的影響。

土壤化育作用（Soil formation 或 Pedogenesis）是指土壤在地表或近地表，受到各種環境因子（母質、氣候、生物、地形、時間）的交互作用，經過物理、化學、生物過程而逐漸形成和演變的過程。生物因子在其中扮演著極為關鍵的角色，其影響可從以下幾個面向說明：

1. 有機質的來源與分解 (Source and Decomposition of Organic Matter):

   • 來源： 植被（草本、木本植物）的枯枝落葉、動物殘骸、排泄物等是土壤有機質的主要來源。生物的生長與死亡直接提供了土壤有機物的原始材料。
   • 分解： 土壤微生物（細菌、真菌）和小型動物（蚯蚓、節肢動物等）是主要的分解者。它們將複雜的有機物分解為較簡單的有機化合物，最終形成腐殖質（humus）。腐殖質是影響土壤肥力、結構、保水保肥能力、陽離子交換量（CEC）以及土壤顏色（通常使土壤變暗）的重要因素。

2. 土壤結構的形成與改善 (Formation and Improvement of Soil Structure):

   • 團粒結構： 蚯蚓等土壤動物在土壤中鑽掘、攝食、排泄，以及微生物分泌的多醣類物質，都能促進土壤顆粒聚集，形成穩定的團粒結構。良好的團粒結構能增加土壤的孔隙度，改善通氣、透水性，有利於植物根系生長。
   • 土壤改良： 某些植物的根系能穿透緊實的土壤，改善土壤的通氣和排水。

此題主要在探討美國土壤分類系統（Soil Taxonomy）中的一個重要土壤類群—黑沃土（Mollisols），要求說明其特徵及形成條件。

一、黑沃土 (Mollisols) 的定義與特徵：

Mollisols 是拉丁文 "mollis"（柔軟）一詞演變而來，表示其表土層通常是柔軟且富含腐殖質的。根據 USDA Soil Taxonomy，Mollisols 的主要鑑定特徵是其表層（通常是 A 層或 Ap 層）具有一個厚度至少 25 公分（10 英吋）的有機質表土層（mollic epipedon），且該表土層的顏色較深（摩爾色值 Chroma 通常小於 3.5，當濕度高時），陽離子交換量（CEC）高，並且缺乏如硬磐層（plinthite）、鐵鋁層（oxic）、黏盤層（argillic）中出現的特定癒合層（diagnostic horizons）的惡化特徵。

主要特徵包括：

1. Mollic Epipedon (有機質表土層): 這是 Mollisols 最關鍵的鑑定特徵。此層必須滿足以下條件：
   • 厚度 ≥ 25 cm。
   • 顏色深：濕潤時 hue ≤ 5YR，Chroma ≤ 3.5；或 hue ≤ 7.5YR，Chroma ≤ 3.0；或 hue > 7.5YR，Chroma ≤ 2.0。
   • CEC ≥ 16.8 cmol(+) kg⁻¹ 於土壤有機碳 (SOC) 的土壤。
   • 相對較低的 P₂O₅ 含量（避免過度肥沃）。
   • pH (in 0.01 M CaCl₂) ≥ 5.0。
   • 缺乏硬磐層、鐵鋁層等不良特徵。
2. 高有機質含量： 表土層富含腐殖質，通常為 1% 以上，甚至可達 10% 以上。
3. 良好的土壤結構： 通常具有良好的團粒結構，孔隙度高，通氣透水性佳。
4. pH 值： 大部分 Mollisols 的 pH 值在 6.0-7.5 之間，呈弱酸性至中性，但也可達鹼性。
5. 陽離子交換量 (CEC)： 由於有機質含量高，CEC 值通常較高，保肥能力強。

此題考查土壤化學中氧化還原電位（Redox Potential, Eh）對重金屬（鉻 Cr、砷 As）在土壤中的行為（移動性）及污染整治的影響。

氧化還原電位 (Eh) 的概念：
氧化還原電位是衡量溶液或土壤中氧化劑與還原劑相對強度的一個參數。在土壤中，Eh 值的高低反映了土壤的氧化還原狀態。

• 高 Eh 值（氧化環境）： 氧氣充足，電子接受者（如 O₂）多，氧化反應易發生。
• 低 Eh 值（還原環境）： 氧氣缺乏，電子給予者（如還原性物質）相對較多，還原反應易發生。
  土壤的 Eh 值受溫度、pH、有機質含量、通氣性、微生物活動等因素影響。

一、對鉻 (Cr) 移動性的影響：

鉻在土壤中主要以兩種氧化態存在：Cr(III) 和 Cr(VI)。

• Cr(III) (三價鉻)：
  • 在大多數土壤條件下（pH > 4），Cr(III) 處於穩定狀態，其溶解度非常低，主要以難溶性的氫氧化物 [Cr(OH)₃] 或與有機質、黏土礦物形成錯合物。
  • 因此，Cr(III) 的移動性非常低，傾向於被固定在土壤中。
  • 在強還原環境（低 Eh 值）下，Cr(III) 仍然穩定。
• Cr(VI) (六價鉻)：
  • Cr(VI) 在土壤中主要以鉻酸根離子（CrO₄²⁻）或重鉻酸根離子（Cr₂O₇²⁻）的形式存在。
  • Cr(VI) 的溶解度比 Cr(III) 高得多，因此其移動性較高。
  • Cr(VI) 是一種強氧化劑，但它在酸性到中性 pH 範圍內相對穩定，在高 pH 下會轉化為 CrO₄²⁻。
  • 影響：
    • 氧化環境 (高 Eh)： 有利於 Cr(III) 向 Cr(VI) 的氧化（尤其是在 pH < 6 時）。一旦形成 Cr(VI)，其移動性會顯著增加，容易污染地下水。
    • 還原環境 (低 Eh)： 有利於 Cr(VI) 向 Cr(III) 的還原。Cr(III) 形成後，會被土壤固定，移動性大大降低。

二、對砷 (As) 移動性的影響：

砷在土壤中主要以亞砷酸（H₃AsO₃, H₂AsO₃⁻, HAsO₃²⁻）和砷酸（H₃AsO₄, H₂AsO₄⁻, HAsO₄²⁻）兩種形態存在，分別對應 As(III) 和 As(V)。

• As(III) (三價砷，亞砷酸)：
  • 通常在還原環境（低 Eh 值）下更穩定。
  • As(III) 的移動性通常比 As(V) 更高，尤其是在 pH 值較高時，它以 H₂AsO₃⁻ 或 HAsO₃²⁻ 的形式存在，不易被土壤膠體吸附。
• As(V) (五價砷，砷酸)：
  • 通常在氧化環境（高 Eh 值）下更穩定。
  • As(V) 的移動性相對較低。它與磷酸根離子（PO₄³⁻）具有相似的化學性質，容易被土壤中的鐵、鋁氧化物、黏土礦物和鈣質吸附，形成穩定的砷酸鹽。

此題考查土壤結構中兩種常見的構造類型：團粒狀（granular）和角塊狀（angular blocky）在土壤性質上的差異。土壤結構是指土壤顆粒（如砂、粉砂、黏土）聚集形成的土壤單元（ped）的形狀、大小和排列方式。

一、團粒狀構造 (Granular Structure):

• 定義： 土壤單元呈近似球形、圓形或橢圓形，表面光滑，邊緣圓鈍。單元內部顆粒緊密，但單元之間有明顯的孔隙。
• 大小： 通常較小，直徑介於 1-10 mm 之間。
• 形成環境： 主要存在於土壤的表層，特別是富含有機質、微生物活動旺盛的土壤（如草原土壤的 A 層）。有機質和微生物分泌物（如多醣類）是形成團粒結構的重要膠結劑。
• 土壤性質差異：
  • 結構： 穩定的團粒結構，不易破碎。
  • 孔隙度： 具有較高的總孔隙度，特別是微孔隙（micropores）和中孔隙（mesopores）比例高，有利於水分和空氣的儲存與交換。
  • 通氣性與透水性： 由於單元間存在較大的孔隙，通氣性和透水性良好。
  • 水分儲存： 微孔隙能有效儲存水分，供植物利用。
  • 土壤生物： 良好的團粒結構為土壤微生物和土壤動物提供適宜的棲息和活動空間。
  • 耕作： 耕作時不易破碎，較為抗耕。

二、角塊狀構造 (Angular Blocky Structure):

• 定義： 土壤單元呈不規則的立方體或塊狀，有明顯的、尖銳的邊緣和稜角。單元之間有較大的不規則裂隙。
• 大小： 單元尺寸範圍較大，通常直徑在 5-50 mm 之間，甚至更大。
• 形成環境： 常見於土壤的下層（如 B 層），特別是黏盤層（argillic horizon）或含有較多黏土的土層。形成與黏土礦物、鐵、鋁氧化物以及反覆的乾濕、凍融循環有關，這些作用力使土壤顆粒聚集形成較大的塊狀結構。
• 土壤性質差異：
  • 結構： 相對較不穩定，在壓力或機械作用下容易破碎。
  • 孔隙度： 總孔隙度可能較高，但大孔隙（macropores）比例高，微孔隙相對較少。
  • 通氣性與透水性： 單元間的裂隙提供了良好的通氣和透水通道，但如果土壤過於緊實，則孔隙會被黏土填塞，導致通氣透水性變差。
  • 水分儲存： 微孔隙較少，保水能力相對較弱，水分容易透過大孔隙流失。
  • 土壤生物： 大孔隙有利於某些較大的土壤動物活動，但整體而言，不利於微生物的廣泛分佈。
  • 耕作： 耕作時容易破碎，可能導致結構破壞，形成硬盤層。

總結差異對比：

| 特徵 | 團粒狀構造 (Granular) | 角塊狀構造 (Angular Blocky)

此題考查土壤學中測量土壤總體密度（Bulk Density, ρb）的兩種常用方法：石蠟包埋法（Parafilm Clod Method）和土壤環刀法（Core Method，又稱土壤罐法）。總體密度是指單位體積土壤（包括土壤顆粒、孔隙和水分）的質量。

一、石蠟包埋法 (Parafilm Clod Method)

• 原理： 將從土壤中取出的自然狀態下的土壤塊（clod）用石蠟（或類似的防水材料）進行多層包埋，以防止水分在測量過程中散失。然後測量包埋後土壤塊的體積（透過排水法或幾何測量），再烘乾稱量其質量。

• 步驟概要：

  1. 小心採取完整、無擾動的土壤塊。
  2. 將土壤塊表面用石蠟（或Parafilm）嚴密包埋，形成一個防水層。
  3. 測量包埋後土壤塊的體積（例如，透過將其浸入水中，測量排開水的體積，扣除石蠟的體積）。
  4. 剝離石蠟，烘乾土壤塊至恆重。
  5. 計算總體密度：$\rho_b = \frac{m_{dry}}{V_{total}}$，其中 $m_{dry}$ 是烘乾土塊的質量，$V_{total}$ 是包埋前土壤塊的體積。

• 優點：

  • 適用於結構不穩定或疏鬆的土壤： 對於結構較差、容易破碎的土壤，這種方法能較好地保持土壤塊的完整性，減少取樣時的擾動。
  • 能夠測量真實的土壤塊體積： 能夠較準確地反映土壤在自然狀態下的體積。
  • 適用於野外取樣： 現場操作相對簡便，尤其適合採集具有自然結塊的土壤樣品。

• 缺點：

  • 操作較繁瑣： 石蠟包埋過程耗時，且需要技巧以確保包埋嚴密，避免水分散失或滲入。
  • 石蠟體積測量誤差： 石蠟本身的體積需要準確測量並扣除，這可能引入誤差。
  • 包埋層厚度影響： 包埋層的厚度可能對體積測量產生影響。
  • 不適用於黏土含量極高的土壤： 黏土含量極高的土壤可能難以形成完整的土壤塊，或在包埋過程中不易操作。

二、土壤罐法 (Core Method / Sampling Cylinder Method)

• 原理： 使用一個已知體積的圓柱形金屬環刀（環刀，core sampler），直接在原地（in situ）或透過挖掘後採集，將土壤樣品壓入或推入環刀中，確保土壤樣品填滿環刀的體積，且盡量保持原狀。然後稱量環刀內土壤樣品的濕質量，烘乾後稱量乾質量。

• 步驟概要：

  1. 使用已知體積（V）的環刀。
  2. 將環刀推入或壓入土壤中，使其填滿，並刮平頂部，確保樣品體積等於環刀體積。
  3. 稱量環刀內土壤樣品的濕質量（$m_{wet}$）。
  4. 將土壤樣品取出，烘乾至恆重（$m_{dry}$）。
  5. 計算總體密度：$\rho_b = \frac{m_{dry}}{V}$。

• 優點：

  • 操作簡便快速： 相較於石蠟法，環刀法操作更為直接和快速，尤其適合大量樣品採集。
  • 原位測量： 能夠在土壤原有的狀態下採樣，盡量保持土壤的自然結構和密度。

此題考查土壤裸露（soil exposure）的負面影響，以及土壤覆蓋（soil cover）對維護土壤健康的重要性。

一、土壤裸露的缺點：

土壤裸露是指土壤表面沒有植被、作物殘茬、有機覆蓋物或其他保護層覆蓋的狀態。這種狀態會導致一系列對土壤不利的影響：

1. 土壤侵蝕加劇 (Increased Soil Erosion):
   • 水力侵蝕： 失去植被緩衝，雨滴直接衝擊土壤表面，導致土壤顆粒分散；地表徑流速度加快，攜帶大量土壤顆粒流失（表土流失）。
   • 風力侵蝕： 在乾燥、多風的地區，裸露的土壤顆粒容易被風吹走，造成土壤鹽鹼化、揚塵等問題。
2. 土壤水分損失增加 (Increased Soil Moisture Loss):
   • 蒸發加劇： 陽光直射土壤表面，土壤水分蒸發速率顯著增加，導致土壤乾旱。
   • 滲透減少： 缺乏良好的土壤結構和孔隙，雨水滲透能力下降，大部分水分形成地表徑流，未能有效補充土壤水分。
3. 土壤溫度劇烈波動 (Extreme Soil Temperature Fluctuations):
   • 裸露土壤表面直接暴露在陽光下，白天溫度急劇升高，夜間則迅速下降，導致土壤溫度變化幅度大，不利於土壤生物活動和植物根系生長。
4. 土壤有機質和養分流失 (Loss of Soil Organic Matter and Nutrients):
   • 侵蝕直接帶走含有機質和養分的表土。
   • 高溫和強烈的微生物活動（在有水分時）可能加速有機質的分解，但長期乾旱則抑制分解，而一旦遇水，則可能發生快速的有機質礦化。
   • 養分隨地表徑流流失。
5. 土壤結構破壞 (Degradation of Soil Structure):
   • 雨滴衝擊破壞土壤團粒結構，導致土壤表面形成緊實的犁底層（plow pan）或泥皮層（crust），阻礙水分滲透和氣體交換。
   • 缺乏有機質的補充，不利於團粒結構的維持和形成。
6. 土壤生物多樣性下降 (Decreased Soil Biodiversity):
   • 惡劣的物理環境（高溫、乾旱、缺乏食物來源）不利於土壤微生物、蚯蚓等土壤生物的生存和繁殖。

二、土壤覆蓋對土壤健康的重要性：

土壤覆蓋，即在土壤表面保留或添加保護層，是維持土壤健康和生產力的關鍵措施。

此題考查酸性土壤的成因以及石灰（主要成分為碳酸鈣 $CaCO_3$ 或氧化鈣 $CaO$、氫氧化鈣 $Ca(OH)_2$）對酸性土壤的改良機制。

一、酸性土壤的成因：

土壤酸度（pH值低）的形成是多種因素長期作用的結果，主要包括：

1. 母質影響 (Parent Material):
   • 某些母質本身就含有較多的酸性物質，例如富含石英（SiO₂）的砂岩、花崗岩風化產物。
   • 母質中鹼性陽離子（如 Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺）含量低，不足以中和土壤中的酸性物質。
2. 淋洗作用 (Leaching):
   • 在降雨量充沛、溫度較高的地區，水分不斷淋洗土壤，會帶走土壤中的鹼性陽離子（如 Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺），而酸性離子（如 H⁺, Al³⁺）則相對殘留，導致土壤pH值下降。這是熱帶、亞熱帶濕潤地區土壤普遍酸化的重要原因。
3. 有機物分解 (Decomposition of Organic Matter):
   • 植物體和動物屍體分解過程中會產生各種有機酸（如腐殖酸、富里酸），這些有機酸會釋放 H⁺ 離子，降低土壤 pH 值。
   • 在某些條件下（如濕地、沼澤），有機物分解不完全，會積累大量有機酸。
4. 微生物活動 (Microbial Activity):
   • 硝化作用 (Nitrification): 土壤微生物將銨態氮（NH₄⁺）轉化為硝態氮（NO₃⁻）的過程中，會釋放 H⁺ 離子。例如：
     $NH_4^+ + 2O_2 \rightarrow NO_3^- + 2H^+ + H_2O$
   • 硫化作用 (Sulfur Oxidation): 某些微生物氧化黃鐵礦（FeS₂）等硫化物時，也會產生硫酸，進而釋放 H⁺ 離子。
5. 植物吸收養分 (Plant Nutrient Uptake):
   • 植物吸收土壤中的陽離子（如 K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺）時，為了維持電中性，會從根部釋放出 H⁺ 或其他酸性物質。如果植物吸收的陽離子多於陰離子，則會導致土壤酸化。
6. 人為因素 (Human Activities):
   • 過度施用銨態氮肥： 長期大量施用硫酸銨、尿素等含銨肥料，硝化作用會產生酸。
   • 酸雨： 工業排放的 SO₂ 和 NOx 進入大氣後形成硫酸和硝酸，隨降雨落到地面，導致土壤酸化。
   • 森林砍伐： 森林生態系統能較好地維持土壤的鹼性陽離子，砍伐後，淋洗作用加劇，容易導致土壤酸化。

二、石灰添加改善酸性土壤的機制：

石灰，通常指碳酸鈣（$CaCO_3$）、氧化鈣（$CaO$）或氫氧化鈣（$Ca(OH)_2$），其主要作用是中和土壤中的酸性物質，提高土壤 pH 值。其機制如下：

1. 中和酸性離子 (Neutralization of Acidity):
   • 直接中和 H⁺： 石灰中的鹼性成分（如 $OH^-$ 或 $CO_3^{2-}$）會與土壤中的游離 H⁺ 離子反應，生成水或碳酸。
     $Ca(OH)_2 \rightarrow Ca^{2+} + 2OH^-$
     $OH^- + H^+ \rightarrow H_2O$
     $CaCO_3 \rightarrow Ca^{2+} + CO_3^{2-}$
     $CO_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow H_2CO_3 \rightarrow H_2O + CO_2$
   • 替代吸附態 H⁺ 和 Al³⁺： 土壤酸度很大一部分是吸附在土壤膠體（腐殖質、黏土礦物）上的 H⁺ 和 Al³⁺。

此題考查土壤學和作物學中關於氮肥利用效率（Nitrogen Fertilizer Use Efficiency, NFUE）的影響因素。氮肥利用效率通常定義為作物吸收的氮素量與施用氮肥量的比值，即 $\text{NFUE} = \frac{\text{Crop N uptake from fertilizer}}{\text{Applied N fertilizer}} \times 100\%$。影響其效率的因素主要分為土壤因素、作物因素和管理因素。

一、土壤因素：

1. 土壤類型與質地：
   • 砂質土壤： 孔隙度大，通氣性好，但保水保肥能力差，容易因淋洗和揮發造成氮素損失。
   • 黏質土壤： 保水保肥能力較強，不易淋洗，但通氣性可能較差，易造成反硝化作用損失。
2. 土壤有機質含量：
   • 高有機質含量能提供緩慢釋放的無機氮，減少對外源氮肥的依賴，並透過其陽離子交換容量（CEC）吸附銨態氮，減少損失。
   • 但過高的有機質在特定條件下也可能導致較高的反硝化損失。
3. 土壤 pH 值：
   • 銨態氮 (NH₄⁺)： 在酸性土壤（pH < 7）中，銨態氮較穩定，不易揮發。但在鹼性土壤（pH > 7.5）中，銨態氮容易轉化為氨氣（NH₃）揮發損失。
   • 硝態氮 (NO₃⁻)： pH 值對硝態氮的移動性影響較小，但過酸或過鹼都可能影響微生物的硝化和反硝化活動。
4. 土壤水分狀況：
   • 過乾： 影響肥料在土壤中的溶解和擴散，降低根系吸收效率；同時也可能影響微生物的硝化作用。
   • 過濕/淹水： 導致土壤缺氧，促進反硝化作用，將硝態氮轉化為氮氣（N₂）、氧化亞氮（N₂O）等氣體而損失。
5. 土壤溫度：
   • 影響微生物活動（硝化、反硝化、礦化）和植物根系吸收速率。高溫會加速硝化和反硝化，增加氮素損失。
6. 土壤通氣性：
   • 影響好氧微生物的活動，如硝化作用。
   • 影響厭氧微生物的活動，如反硝化作用。良好的通氣性有利於減少反硝化損失。
7. 土壤中的微生物群落：
   • 硝化作用、反硝化作用、固氮作用、礦化作用等與微生物活動密切相關，這些過程直接影響氮素的轉化和損失。

二、作物因素：

1. 作物種類與生育階段：
   • 不同作物對氮素的需求量和吸收利用方式不同。例如，禾本科作物（如玉米、小麥）通常比豆科作物需要更多的外源氮肥。

此題考查土壤酸度（Soil Acidity）的測量與概念，探討為何僅以過濾的土壤溶液（soil solution）的 pH 值來判斷土壤酸度是不夠充分的。

土壤酸度 (Soil Acidity) 的概念：

土壤酸度是指土壤中 H⁺ 離子的總體酸度，它不僅包括土壤溶液中游離的 H⁺ 離子，更重要的是土壤膠體（腐殖質和黏土礦物）表面吸附的 H⁺ 和 Al³⁺ 等酸性陽離子。土壤酸度可以分為：

1. 活性酸度 (Active Acidity): 指土壤溶液中游離的 H⁺ 離子濃度，也就是我們通常用 pH 計測量的 pH 值。
2. 潛在酸度 (Potential Acidity) 或稱交換性酸度 (Exchangeable Acidity): 指土壤膠體表面吸附的 H⁺ 和 Al³⁺ 等酸性陽離子。這些陽離子雖然未直接存在於溶液中，但可以與溶液中的陽離子（如 $Ca^{2+}$）發生交換，釋放到溶液中，是土壤酸度的主要來源。
   • 交換性酸度： 主要由交換性 H⁺ 和交換性 Al³⁺ 組成。Al³⁺ 在水中會水解產生 H⁺，因此 Al³⁺ 被認為是土壤酸度的主要貢獻者。
   • 可水解酸度 (Hydrolytic Acidity): 主要指 Al³⁺ 的水解酸度。
   • 殘餘酸度 (Residual Acidity): 指存在於土壤膠體結構中的酸性物質，如矽鋁酸結構中的 H⁺。

為何過濾之土壤溶液的 pH 值無法充分反映土壤酸度？

過濾的土壤溶液（soil solution）僅代表了土壤中的活性酸度，即溶液中游離的 H⁺ 離子濃度。然而，土壤酸度的絕大部分（通常超過 90%）是以潛在酸度的形式存在於土壤膠體表面。

1. 潛在酸度佔主導地位：
   • 土壤膠體（特別是黏土礦物和腐殖質）具有巨大的比表面積和豐富的吸附位點，可以吸附大量的 H⁺ 和 Al³⁺。
   • 這些吸附的酸性陽離子是土壤酸度的主要儲備庫。當土壤溶液中的 H⁺ 離子被消耗（例如，植物吸收、添加鹼性物質）時，吸附態的 H⁺ 和 Al³⁺ 會釋放到溶液中，補充溶液中的酸度，從而維持一個相對穩定的 pH 值，直到這些吸附位點上的酸性物質被釋放完。
   • 因此，土壤溶液的 pH 值僅反映了當前溶液狀態，而未能體現土壤中更龐大的酸性儲備。

此題考查土壤學中關於鈉質土（Sodic Soil）的成因與改善方法。鈉質土是一種因土壤中交換性鈉離子（Na⁺）含量過高而導致不良物理性質的土壤。

一、鈉質土的成因：

鈉質土的形成與土壤中交換性鈉離子的累積有關，主要原因包括：

1. 母質影響 (Parent Material):
   • 某些母質本身含有較高的鈉含量，例如含有鈉長石（Albite）等鈉長石族礦物的岩石風化產物。
   • 沉積岩（如頁岩、砂岩）可能是在富含鈉的古代海洋或湖泊沉積環境中形成的。
2. 灌溉水與地下水 (Irrigation Water and Groundwater):
   • 高鈉灌溉水： 使用鈉離子含量高的灌溉水進行長期灌溉，尤其是在排水不良的地區，鈉離子會逐漸在土壤中累積。
   • 高鈉地下水： 地下水位較高，且地下水中鈉離子含量高，透過毛細作用上升至土壤表層並蒸發，導致鈉離子累積。
3. 排水不良 (Poor Drainage):
   • 這是形成鈉質土最關鍵的環境因素。在低窪、平坦地區或黏質土壤中，若排水系統不完善，灌溉水或地下水中的鈉離子無法被有效淋洗排除，就會在土壤中累積。
   • 在排水不良的條件下，鈉離子會取代土壤膠體上的其他陽離子（如 Ca²⁺, Mg²⁺），成為交換性陽離子。
4. 土壤膠體的膨脹與分散 (Swelling and Dispersion of Soil Colloids):
   • 當土壤膠體（特別是黏土礦物）上的交換性鈉離子比例（交換性鈉吸附比，ESP, Exchangeable Sodium Percentage）過高時（通常 ESP > 15%），鈉離子在水中會水合膨脹，導致黏土顆粒發生分散。
   • 分散的黏土顆粒會堵塞土壤的孔隙，形成緊實、不透水的結構，進一步加劇鈉質土的形成和惡化。
   • 這種現象通常發生在土壤 pH 值較高（> 8.5）時。

二、鈉質土的特徵：

• 物理性質惡劣： 土壤結構破壞，緊實、不透水、不透氣，耕作困難。
• 高 pH 值： 通常 pH > 8.5，因為鈉離子會促進土壤膠體的水解，釋放 $OH^-$。
• 高交換性鈉比例 (ESP)： ESP > 15%。
• 高交換性鈉吸附比 (SAR)： 土壤溶液中 $Na^+ / \sqrt{(Ca^{2+}+Mg^{2+})/2}$ 的值也較高。
• 植物生長不良： 由於物理性質差、通氣不良、可能伴隨的鹽害或鈉毒害，植物根系難以生長，產量極低。

三、改善鈉質土的方法：

改善鈉質土的關鍵在於降低土壤膠體上的交換性鈉比例（ESP），並將鈉離子從土壤中淋洗出去。這通常需要結合以下措施：

1. 改良劑的添加 (Application of Amendments):
   • 石膏 (Gypsum, $CaSO_4 \cdot 2H_2O$)： 這是最常用且最有效的改良劑。石膏在土壤水中溶解，釋放出 $Ca^{2+}$ 離子。
     $CaSO_4 \downarrow \rightarrow Ca^{2+} + SO_4^{2-}$
     $Ca^{2+}$ 會取代土壤膠體上的交換性鈉離子（Na⁺）：
     $[Colloid]-Na^+ + Ca^{2+} \rightarrow [Colloid]-Ca^{2+} + Na^+$