108 原住民特考三等 農業技術 土壤學 考古題詳解

核心觀念

本題評量考生對美國土壤分類系統（USDA Soil Taxonomy）​最高分類階層——「土綱（Order）」的掌握程度。解題核心在於理解各土綱的劃分邏輯，其主要依據為：

1. 診斷表層（Diagnostic Surface Horizons, Epipedons）​與診斷底層（Diagnostic Subsurface Horizons）​之有無與發育程度。
2. 土壤水分境況（Soil Moisture Regimes, SMR）：如乾旱境況（Aridic）、濕潤境況（Udic）、季乾境況（Ustic）、夏乾境況（Xeric）及水境況（Aquic）。
3. 土壤溫度境況（Soil Temperature Regimes, STR）：如永凍境況（Gelic/Cryic）、寒溫境況（Frigid）、溫暖境況（Thermic）等。
4. 特殊母質或物理化學特徵：如火山灰特徵（Andic properties）、膨縮性黏土（Slickensides）、極低風化阻力礦物之殘留等。

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解題方法

作答本題時，切忌散亂列舉，應採「化育與環境特徵分類法」建構答題架構，能展現清晰的邏輯層次：

1. 極端氣候與環境控制型：永凍土（極冷）、旱境土（極乾）、有機質土（長年厭氧停滯）。
2. 特殊母質與物理性質型：灰燼土（火山灰）、膨轉土（膨縮黏土）。
3. 化育序列與淋溶風化型（依化育由弱至強）： 新成土（未化育）$\rightarrow$ 弱育土（微化育）$\rightarrow$ 淋溶土／黑沃土／淋澱土（中度化育）$\rightarrow$ 極育土（高度化育）$\rightarrow$ 氧化土（極度風化）。

對每一土綱，必須精確點出「中文／英文名稱」、「關鍵診斷層／理化性質」以及「水分或溫度境況」。

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各土綱特性深入剖析

1. 永凍土（Gelisols）

• 診斷層與剖面特性：在土表下 $100\text{ cm}$ 深度內具有永凍層（Permafrost）；或在 $200\text{ cm}$ 深度內有永凍層且伴隨凍拔攪動作用（Cryoturbation，形成卷曲、碎裂構造與冰楔）。
• 溫度與水分境況：受極寒溫度境況（Gelic 或 Cryic STR）​主導，土壤平均年溫 $\le 0^\circ\text{C}$；夏季表層融化形成活動層（Active layer），常處於飽和水境況。

2. 有機質土（Histosols）

• 診斷層與剖面特性：富含有機質，厚度在剖面表層 $80\text{ cm}$ 內通常超過 $40\text{ cm}$，具有有機表層（Histic epipedon）。有機質含量依黏粒多寡界定於 $20\%\sim 30\%$ 以上，容重極低（常 $< 0.4\text{ g/cm}^3$）。
• 溫度與水分境況：多發育於長年積水、厭氧且排水不良之水境況（Aquic SMR），減緩微生物分解有機質之速率；分佈溫度帶廣泛（從寒帶泥炭沼澤至熱帶紅樹林沼澤皆有）。

3. 灰燼土／火山灰土（Andisols）

• 診斷層與剖面特性：化育自火山噴出物，具有火山灰土壤特性（Andic soil properties）。富含非結晶形短程有序礦物（如水鋁英石 Allophane、伊毛石 Imogolite、水鐵礦 Ferrihydrite）及鋁—腐植酸複合體。剖面常見黑色表層（Melanic epipedon），具低容重（$< 0.9\text{ g/cm}^3$）與極高之磷酸固定能力。
• 溫度與水分境況：水分與溫度境況無單一特定限制，但普遍發育於降水充足之濕潤（Udic）或季乾（Ustic）環境。

4. 旱境土（Aridisols）

• 診斷層與剖面特性：表層多為有機質含量極低之淡色表層（Ochric epipedon）。底層常因微弱溶脫與蒸發沉澱化育出各類次生化育層，如變形層（Cambic）、黏聚層（Argillic）、鈣積層（Calcic）、石膏層（Gypsic）或鹽積層（Salic）。
• 溫度與水分境況：具有乾旱水分境況（Aridic / Torric SMR），一年中大部分時間土壤控制層水分缺乏，無法供應中生植物生長需求；溫度多屬溫暖至高溫境況（Thermic/Hyperthermic）。

5. 膨轉土／變轉土（Vertisols）

• 診斷層與剖面特性：含有 $30\%$ 以上之高膨縮性 $2:1$ 型黏土礦物（如蒙脫石 Smectite）。乾季土表劇烈收縮，產生寬度 $> 1\text{ cm}$、深達 $50\text{ cm}$ 以上的裂隙；濕季膨脹擠壓，在深部化育出交錯滑動之擦面（Slickensides）​與楔狀斜向構造塊，地表常呈微起伏地形（Gilgai）。
• 溫度與水分境況：必須具備明顯乾濕交替之水分境況（如 Ustic 或 Xeric SMR），常處於溫暖至熱帶氣候區。

6. 淋澱土／灰化土（Spodosols）

• 診斷層與剖面特性：具有淋澱層（Spodic horizon），為非晶質有機質與鋁、鐵氧化物向下淋溶聚集之底層；其上方通常覆蓋一層被有機酸強烈漂洗、呈現灰白色的漂白層（Albic horizon，E層）。土壤呈強酸性，質地通常偏粗。
• 溫度與水分境況：典型發育於寒冷或涼溫且多雨濕潤之氣候（Frigid/Cryic STR, Udic SMR），植被多為針葉林；亦可見於熱帶低窪砂質地。

7. 氧化土（Oxisols）

• 診斷層與剖面特性：風化程度最高的土壤，具有氧化層（Oxic horizon）。原生礦物幾乎風化殆盡，主要由 1:1 型高嶺石（Kaolinite）以及鐵、鋁之氫氧化物組成。化育層界線模糊，陽離子交換容量（CEC）極低（$\le 16\text{ cmol(+)/kg clay}$），鹽基飽和度極低，但土壤物理團粒構造極為安定。
• 溫度與水分境況：主要發育於熱帶與亞熱帶長年高溫（Isohyperthermic 或 Isothermic STR）​與高雨量（Udic 或 Ustic SMR）環境，地質歷史古老之陸塊。

8. 黑沃土／軟土（Mollisols）

• 診斷層與剖面特性：具厚層、暗色、富含有機質且高鹽基飽和度（以 $\text{NH}_4\text{OAc}$ 於 $\text{pH } 7.0$ 測定 $\ge 50\%$）​之軟質表層（Mollic epipedon）。土壤結構優良，多呈粒狀或團粒構造，為極肥沃之農業土壤。
• 溫度與水分境況：多發育於草原植被下，水分境況多為半乾旱至半濕潤（Ustic 或 Xeric SMR），亦有部分處於濕潤境況（Udic）；溫帶至暖溫帶氣候為主。

9. 淋溶土（Alfisols）

• 診斷層與剖面特性：剖面具黏粒淋洗下聚之黏聚層（Argillic, Kandic 或 Natric horizon），且在底層指定深度（通常為黏聚層頂部以下 $1.25\text{ m}$ 或基岩上方）之鹽基飽和度維持在中至高等級（$\ge 35\%$）。不具軟質表層。

核心觀念

本題比較土壤有機質測定的兩種氧化方法：

• 乾氧化法（乾式燃燒法）：在高溫下使土壤中的碳氧化成二氧化碳，再測定二氧化碳量，換算有機碳。
• 濕氧化法（Walkley–Black 法）：以酸性重鉻酸鉀氧化土壤有機碳，測定反應後剩餘的重鉻酸鉀，據以計算有機碳。

有機碳換算有機質時，常用經驗係數 1.724：

$$\text{土壤有機質（\%）} \approx \text{土壤有機碳（\%）}\times 1.724$$

這個係數是假設有機質平均含碳量約為 58%，屬經驗換算，實際含碳比例會因土壤與有機質組成而異。

解題方法

作答時依「原理與步驟 → 測值差異 → 差異原因」說明。兩法都以氧化土壤有機碳為基礎，但氧化條件與可測得的碳範圍不同，因此測值並不必然相同。

一、乾氧化法步驟

1. 採取與前處理土樣：土壤風乾、磨細並過篩；取具代表性的土樣，測定時以乾土重量為計算基準。
2. 高溫燃燒：將土樣置於燃燒管或元素分析儀中，在氧氣或含氧氣流下高溫燃燒，使有機碳氧化成二氧化碳。
3. 測定二氧化碳：將燃燒產物中的水分及干擾氣體移除，再以紅外線、熱傳導或其他定量方式測定二氧化碳。
4. 換算含量：依二氧化碳中的碳量、土樣重量換算土壤有機碳百分率；如需報告有機質，再乘以 1.724。
5. 排除無機碳干擾：含碳酸鹽土壤燃燒時，碳酸鹽也會產生二氧化碳。測總碳後須另行測定無機碳並扣除，或先去除碳酸鹽，才能得到有機碳。

二、濕氧化法步驟：Walkley–Black 法

1. 取樣：稱取定量風乾、磨細、過篩土樣，置於錐形瓶。
2. 加入氧化劑與酸：加入已知體積、已知濃度的重鉻酸鉀溶液，再加入濃硫酸並混合。濃硫酸提供強酸環境，反應放熱，使部分土壤有機碳被氧化。
3. 反應後稀釋：靜置反應一段時間，再加水稀釋；必要時加入磷酸及氧化還原指示劑。
4. 回滴剩餘氧化劑：以標準硫酸亞鐵溶液滴定未被土壤有機碳消耗的重鉻酸鉀，並以不加土樣的空白試驗校正。
5. 計算有機碳：土樣消耗的重鉻酸鉀量等於空白與土樣滴定量之差所代表的氧化劑量。依重鉻酸鉀與碳的氧化還原當量換算有機碳，再換算成有機質。

若採硫酸亞鐵回滴，概念式如下：

核心觀念

本題評量土壤物理性質（土壤顏色）與土壤化學性質（有機質含量、土壤反應 $pH$ 值）之間的關聯性及其推論機制：

1. 土壤顏色的測定依據：採用孟氏顏色系統（Munsell Color System），以色相（Hue）、明度（Value）、彩度（Chroma）​三要素表示（例如 $10\text{YR } 3/2$）。
2. 主要致色因子：

• 有機質（腐植質）：賦予土壤黑色、黑褐色或深灰色，主導「明度（Value）」的高低。
• 鐵錳氧化物形態與價態：三價鐵（$\text{Fe}^{3+}$）呈現紅、黃、棕色；二價鐵（$\text{Fe}^{2+}$）在還原潛育環境下呈青灰、藍灰色。
• 易溶性鹽類與碳酸鹽：碳酸鈣（$\text{CaCO}_3$）、石膏（$\text{CaSO}_4\cdot 2\text{H}_2\text{O}$）及可溶性鈉鹽呈現白色或灰白色。
• 原生與次生矽酸鹽礦物：石英、高嶺石洗淨後呈淺色或白色。

3. 推論邏輯：顏色對有機質含量的反映屬於直接影響（明度高低）；而顏色對 $pH$ 值的判斷則屬於間接推論，必須藉由顏色辨識出土壤中的主導化學成分、成土作用、風化淋溶程度與氧化還原環境，進而推算其 $pH$ 範圍。

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解題方法

申論答題宜採「先論有機質（直接判定）」、「次論 $pH$ 值（間接判定）」、「後述限制與校正條件（防漏論點）」之三段式架構進行鋪陳。

一、 由顏色判斷土壤有機質含量高低（直接指標）

1. 判斷原則：

• 顏色深淺與明度（Value）：在相同母質與質地條件下，土壤顏色越黑、越暗（孟氏明度 Value 數值越低），代表腐植質（Humus）累積越多，有機質含量越高。
• 顏色對比：淺色土壤（灰白、淺黃、淺棕，Value $\ge 6$）有機質含量通常偏低（$< 1.5\%$）；深色至暗黑色土壤（Value $\le 3$）有機質含量通常偏高（$> 3\sim 5\%$），泥炭土或有機質土（Histosols）則可達 $20\%$ 以上。

2. 校正因子：

• 土壤水分狀態：濕潤土壤因水分折射使明度下降，外觀顯著變深。比色判斷時必須以「風乾土」為準，或同時記錄乾土與濕土之孟氏色碼。
• 黑色非有機質母質干擾：如源自玄武岩、黑輝綠岩或黑色頁岩之母質，或含有高量二氧化錳（$\text{MnO}_2$）的土壤，雖呈黑色但有機質含量不一定高，需配合雙氧水（$\text{H}_2\text{O}_2$）起泡測試排除。

二、 由顏色間接推斷土壤 $pH$ 值高低（環境與成土成分指標）

土壤顏色無法直接定量 $pH$，但可藉由特殊化學沉澱與次生礦物之代表性顏色推斷：

土壤特徵顏色	主導物質與成土作用	推斷之 $pH$ 值範圍	作用機制與實例
白色至淡灰白色（表面析出或積聚）	碳酸鈣（$\text{CaCO}_3$）、碳酸鈉（$\text{Na}_2\text{CO}_3$）、硫酸鹽等鹽斑	鹼性至強鹼性<br>($pH \approx 7.5 \sim 10.0$)	乾燥或半乾燥區之「鈣積層」（Calcic horizon）或「白鹼土」（Saline soil），常有游離碳酸鹽存在，呈鹼性；若含大量 $\text{Na}_2\text{CO}_3$（黑鹼土表層亦可析出白鹽霜），$pH$ 常大於 $8.5$。
灰白色至淺白色（出現在表土下層）	漂白層（Albic horizon），殘留純石英砂或高嶺石	強酸性至極強酸性<br>($pH \approx 3.5 \sim 5.0$)	灰化作用（Podzolization）中，強酸性有機酸螯合鐵、鋁並向下淋溶，殘留洗淨之矽石漂白層，屬酸性淋洗極甚之土壤。

核心觀念

本題考查污染物的物理、化學與生物性質如何影響污染土壤的整治策略。整治方法須配合污染物是否能被分解、在土壤中的存在型態、移動性、生物可利用性及揮發性，並兼顧農地土壤功能與後續農業利用。

重金屬是元素，不能以生物或化學反應將其「分解消失」；整治重點通常是移除重金屬，或降低其溶解度、移動性與生物可利用性。有機污染物則是含碳化合物，部分可經微生物或化學反應轉化、分解，整治重點可包括促進降解、揮發移除或化學轉化。

解題方法

作答可依序比較兩類污染物的性質，再由性質推導整治方法：

1. 能否分解：重金屬不能被分解；有機污染物部分可以降解。
2. 在土壤中的型態與移動性：重金屬受酸鹼值、有機質、黏土及氧化還原條件影響；有機污染物則受溶解度、疏水性、揮發性及吸附作用影響。
3. 可行的整治目標與技術：依污染物特性選擇移除、固定、分解或揮發等方式。
4. 農地條件與後續利用：考量整治後土壤肥力、結構、微生物活性及作物安全，避免只降低污染濃度，卻造成土壤生產力受損。

重金屬污染：以移除或降低有效性為主

重金屬如鎘、鉛、砷、汞等屬元素，不能像許多有機物一樣被微生物分解成無害的小分子。即使改變其化學型態或降低其溶解度，污染元素仍留在土壤中。因此，整治須明確區分「移除污染物」與「降低其危害性」。

重金屬在土壤中的移動性與生物可利用性，會受土壤酸鹼值、有機質、黏土礦物、氧化還原狀態及金屬化學型態影響。例如，提高土壤酸鹼值或添加適當吸附、固定材料，可能使部分金屬較不易溶出或被作物吸收；但效果受土壤條件與金屬種類限制，不能視為污染物已消失。

常見整治方式包括：

• 土壤挖除與置換：將污染土移出農地，再以潔淨土回填。可直接移除污染源，但會產生大量污染土處置需求，也可能破壞土層與土壤功能。
• 土壤洗除或萃取：利用水或萃取液將金屬自土壤中移出，再處理濃縮的污染液或殘渣。較適用於污染金屬可被有效萃取、且土壤質地適合處理的情況。
• 固化或穩定化：添加材料，使金屬較不易溶出、移動或被生物吸收。此法主要是降低暴露與有效性，並未真正移除金屬。
• 植物萃取或植物穩定：利用植物吸收金屬後收割移除，或以植物根系降低金屬移動。植物萃取通常需多個生長期，且收割後的植物體須妥善處理。

因此，重金屬整治不能只看土壤總量，也要評估其溶出性、生物可利用性及作物吸收風險；若採固定化，還須確認整治後的長期穩定性。

有機污染物：可依降解性與揮發性選擇處理