110 地方特考三等 農業技術 土壤學 考古題詳解

核心觀念

本題考查土壤氧化還原電位（$E_h$）與土壤通氣狀態的關係，以及土壤中主要電子受體的還原先後。

• 氧化還原電位越高，表示土壤環境越氧化、電子越缺乏，氧化型態較穩定。
• 氧化還原電位降低，表示土壤逐漸缺氧、還原性增強，土壤溶液中的氧化型態依序被微生物利用並還原。
• 淹水、排水不良或有機物分解旺盛時，氧氣迅速消耗，$E_h$ 下降，電子受體的利用順序大致為：

$$\mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{NO_3^-} \rightarrow \mathrm{Mn(IV)} \rightarrow \mathrm{Fe(III)} \rightarrow \mathrm{SO_4^{2-}} \rightarrow \mathrm{CO_2}$$

此順序代表各氧化型態被還原的先後，亦反映土壤由好氣性逐步轉為強還原性的過程。

各元素的氧化型態

元素	土壤溶液中的主要氧化型態	還原後的主要型態	代表性還原反應
氧（O）	$O_2$	$H_2O$	$\mathrm{O_2+4H^++4e^-\rightarrow 2H_2O}$
氮（N）	$\mathrm{NO_3^-}$	$\mathrm{N_2}$、$\mathrm{N_2O}$	反硝化作用
錳（Mn）	Mn(IV)，主要為 $\mathrm{MnO_2}$ 或其他錳氧化物	$\mathrm{Mn^{2+}}$	$\mathrm{Mn(IV)+e^-\rightarrow Mn^{2+}}$
鐵（Fe）	Fe(III)，主要為鐵氧化物、氫氧化物	$\mathrm{Fe^{2+}}$	$\mathrm{Fe(III)+e^-\rightarrow Fe^{2+}}$
硫（S）	$\mathrm{SO_4^{2-}}$	$\mathrm{H_2S}$、$\mathrm{HS^-}$	硫酸鹽還原
碳（C）	$\mathrm{CO_2}$、$\mathrm{HCO_3^-}$	$\mathrm{CH_4}$	產甲烷作用

其中，碳的氧化型態以二氧化碳為代表；在接近中性土壤中，二氧化碳常與水反應形成碳酸氫根，因此可寫成 $\mathrm{CO_2/HCO_3^-}$ 系統。

還原電位由高至低的排序

依土壤中常用的電子受體還原順序，氧化型態及其元素排序如下：

$$\boxed{ O_2 > NO_3^- > Mn(IV) > Fe(III) > SO_4^{2-} > CO_2 }$$

亦即：

1. 氧：$O_2$
2. 氮：$\mathrm{NO_3^-}$
3. 錳：Mn(IV)，如 $\mathrm{MnO_2}$
4. 鐵：Fe(III)，如 $\mathrm{Fe(OH)_3}$、鐵氧化物
5. 硫：$\mathrm{SO_4^{2-}}$
6. 碳：$\mathrm{CO_2}$ 或 $\mathrm{HCO_3^-}$

因此，若題目要求以元素名稱表示，答案為：

$$\boxed{ 氧 > 氮 > 錳 > 鐵 > 硫 > 碳 }$$

解題方法

判斷此題可採用「電子受體還原階梯」：

第一階段：氧氣還原

在通氣良好的土壤中，微生物首先利用氧氣進行呼吸作用：

核心觀念

本題考查兩個相互連結的概念：

1. 根圈效應（rhizosphere effect）：植物根系及其分泌物改變根部周圍土壤的理化性質、微生物數量與群落組成，使根圈土壤與非根圈土壤產生差異。
2. 根圈微生物促進作物生長：根圈細菌、真菌及菌根菌透過增加養分供應、合成植物生長調節物質、抑制病原菌及提高逆境耐受性，直接或間接促進作物生長。

根圈並非單純的土壤區域，而是「根系—土壤—微生物」三者交互作用所形成的動態微環境。

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一、根圈效應的形成與內容

根系會釋放多種物質，包括糖類、胺基酸、有機酸、酚類、黏液及脫落的根細胞。這些根系分泌物提供微生物碳源與能量，因而使根圈的微生物密度通常高於非根圈土壤，並選擇性富集具有特定功能的微生物。

根圈效應主要表現在下列方面：

（一）根圈微生物數量及群落組成改變

根系分泌物可促進細菌、放線菌、真菌及菌根菌繁殖，形成與非根圈不同的微生物群落。不同作物、品種、根齡及生育期所分泌的物質不同，因此所選擇的根圈微生物也不同。

（二）土壤化學性質改變

根系吸收陽離子與陰離子的比例不同，並釋放有機酸及質子，會造成根圈土壤酸鹼度改變。例如：

• 吸收較多陽離子時，根圈可能釋放 $H^+$，使土壤酸化。
• 吸收硝酸根 $NO_3^-$ 較多時，根圈酸鹼度變化方向可能不同。
• 根系分泌有機酸，可溶解部分難溶性磷酸鹽及螯合鐵、鋅等微量元素。

（三）養分有效性及元素循環改變

根系分泌物可刺激微生物分解有機質，使氮、磷、硫等元素礦化，提高養分有效性。根圈微生物亦可進行固氮、硝化、反硝化、磷溶解及有機磷礦化等作用。

（四）土壤物理性質改變

根毛、根系黏液及微生物分泌的胞外多醣，可促進土粒凝聚，形成較穩定的團粒結構，改善孔隙分布、通氣性與保水性。根系生長也會造成根圈土壤壓實或孔隙重新分布。

（五）氧化還原及水分環境改變

根系呼吸消耗氧氣，根圈常形成與非根圈不同的氧化還原狀態。水稻等水田作物的根部還可透過通氣組織輸送氧氣，使根表附近形成氧化層，影響鐵、錳及硫的化學形態與微生物反應。

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二、根圈微生物促進作物生長的直接機制

（一）生物固氮

某些根圈細菌可將大氣中的氮氣轉換為植物可利用的含氮化合物。其基本反應可表示為：

$$N_2 + 8H^+ + 8e^- + 16ATP \rightarrow 2NH_3 + H_2 + 16ADP + 16P_i$$

固氮作用可增加根圈氮素供應，減少作物對外加氮肥的依賴。典型例子包括根瘤菌與豆科植物形成共生固氮，以及部分自由生活或聯生性固氮細菌。

（二）溶解及活化磷

土壤中的磷常以鈣、鐵、鋁磷酸鹽，或有機磷形式存在，植物不易直接吸收。根圈微生物可透過下列方式增加磷有效性：

• 分泌有機酸，降低局部酸鹼度並溶解難溶性磷酸鹽。
• 分泌螯合物，降低鐵、鋁對磷的固定。
• 產生磷酸酶、植酸酶等酵素，分解有機磷化合物。

（三）合成植物生長調節物質

根圈細菌可合成或調節植物荷爾蒙，包括：

• 吲哚乙酸（IAA）：促進側根及根毛形成，增加根系吸收表面。
• 細胞分裂素（cytokinins）：促進細胞分裂及地上部生長。
• 吉貝素（gibberellins）：促進莖伸長及種子萌發。
• 乙烯調節作用：部分細菌具有 $ACC$ deaminase，可分解乙烯前驅物 $1$-aminocyclopropane-$1$-carboxylate（ACC），降低逆境下乙烯過量所造成的根系生長抑制。

其中，IAA 促進側根和根毛發育後，作物可吸收更多水分與養分，形成正向回饋。

（四）提高鐵及微量元素取得

根圈微生物可分泌鐵載體（siderophore），與三價鐵形成穩定錯合物，增加微生物取得鐵的能力，並降低病原菌可利用的鐵量。部分植物也能利用微生物促成的鐵載體，改善缺鐵條件下的營養狀態。

核心觀念

本題考查農地土壤中三類主要溫室氣體的形成機制，以及「土壤碳儲存」的意義與管理方法。

農地土壤溫室氣體主要包括：

1. 二氧化碳（$CO_2$）：來自土壤有機質分解、根系呼吸及有機資材礦化。
2. 氧化亞氮（$N_2O$）：主要來自土壤氮循環中的硝化作用與反硝化作用。
3. 甲烷（$CH_4$）：主要發生於水田等缺氧環境，由產甲烷菌分解有機物產生。

土壤碳儲存是指透過增加土壤有機碳（soil organic carbon, SOC）的輸入、降低其分解損失，並使碳以團粒包埋或與礦物結合等較穩定形式留存在土壤中。若以簡化的碳收支表示：

$$\text{土壤碳儲存量變化} = \text{碳輸入量} - \text{碳分解及移除損失量}$$

因此，提升碳儲存的基本方向是增加植物殘體與有機資材輸入、降低土壤擾動及分解速率，並提高有機碳的穩定化程度。

解題方法

本題可分為兩部分作答：

第一部分，依照不同溫室氣體，說明其產生的微生物作用、土壤環境及農業管理原因。

第二部分，提出三項能增加土壤有機碳輸入或降低碳損失的管理策略，並交代其作用機制。答題時應避免只列出措施名稱，必須說明措施如何增加土壤碳儲存。

一、農地土壤溫室氣體排放之原因

（一）二氧化碳（$CO_2$）排放

1. 土壤有機質分解

土壤微生物分解作物殘體、腐植質及其他有機物時，利用有機碳作為能量來源，經呼吸作用釋放二氧化碳：

$$\text{有機碳} + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O + \text{能量}$$

農地施用堆肥、糞肥或翻埋大量新鮮作物殘體後，容易增加微生物活性，使短期內土壤呼吸及$CO_2$排放增加。

2. 根系呼吸及根圈微生物作用

作物根系本身會進行呼吸作用，釋放二氧化碳；根系分泌物也會刺激根圈微生物分解有機物，形成根圈激發效應，使土壤$CO_2$排放增加。

3. 土壤擾動及翻耕

翻耕會破壞土壤團粒結構，使原本受保護的有機碳暴露於氧氣及微生物作用下，並提高土壤通氣性，促進有機質氧化分解。此外，翻耕也會增加土壤表面與大氣間的氣體交換，造成碳損失。

4. 有機土壤排水及土地利用變更

泥炭土等有機質含量高的土壤經排水後，原本缺氧的環境轉為較好通氣狀態，會加速有機質分解，大量釋放$CO_2$。土地開墾、森林或草地轉為耕地，也會因植被移除及土壤擾動造成土壤碳庫下降。

5. 石灰及尿素施用

施用石灰可中和土壤酸性，碳酸鹽反應會釋放二氧化碳。尿素施入土壤後經尿素水解及碳酸銨中間反應，也可能造成$CO_2$逸散。因此，農地$CO_2$來源不僅限於土壤微生物呼吸。

（二）氧化亞氮（$N_2O$）排放

1. 硝化作用

在有氧條件下，硝化菌將銨態氮氧化為亞硝酸態氮及硝酸態氮，過程中可產生少量$N_2O$：

$$NH_4^+ \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO_3^-$$

氮肥施用過量、土壤通氣良好但含水量適中的條件，常會提高硝化作用及$N_2O$排放。

2. 反硝化作用

在缺氧或低氧條件下，反硝化菌將硝酸態氮逐步還原為亞硝酸、$NO$、$N_2O$，最後形成氮氣：

$$NO_3^- \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO \rightarrow N_2O \rightarrow N_2$$

若土壤含水量過高、排水不良、降雨後積水，且土壤中同時具有硝酸態氮及可分解有機碳，反硝化作用會增強。當反硝化作用未完全進行至$N_2$階段時，便會累積並排放較多$N_2O$。

3. 氮肥及有機肥施用不當

氮肥施用量超過作物需求，會增加土壤中銨態氮及硝酸態氮的供應，形成$N_2O$排放的基質。施用未腐熟有機肥、集中施肥、施肥時期與作物吸收需求不配合，也會提高排放。

4. 土壤乾濕交替

乾燥土壤重新受雨或灌溉後，微生物活性快速恢復，容易出現短時間的$N_2O$排放高峰，稱為「脈衝式排放」。耕作、灌溉、降雨及施肥共同作用時，這種現象尤其明顯。

（三）甲烷（$CH_4$）排放

1. 水田淹水造成缺氧環境

核心觀念

本題考查土壤學中五個重要名詞，分別涵蓋土壤鹽分分類、土壤氮循環、黏土礦物電荷來源、土壤物理性質，以及污染土壤修復技術。作答時應掌握「定義、形成或作用、重要性及相關判斷標準」。

解題方法與名詞說明

（一）Saline soils 鹽土

核心觀念

鹽土是指土壤溶液中累積大量可溶性鹽類，導致植物根系吸水困難及離子毒害的土壤。傳統土壤分類及考試常用判斷標準為：

• 飽和土壤糊液之電導度 $EC_e > 4\ \text{dS m}^{-1}$；
• 交換性鈉百分率 $ESP < 15\%$；
• 土壤通常呈中性至鹼性，飽和糊液之 $pH$ 通常低於 $8.5$。

常見鹽類包括氯化鈉、硫酸鈉、氯化鈣及硫酸鎂等。

形成與作用

鹽土常形成於乾旱、半乾旱地區，因降雨不足、蒸發旺盛，鹽分隨地下水上升至表土後累積。灌溉水含鹽量過高、排水不良，也會造成次生鹽化。

鹽分升高會降低土壤溶液的滲透勢，使植物即使生長於含水土壤中，仍難以吸收水分；過量鈉、氯、硼等離子則可能造成生理毒害及營養失衡。

鹽土與鹼土須加以區分：

• 鹽土主要問題是可溶性鹽分過高；
• 鹼土或鈉質土主要問題是交換性鈉過高，會造成黏土分散、孔隙堵塞及滲透性降低；
• 鹽鈉土同時具有高可溶性鹽分及高交換性鈉。

解題技巧

看到「$EC_e>4$」、「可溶性鹽累積」、「滲透壓高」即可判定為 saline soils。不可將「高電導度」直接等同於「高交換性鈉」，因為電導度反映溶液中總離子量，並不專指鈉離子。

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（二）Ammonification 氨化作用

核心觀念

氨化作用是土壤微生物分解有機含氮物質，將其中的有機態氮轉變為氨 $NH_3$ 或銨態氮 $NH_4^+$ 的過程，屬於氮礦化作用的一部分。

主要反應可表示為：

$$\text{有機態氮} \xrightarrow{\text{微生物分解}} NH_3$$

在土壤水分中，氨會與水反應形成銨離子：

$$NH_3+H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$$

因此，在多數土壤環境中，氨化作用的主要產物是 $NH_4^+$。

作用與影響

氨化作用的基質包括蛋白質、胺基酸、核酸及尿素等有機氮化合物。參與者包括細菌、真菌及放線菌等分解者。

氨化作用產生的 $NH_4^+$ 可被：

1. 土壤膠體吸附；
2. 植物直接吸收；
3. 微生物同化；
4. 經硝化作用轉變為亞硝酸根及硝酸根。

氨化作用本身不等於硝化作用。氨化作用是「有機氮轉為銨態氮」，硝化作用則是「銨態氮氧化為硝酸態氮」。

其速率受到溫度、水分、通氣、酸鹼度、碳氮比及有機物品質影響。高碳氮比有機物分解時，微生物會大量吸收土壤無機氮，造成氮暫時固定；低碳氮比材料則較容易出現淨氮礦化。

解題技巧

氮循環可依下列順序記憶：

$$\text{有機氮} \xrightarrow{\text{氨化}} NH_4^+ \xrightarrow{\text{硝化}} NO_3^-$$

判斷關鍵在於：題目若強調「有機物分解產生銨」，就是 ammonification；若強調「銨被氧化成硝酸」，則是 nitrification。

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（三）Isomorphous substitution 同晶置換

核心觀念

同晶置換是指黏土礦物晶格形成時，某一種離子被半徑相近、晶體位置相同但價數不同的離子取代，而不改變礦物基本晶體構造的現象。

常見例子包括：

• 四面體層中，$Si^{4+}$ 被 $Al^{3+}$ 取代；
• 八面體層中，$Al^{3+}$ 被 $Mg^{2+}$ 或 $Fe^{2+}$ 取代。

例如四面體層發生：

$$Si^{4+} \rightarrow Al^{3+}$$

每一次取代使正電荷減少一單位，因而造成黏土礦物晶格的永久負電荷。

重要性

同晶置換所形成的負電荷不主要依賴土壤溶液的酸鹼度，因此稱為永久電荷。這些負電荷可吸附陽離子，例如：

$$Ca^{2+},\ Mg^{2+},\ K^+,\ NH_4^+$$

所以同晶置換是黏土礦物陽離子交換容量的重要來源，尤其在 2:1 型黏土礦物，如蒙脫石、蛭石及伊利石中相當重要。

不同黏土礦物的同晶置換程度不同：

• 高嶺石以表面羥基解離所產生的變動電荷為主；
• 蒙脫石及蛭石具有較多同晶置換所形成的永久負電荷；
• 伊利石的層間鉀會限制層間膨脹。

解題技巧

記憶原則是「位置不變、離子替換、價數降低、產生負電」。不可誤解為黏土晶體被完全破壞，也不可將同晶置換所形成的永久電荷與受 $pH$ 控制的變動電荷混為一談。

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