112 地方特考三等 農業技術類科 土壤學 考古題詳解

核心觀念

本題考查土壤膠體表面的負電荷如何吸附、交換陽離子，以及哪些土壤性質會決定可供交換的電荷量。作答時須分清楚：CEC 是交換位的總容量；鹽基飽和度則是這些交換位中被鹽基性陽離子占據的比例。

陽離子交換能力（CEC）

陽離子交換能力是指單位質量土壤在特定測定條件下，土壤膠體所能吸附並與土壤溶液中其他陽離子進行交換的陽離子總量，反映土壤交換位的負電荷總量。

常用單位為 $\mathrm{cmol_c\,kg^{-1}}$；舊制單位 $\mathrm{meq/100\,g}$ 與之數值相同。CEC 主要來自黏土礦物與土壤有機質表面的負電荷。

鹽基飽和度（base saturation）

鹽基飽和度是交換性鹽基陽離子所占 CEC 的百分率。一般將鈣、鎂、鉀、鈉列為鹽基陽離子：

$$\text{鹽基飽和度（\%）} = \frac{\text{交換性 Ca}^{2+}+\text{Mg}^{2+}+\text{K}^{+}+\text{Na}^{+}} {\text{CEC}} \times 100$$

各離子須以相同電荷單位表示。酸性土壤中，交換位還可能由氫、鋁占據；因此鹽基飽和度較低，通常表示交換位上酸性陽離子比例較高。鹽基飽和度是交換位組成的比例，不能與 CEC 的容量大小混為一談。

解題方法

先將題目拆成三個作答部分：定義 CEC、列出主導 CEC 的土壤組成、整理影響 CEC 數值的因子。最後再用鹽基飽和度公式交代其計算概念，並區別「總容量」與「占位比例」。

主導土壤 CEC 的組成如下：

核心觀念

本題考查酸性土壤的判定、土壤酸度的化學來源，以及依土壤性質採取改良措施。答題時應先定義酸性土壤，再區分酸度來源，最後說明中和酸度、補充鹼基及預防再酸化的管理方法。

土壤酸鹼度以 pH 表示，定義為土壤溶液氫離子活度的負對數：

$$\mathrm{pH}=-\log_{10} a_{\mathrm{H^+}}$$

一般以土壤 pH 低於 7 稱為酸性土壤；農業管理上，常以 pH 低於約 5.5 至 6.0 視作需要評估酸害與改良的範圍，實際門檻依作物、土壤及檢測方法而異。土壤酸度可分為：

• 活性酸度：土壤溶液中的 $H^+$，直接影響土壤溶液 pH。
• 交換性酸度：吸附於土壤膠體交換位上的 $H^+$、$Al^{3+}$ 等酸性離子。
• 潛在或儲備酸度：土壤膠體及有機質所吸附、會隨平衡作用補入土壤溶液的酸性物質。石灰需求量不能只依溶液中的活性酸度判斷，還須考量交換性與儲備酸度。

土壤酸度的來源

1. 母質與風化作用 酸性母質風化後，土壤鹼性陽離子如 $Ca^{2+}$、$Mg^{2+}$、$K^+$、$Na^+$ 含量較低。長期風化與淋洗使鹼基流失，土壤交換位逐漸由 $H^+$、$Al^{3+}$ 佔據，酸度因而增加。

2. 降雨淋洗與鹼基流失 降雨量大、排水良好或灌溉水淋洗強時，鹼性陽離子容易由土壤剖面淋失。鹼基飽和度降低，酸性離子所佔比例上升，土壤逐步酸化。

3. 鋁離子水解 酸性土壤中的鋁離子進入土壤溶液後會水解，釋出氫離子，例如：

$\mathrm{Al^{3+}+H_2O \rightleftharpoons AlOH^{2+}+H^+}$

因此，$Al^{3+}$ 不僅是酸性土壤中的交換性酸度來源，其水解也會進一步降低 pH。

4. 有機質分解與根系作用 有機質分解可形成有機酸；植物根系吸收陽離子與陰離子不平衡時，也會釋出 $H^+$ 以維持電荷平衡，造成根圈局部酸化。

5. 施用含銨態氮肥 銨態氮經硝化作用產生硝酸與氫離子，使土壤酸化：

$\mathrm{NH_4^+ + 2O_2 \rightarrow NO_3^- + 2H^+ + H_2O}$

若硝酸根再隨水淋失，常伴隨鹼性陽離子流失，酸化作用更明顯。

6. 酸性降雨及硫化物氧化 酸性降雨可增加酸性物質輸入；含硫化物土壤排水、通氣後，硫化物氧化形成硫酸，也會造成強烈酸化。

解題方法與改良措施

答題可依「先測土、再選材、配合管理、避免復酸」的順序說明。改良核心是中和土壤酸度、降低鋁毒害並補充鈣鎂等鹼基。

核心觀念

土壤化育是母質經風化後，在氣候、生物、地形、時間及人為活動等環境因子影響下，逐步形成土壤剖面與各土層特徵的過程。作答重點是說明自然環境中物質如何被加入、移除、搬移及轉化，並連結到土壤剖面的發育。

土壤主要化育作用可歸納為四類：添加作用、移除作用、移動作用及轉化作用。實際化育時，這些作用會同時或先後發生。

解題方法

先交代土壤化育的環境背景，再依「物質進入土壤、離開土壤、在剖面內搬移、在原位改變」的順序說明四類作用。每一類都舉出代表性物質或現象，最後指出其對土壤剖面形成的影響，即可完整呈現自然環境中的主要化育過程。

主要化育作用

一、添加作用（additions）

物質由土壤外部進入土體，使土壤物質或有機質增加，常見來源包括：

• 植物殘體及生物遺體：枯枝落葉、根系與動物遺體進入土壤，經分解後形成腐植質。
• 大氣沉降：雨水、灰塵及溶解於雨水中的物質進入土壤。
• 地下水或地表水帶入物質：洪水或含鹽地下水可帶入細粒物質、溶解鹽類或其他礦物成分。
• 風成物質：風搬運的粉砂、砂粒及火山灰等沉積於地表。

添加作用會影響土壤的有機質、礦物組成及養分含量；若長期有大量細粒沉積，也會改變土壤母質與剖面特性。

二、移除作用（losses）

物質離開土體，使土壤物質減少，主要包括：

• 淋洗：水將可溶性鹽類、鹼金屬及鹼土金屬離子等由上層帶往下層，甚至帶離土體。
• 侵蝕與逕流：地表水或風移走表土、黏粒及有機質，造成土層變薄。
• 氣體逸散：土壤有機物分解及化學反應產生的二氧化碳、甲烷或氮氣等逸散至大氣。
• 生物吸收與收穫移出：植物吸收養分後，若地上部被動物取食或作物收穫並移出田區，養分便離開土壤系統。

移除作用會造成土壤養分、有機質或細粒物質的損失，並可能使土壤酸化、肥力下降或剖面遭受侵蝕。

三、移動作用（translocations）

核心觀念

本題考查土壤三項基本物理性質：土壤質地、土壤構造與土壤孔隙。作答時先界定三者，再說明它們如何共同影響水分與養分的移動、根系生長及土壤通氣。三者彼此相關，但代表的層次不同：質地是礦物顆粒的大小組成，構造是顆粒的排列與團聚狀態，孔隙則是固體顆粒或土壤團粒之間的空間。

名詞定義

一、土壤質地

土壤質地（soil texture）是指土壤中不同粒徑礦物顆粒的相對比例，主要以砂粒、坋粒及黏粒三者表示，並依其比例以土壤質地三角圖分類。

常見粒徑範圍如下；不同分類系統的界線略有差異：

• 砂粒：直徑約 $2.0$ 至 $0.05\text{ mm}$
• 坋粒：直徑約 $0.05$ 至 $0.002\text{ mm}$
• 黏粒：直徑小於 $0.002\text{ mm}$

質地是土壤的基本性質，短期內不易因耕作而改變。砂粒粗、比表面積小；黏粒細、比表面積大，且表面電荷及吸附能力較強。

二、土壤構造

土壤構造（soil structure）是指土壤初級顆粒（砂、坋、黏）受有機質、黏粒及金屬氧化物等作用，形成團粒或土塊後，其形狀、大小及排列方式。常見構造包括粒狀、塊狀、柱狀與片狀等。

良好團粒構造通常兼具穩定團粒、團粒內小孔隙及團粒間較大孔隙，有利於水分進入、空氣交換和根系穿伸。構造會受耕作、植被、土壤有機質、濕潤與乾燥循環及壓實等因素影響。

三、土壤孔隙

土壤孔隙（soil porosity）是土壤固體顆粒及團粒之間的空間，孔隙中含有水分或空氣。以孔隙體積占土壤總體積的比例表示：

$$\text{孔隙率 }(n)=\frac{V_{\text{孔隙}}}{V_{\text{土壤總體積}}}\times 100\%$$

若已知土壤容積密度（$\rho_b$）及顆粒密度（$\rho_s$），可估算總孔隙率：

$$n=1-\frac{\rho_b}{\rho_s}$$

孔隙可依大小概分為大孔隙與小孔隙：大孔隙通常負責重力水排除、通氣及根系穿伸；小孔隙較能保留毛管水，供植物吸收。實際水分運移及有效性也受到孔隙連通性、孔徑分布與土壤含水狀態影響。

解題方法與三項性質的影響

作答應以「質地決定顆粒組成，構造決定顆粒如何組合，孔隙決定水與空氣如何通行及儲存」為主軸。接著分別連結水分、養分移動與植物生長，並指出三者會共同作用。

一、土壤質地的影響

**水分移動與保留：**砂質土的顆粒粗、孔隙通常較大，入滲與排水快，通氣佳，但保水力較弱，乾旱時易缺水。黏質土的細孔隙比例較高，保水能力強，水分移動通常較慢；若排水不良，土壤容易過濕、缺氧。壤質土在排水、保水與通氣之間通常較為均衡。

**養分移動與保留：**黏粒比表面積大，且多數黏土礦物具有表面電荷，通常有較高的陽離子交換能力，可吸附並保留鉀、鈣、鎂及銨等陽離子，降低其隨水淋洗的損失。砂質土的吸附與保肥能力較弱，水溶性養分較容易隨排水向下移動。硝酸根等陰離子一般較不易被多數土壤膠體吸附，仍可能隨水移動；養分移動也取決於其化學形態、土壤反應與微生物作用。

核心觀念

本題考查土壤對污染物的滯留、移動與轉化作用。無機污染物以重金屬等元素為代表；有機污染物則包括農藥、石油碳氫化合物及其他有機化學物質。兩者在土壤中的命運不同：無機污染物主要受吸附、沉澱與氧化還原等作用控制；有機污染物除了吸附，也會經歷生物或非生物轉化，最後可能降解或礦化。

需區分「污染物被土壤固定、降低移動性」與「污染物被轉化、改變化學型態或分解」：前者不代表污染物已消失，後者才可能降低污染物的持久性或毒性。

解題方法

依污染物的化學性質分兩類作答，逐一說明主要的滯留機制及轉化機制，並點出影響作用強弱的土壤因子。無機污染物的元素本身通常不會被分解；有機污染物則可被分解或轉化，因此不可把兩類污染物的「降解」混為一談。

（一）無機污染物的主要作用機制（8 分）

1. 吸附與離子交換 黏土礦物、有機質及鐵、鋁氧化物表面帶有電荷，可藉靜電吸引、離子交換或專一性吸附，將金屬離子或含氧陰離子滯留於土壤固相。土壤 pH、黏土含量、有機質及氧化物含量都會影響吸附程度。吸附可降低污染物在土壤溶液中的濃度與移動性，但污染物仍留在土壤中。

2. 沉澱與共沉澱 當污染物與土壤溶液中的碳酸根、磷酸根、硫化物或氫氧根等形成難溶化合物時，會自溶液中沉澱；也可能與其他礦物共同沉澱。此作用能降低溶解態污染物濃度。pH、氧化還原狀態及溶液中相關離子的濃度會影響沉澱形成。

3. 氧化還原與化學型態轉變 土壤的通氣狀況及氧化還原電位，會改變污染元素的氧化態，進而影響其溶解度、吸附性、移動性與毒性。例如，淹水缺氧環境下鐵、錳氧化物可能還原溶解，並釋出原先吸附的金屬；砷等元素的氧化態改變，也會影響其在土壤中的行為。

4. 固定化與再釋出 污染物可被固定在黏土或礦物表面、進入礦物結構，或形成難溶化合物；土壤酸化、氧化還原條件改變或競爭離子增加時，又可能解吸或溶解而重新進入土壤溶液。因此，固定化通常是降低當下移動性的過程，不等於污染物永久消失。