110 地方特考四等 農業技術 土壤與肥料概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查農地耕犁（plowing）對土壤三項基本性質的連鎖影響：

1. 土壤構造：土粒與有機膠結物所形成的團粒、孔隙及其排列狀態。
2. 通氣性：土壤中空氣進出及氧氣、二氧化碳交換的能力，主要取決於大孔隙的數量、連通性與充氣程度。
3. 水分特性：包括入滲、排水、保水、土壤水分儲存及有效水分供應，主要受孔隙大小分布、土壤質地與結構影響。

耕犁具有「短期鬆土、長期重組」的雙重作用。短期通常改善土壤孔隙與通氣；長期則視耕犁頻率、耕作深度、土壤含水量、機械壓實及有機質管理而定，過度耕犁常使土壤結構退化。

解題方法

可依「耕犁直接作用 → 孔隙變化 → 通氣與水分變化 → 長期累積結果」的順序作答，並分別說明短期與長期作用。

土壤總孔隙率可表示為：

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

其中 $P$ 為總孔隙率，$\rho_b$ 為土壤容積密度，$\rho_s$ 為土粒密度。耕犁初期通常使土壤鬆散、容積密度降低，總孔隙率增加；但若後續沉陷或機械壓實，容積密度會上升，孔隙率及大孔隙比例便會下降。

土壤孔隙可概分為：

• 大孔隙：有利於空氣流通、重力排水及根系伸展。
• 小孔隙：有利於毛管保水，但水分排除及空氣交換較慢。

因此，耕犁不是單純增加所有有益性質，而是改變孔隙大小分布與連通性。

一、對土壤構造的短期作用

1. 打碎土塊、鬆動土層

耕犁切割、翻轉及破碎土體，可打散原本緊密的土塊，降低容積密度，增加疏鬆度，使根系較容易穿透。

2. 暫時增加大孔隙

耕犁在土體中形成較多非毛管孔隙及裂隙，改善孔隙連通性。粗大孔隙增加後，土壤暫時具有較佳的排水、通氣及根系生長環境。

3. 改善表土混合與均勻性

翻耕可將表面殘株、肥料及部分有機物混入土壤，使養分與有機物分布較均勻，也可暫時掩埋雜草及病蟲害來源。

4. 破壞部分既有團粒

耕犁的切削與撞擊會破壞土壤團粒，特別是在土壤過乾時容易產生粉化，在土壤過濕時則容易形成泥團。若耕作時機不當，短期鬆土效果會伴隨結構破壞。

二、對通氣性的短期作用

1. 土壤充氣孔隙增加

耕犁後大孔隙與裂隙增加，土壤中水分較易排出，空氣可進入土壤，氧氣供應提高，二氧化碳較易排出。

2. 促進根系與微生物活動

通氣改善後，根系呼吸、好氣性微生物分解及硝化作用通常較活躍，有利於作物初期生長及有機物分解。

3. 效果具有暫時性

耕犁所形成的鬆散孔隙容易因降雨、灌溉及土壤自重而塌陷。細質地土壤在濕潤狀態下反覆受壓，還會形成緊密層，導致通氣性再次下降。

三、對水分特性的短期作用

1. 入滲與排水改善

耕犁形成的裂隙及大孔隙可增加降雨或灌溉水的入滲速率，並促進多餘水分向下排除，降低表面積水及暫時性缺氧。

2. 土壤保水能力未必同步增加

耕犁主要增加大孔隙，而大孔隙中的水分容易受重力排出。因此，雖然入滲與排水改善，田間持水量及有效水分不一定增加。

3. 暫時降低地表逕流

表土疏鬆、粗糙度增加，可提高地表蓄水及入滲，降低短期逕流。但若土壤團粒遭破壞，後續降雨可能造成表面結皮，使入滲率快速下降。

4. 蒸發損失可能增加

翻耕會擾動毛管連續性，短期可切斷部分由下層向地表輸水的毛管通道，降低毛管上升；但翻耕後土壤表面暴露、殘株覆蓋減少，也可能提高風蝕與蒸發，實際效果取決於土壤含水量與覆蓋情形。

四、對土壤構造的長期作用

1. 有機質分解加快

核心觀念

本題考查「作物缺磷症狀」與「土壤磷有效性」的區別，以及土壤磷固定、磷肥利用率與土壤磷累積管理。

作物莖葉呈紫紅色，常與缺磷時醣類累積、花青素形成增加有關，但此症狀不代表土壤總磷量一定不足。土壤中磷可分為有機磷與無機磷，只有能在作物生育期間由土壤溶液持續供應，並可被根系吸收的磷，才屬於有效磷。

因此，本題的核心是：

1. 土壤中有磷，但磷被固定、沉澱或暫時 immobilization，導致有效磷濃度低。
2. 改善重點不是大量施磷，而是提高既有磷的可利用性與磷肥利用率。
3. 施肥必須配合土壤檢測，避免磷肥、堆肥或畜禽糞肥長期過量施用，造成磷累積及水體優養化。

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一、造成土壤磷有效性低的主要原因

（一）酸性土壤中的鐵、鋁固定

在酸性土壤中，鐵、鋁氧化物及氫氧化物表面帶有活性位點，容易吸附磷酸根，使磷由土壤溶液轉變為難以被作物吸收的型態。

主要反應包括：

• 磷酸根被鐵、鋁氧化物表面專性吸附。
• 形成難溶性的磷酸鐵、磷酸鋁。
• 火山灰土中的非晶質礦物，如 allophane、imogolite，具有很高的磷吸附能力。

臺灣酸性紅壤、黃壤及火山灰土常有較強的磷固定能力，因此即使土壤總磷量不低，土壤溶液中的有效磷仍可能不足。

（二）鹼性或石灰性土壤中的鈣固定

在高 pH 或石灰質土壤中，鈣離子濃度高，磷容易與鈣反應，形成難溶性磷酸鈣、磷灰石類礦物，使磷沉澱而降低有效性。

可概念化表示為：

$$\mathrm{Ca^{2+} + HPO_4^{2-} \rightarrow CaHPO_4(s)}$$

高 pH 亦會使磷主要以 $PO_4^{3-}$ 型態存在，與鈣結合形成難溶性化合物。因此，酸性土壤主要受鐵、鋁固定；鹼性土壤主要受鈣固定。

（三）有機磷礦化不足

土壤有機磷須經微生物礦化，轉變為無機磷後，才能供作物吸收。若土壤溫度低、過濕、通氣不良、微生物活性低，或有機物的碳氮比過高，均會使有機磷釋放速度變慢。

（四）微生物暫時固定

施入新鮮、高碳氮比的有機物時，微生物大量繁殖，會將土壤中可利用的磷吸收到微生物體內，形成微生物磷。此時磷被暫時 immobilization，作物短期內反而容易出現缺磷。

（五）根系吸收能力不足

低溫、土壤過濕、板結、通氣不良或根系受病害影響時，根系生長量及吸收能力下降，即使土壤中有一定量有效磷，作物仍可能表現缺磷。

磷在土壤中的移動性低，主要靠擴散到根表。土壤乾燥、根系分布淺或根系受損時，磷供應更容易受限。

（六）磷肥與土壤接觸過度

水溶性磷肥若全面撒施並與大量土壤充分混合，磷與鐵、鋁或鈣接觸面增加，容易迅速被固定。此現象在高磷固定力土壤中尤其明顯。

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二、改善土壤磷有效性的施肥與土壤改良方法

（一）先依土壤檢測決定施磷量

應檢測土壤 pH、有效磷、交換性酸度、石灰需求量及土壤質地，再依作物需求與預期產量訂定施肥量。

施磷原則為：

$$\text{施磷量} \approx \text{作物需求量} - \text{土壤可供應量}$$

實務上還須考慮磷肥利用率、土壤固定能力及前期肥效，但不能因作物出現紫紅色就直接大量增加磷肥。

（二）酸性土壤施用石灰調整 pH

酸性土壤可依石灰需求量施用農業石灰、苦土石灰或其他合適的石灰資材，使 pH 調整至適合作物生長的範圍。一般作物常以約 pH 5.5～6.5 作為適宜範圍，實際目標須依作物種類及土壤性質決定。

石灰的作用包括：

1. 中和土壤酸度。
2. 降低鋁、錳毒害。
3. 降低鐵、鋁氧化物對磷的固定強度。
4. 促進根系發育，使作物吸磷能力提高。
5. 改善微生物活性及有機磷礦化。

但石灰不可過量。若 pH 提升過高，磷可能轉變為難溶性磷酸鈣，反而降低磷有效性。因此應以石灰需求量為依據，分次施用並充分混入根域。

（三）採用局部施肥或條施

磷在土壤中移動性低，適合將磷肥施於種子或根系附近，以提高根系接觸機會。條施、穴施或帶狀施肥可減少磷肥與大量土壤接觸，降低固定作用。

局部施肥的優點是：

• 提高根域磷濃度。
• 提高磷肥利用率。
• 在相同施磷量下增加作物吸收量。
• 減少全面撒施造成的土壤磷累積。

核心觀念

本題考查三部分：

1. 堆肥化的微生物分解原理與操作條件。
2. 堆肥腐熟度及肥料品質的判斷指標。
3. 堆肥施入土壤後，對氮素礦化、固定、損失及作物氮素利用效率的影響。

堆肥是以微生物作用，將農業及有機廢棄物中的易分解有機物，轉化為性質穩定、腐植化程度較高的有機資材。其本質是有機物的好氧分解與腐熟過程。

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一、堆肥製作原理

（一）微生物好氧分解

堆肥製作主要利用細菌、放線菌及真菌，在有氧環境下分解有機物。分解過程可概括表示為：

$$\text{有機物}+O_2 \rightarrow CO_2+H_2O+\text{腐植質}+\text{熱能}$$

有機物中的碳作為微生物能源，氮則供應微生物合成蛋白質及細胞物質。微生物繁殖與分解活動所釋出的熱能，使堆體溫度上升，形成堆肥的升溫、 高溫、降溫及熟成階段。

（二）堆肥化階段

1. 升溫期 中溫性微生物首先分解糖類、澱粉、蛋白質等易分解物質，溫度快速上升。

2. 高溫期 高溫性微生物大量活動，溫度可達約 $50\sim70^\circ\mathrm{C}$。此階段可加速有機物分解，並降低病原菌、寄生蟲卵及部分雜草種子的存活率。

3. 降溫期 易分解物質減少，微生物活動減弱，堆體溫度逐漸下降。放線菌及真菌開始分解較難分解的纖維素、半纖維素。

4. 熟成期 有機物進一步腐植化，堆肥顏色變深、氣味穩定，微生物分解速率降低，形成較穩定的腐植質。

（三）重要製作條件

1. 碳氮比

適當的初始碳氮比約為 $25:1\sim30:1$，常用合理範圍約為 $20:1\sim40:1$。

• 碳含量過高、氮含量不足：微生物缺氮，分解速度慢，堆肥腐熟時間延長。
• 氮含量過高：容易產生氨氣揮發、臭味及氮素損失。
• 成熟堆肥的碳氮比通常會降低，常以低於約 $20:1$ 作為腐熟的重要參考，但不能僅憑單一數值判定。

碳氮比可表示為：

$$C/N=\frac{\text{有機碳含量}}{\text{總氮含量}}$$

製作時可將高碳材料，如稻稈、木屑、落葉，與高氮材料，如畜禽糞、豆粕、嫩綠植物材料，適度混合調整。

2. 水分

適當水分約為材料持水量的 $50\%\sim60\%$。

• 水分過低：微生物活動受抑制，分解緩慢。
• 水分過高：孔隙被水填滿，氧氣不足，容易轉為厭氧分解，產生硫化氫、甲烷及有機酸等臭味物質。
• 判斷方法：手握材料時能成團，放手後可鬆散，且不應有水分流出。

3. 通氣及翻堆

堆肥需維持好氧狀態。堆體過密、含水量過高或粒徑過細，都會降低孔隙率及氧氣供應。

翻堆可達到下列作用：

• 補充氧氣。
• 混合材料，使分解均勻。
• 調節水分及溫度。
• 避免局部厭氧及過熱。

4. 溫度

溫度反映微生物分解活性。高溫期有助於殺滅病原菌及雜草種子，但溫度過高會使微生物活性下降，並增加氨揮發及有機氮損失。因此需透過翻堆、補水及調整材料維持適當溫度。

5. 酸鹼度

堆肥初期因有機酸形成，pH可能下降；後期蛋白質分解及氨化作用使pH上升。成熟堆肥通常呈微酸性至中性，pH約為 $6\sim8$。過度鹼性易增加氨態氮揮發。

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二、堆肥品質判斷依據

堆肥品質應同時從外觀、物理性、化學性、生物性及安全性判斷。

（一）外觀及氣味

成熟堆肥通常具有：

• 顏色深褐至黑褐色。
• 質地疏鬆，原材料輪廓大幅消失。
• 氣味近似土壤或森林腐植味。
• 溫度接近周圍環境。
• 不具有明顯腐敗、酸臭、氨臭或硫化氫臭味。

若仍有明顯糞臭、酸味、氨味，通常表示有機物尚未充分分解或堆體處於厭氧狀態。

（二）腐熟度

腐熟堆肥應具有較低的微生物分解活性及較高的穩定性。主要判斷方法包括：

1. 堆體溫度 翻堆後不再持續升溫，且與環境溫度接近。

2. 碳氮比 碳氮比相較原料下降，常以低於約 $20:1$ 作為參考。

3. 呼吸速率或耗氧量 成熟堆肥的微生物呼吸作用較低，二氧化碳釋放量及耗氧速率下降。

4. 發芽試驗 將堆肥萃取液或堆肥混合介質供種子發芽。若發芽率及幼苗根系生長正常，表示有機酸、酚類及氨等植物毒害物質已大幅降低。

5. 硝化作用及氮形態 成熟堆肥中氨態氮下降，硝酸態氮比例增加，代表氨化後的硝化作用較完整。

（三）化學品質

1. 有機質含量

有機質是堆肥改善土壤團粒結構、保水力、保肥力及微生物活性的主要成分。但有機質含量高不代表堆肥一定腐熟，仍須搭配穩定性及植物毒害試驗判斷。

2. 氮、磷、鉀含量

應測定全氮、有效磷、交換性鉀及其他養分含量，以估算施用量。堆肥的氮素多以有機態存在，當季可供作物利用的氮量通常低於全氮量。

有效氮供應量可概念性表示為：

$$N_{\text{可利用}}= N_{\text{有機肥施入量}} \times N_{\text{總含量}} \times \text{當季礦化率}$$

實際估算還須扣除氨揮發、反硝化及淋洗等損失。

3. pH與電導度

• pH過低可能表示有機酸尚未分解完全。
• pH過高常伴隨氨態氮較多，易發生氨揮發。
• 電導度（EC）過高表示可溶性鹽分過多，施用於幼苗、設施栽培或鹽分敏感作物時，容易造成鹽害及生理乾旱。

4. 有機碳及碳氮比

碳氮比過高，施入土壤後容易造成微生物與作物競爭氮素；碳氮比適中且有機物穩定，較有利於土壤氮素供應。

（四）安全性

高品質堆肥應檢測並控制：

• 病原菌及寄生蟲。
• 雜草種子。
• 重金屬，如鎘、鉛、汞、鉻、砷、鎳等。
• 過高鹽分。
• 其他有害或植物毒害物質。

高溫處理可降低病原菌及雜草種子，但不能消除重金屬；重金屬一旦進入堆肥，仍須依原料來源及檢測結果管控。

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三、堆肥施用對土壤氮素供給的作用

（一）提供有機態氮

堆肥中的氮大多存在於蛋白質、胺基酸、微生物殘體及腐植質中，不能全部直接被作物吸收，必須經微生物分解及礦化。

其主要過程為：

核心觀念

鹽基飽和度（base saturation, BS）是指土壤膠體交換位置上，鹽基性陽離子所占陽離子交換容量的百分率。主要鹽基性陽離子包括交換性鈣、鎂、鉀及鈉，即 $\mathrm{Ca^{2+}}$、$\mathrm{Mg^{2+}}$、$\mathrm{K^+}$、$\mathrm{Na^+}$。

其基本公式為：

$$\mathrm{BS(\%)} = \frac{\text{交換性 Ca}+\text{交換性 Mg}+\text{交換性 K}+\text{交換性 Na}} {\text{陽離子交換容量（CEC）}} \times 100$$

各項須使用相同單位，通常以 $\mathrm{cmol_c\,kg^{-1}}$ 表示。

土壤交換性陽離子大致可分為：

• 鹽基性陽離子：$\mathrm{Ca^{2+}}$、$\mathrm{Mg^{2+}}$、$\mathrm{K^+}$、$\mathrm{Na^+}$
• 酸性陽離子：交換性氫及鋁，主要為 $\mathrm{H^+}$、$\mathrm{Al^{3+}}$

因此，鹽基飽和度越低，代表交換位置上酸性陽離子的比例越高；鹽基飽和度越高，代表鹽基性陽離子的比例越高。

鹽基飽和度與土壤酸鹼度通常具有正相關，但兩者並非完全相同。土壤有機質及黏土礦物所造成的負電荷數量、CEC大小，以及交換性鋁、氫的含量，都會影響其關係。

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解題方法

本題可依序從「定義—測定—過高影響—過低影響」四個部分作答：

1. 先寫出鹽基飽和度的定義與公式。
2. 說明測定時須先測定交換性鹽基，再測定CEC。
3. 分別說明鹽基飽和度過高、過低時的土壤化學環境。
4. 將化學環境連結至作物生長結果，例如養分有效性、毒害、根系生長及微生物作用。

作答重點不是只寫「高則鹼、低則酸」，而是要交代其作用機制。

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鹽基飽和度的測定方法

一、測定交換性鹽基

常用中性醋酸銨法，即以 $\mathrm{1\,N}$ 醋酸銨溶液、pH 7.0，與土壤充分混合萃取交換性陽離子。

萃取液中所含的交換性鈣、鎂、鉀、鈉可分別測定：

• 鈣、鎂：常以原子吸收光譜儀或感應耦合電漿分析。
• 鉀、鈉：常以火焰光度計、原子吸收光譜儀或感應耦合電漿分析。

得到：

$$\mathrm{交換性鹽基總量} = \mathrm{Ca+Mg+K+Na}$$

二、測定陽離子交換容量

以醋酸銨使土壤交換位置被 $\mathrm{NH_4^+}$ 飽和，再以適當溶液置換出吸附於土壤膠體上的 $\mathrm{NH_4^+}$，測定其含量，即可求得CEC。

常見表示方式為：

$$\mathrm{CEC} = \mathrm{交換性鹽基總量} + \mathrm{交換性酸總量}$$

實務上也可直接以醋酸銨法測定CEC。由於不同萃取劑及pH條件會影響結果，報告鹽基飽和度時應註明測定方法。

三、代入公式

例如某土壤測得：

$$\mathrm{Ca}=6,\quad \mathrm{Mg}=2,\quad \mathrm{K}=0.5,\quad \mathrm{Na}=0.5$$

單位均為 $\mathrm{cmol_c\,kg^{-1}}$，且：

$$\mathrm{CEC}=20\ \mathrm{cmol_c\,kg^{-1}}$$

則：

$$\mathrm{BS} = \frac{6+2+0.5+0.5}{20}\times100 = 45\%$$

表示土壤交換位置約有 $45\%$ 由鹽基性陽離子占據，其餘主要由酸性陽離子占據。

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鹽基飽和度過高對作物的影響

鹽基飽和度過高通常表示土壤偏中性至鹼性，交換位置大多由鈣、鎂、鉀、鈉等鹽基性陽離子占據。其影響如下。

一、微量元素有效性降低

在偏鹼性條件下，鐵、錳、鋅、銅等微量元素容易形成難溶性化合物，導致有效性下降。

例如：

• 鐵有效性降低，造成幼葉黃化。
• 鋅有效性降低，造成節間縮短、葉片小化。
• 錳、銅有效性降低，影響光合作用及酵素活性。

其根本原因是土壤pH升高，使微量元素以氫氧化物、碳酸鹽或其他難溶形態存在，降低根部可吸收的離子濃度。

二、磷有效性下降

在石灰質或高鈣、高pH土壤中，磷容易與鈣形成難溶性的磷酸鈣類化合物，降低磷的有效性。

結果可能造成：