110 高普考高考二級 土壤肥料 土壤微生物與土壤生態研究 考古題詳解

核心觀念

本題考查土壤生物的體型分級、代表類群，以及生物在土壤生態系中的功能。常見的體型分類依生物體寬度或體型大小，分為：

1. 微生物（microorganisms）：如細菌、真菌、藻類、原生生物。
2. 中型土壤生物（mesofauna）：如蟎、彈尾目昆蟲、線蟲。
3. 大型土壤生物（macrofauna）：如蚯蚓、白蟻、螞蟻。

不同教材對尺寸界線略有差異；作答時應掌握「微生物—中型生物—大型生物」三大類，並以代表生物及其生態功能說明。

解題方法

先依體型列出三大類，再各舉三種代表生物；最後從分解、養分循環、土壤結構與生物交互作用等功能中，挑選每一類至少一種生物深入說明。第三小題的得分關鍵是寫出「生物的活動如何造成土壤生態效果」，而不只列出名稱。

（一）土壤生物的三大類

1. 微生物
2. 中型土壤生物
3. 大型土壤生物

（二）各類代表生物

（三）代表生物在土壤中的作用

1. 微生物：細菌

細菌參與土壤有機質分解與養分轉化。異營細菌分解植物殘體及其他有機物，釋出二氧化碳，並將有機態養分轉化為無機態，供植物吸收。某些細菌也能進行特定的養分轉化，例如硝化細菌將銨態氮氧化成硝酸態氮；

核心觀念

本題考查土壤微生物在養分循環、土壤結構維持、植物營養與植物健康等方面的功能。土壤微生物包括細菌、真菌、放線菌、藻類及原生生物等；它們透過分解有機物、轉化養分、與植物根系共生或抑制病原菌，影響土壤肥力與植物生長。

作答時應同時說明微生物對土壤環境及對植物的作用；每項寫出作用機制與結果，避免只列微生物名稱。

解題方法

可依「土壤養分循環、植物營養、土壤物理環境、植物健康與生長」分類列點。題目要求至少六項，以下列舉八項，並分別說明作用機制及其土壤或植物效益。

土壤微生物的主要功用

一、有機物分解與養分礦化

腐生細菌、真菌及放線菌分泌胞外酵素，分解植物殘體、動物遺體及其他有機物中的纖維素、半纖維素、蛋白質等。分解過程將有機態氮、磷、硫等轉化為植物較容易利用的無機態養分，並促進腐植質形成。

此作用維持土壤養分循環；若分解作用受限，養分釋出減少，植物可利用的養分也會下降。

二、固氮作用

固氮微生物將大氣中的氮氣還原為氨，增加土壤氮素來源。根瘤菌與豆科植物共生，在根瘤中固氮；固氮菌等也能在根際或土壤中自由生活，藍綠菌亦具有固氮能力。

根瘤共生固氮可提高豆科植物的氮素供應；部分固定氮會經根系分泌物、根瘤周轉及殘體分解進入土壤氮循環。

三、氮素轉化與硝化作用

微生物參與土壤氮素的礦化、硝化及反硝化。硝化微生物將銨態氮轉為亞硝酸態氮，再轉為硝酸態氮，影響土壤氮素型態及植物吸收。

缺氧時，反硝化微生物可將硝酸態氮還原為氮氣或氧化亞氮，造成土壤氮素損失，並影響溫室氣體排放。因此，微生物既參與養分轉化，也可能造成養分流失。

四、菌根共生與植物養分吸收

菌根真菌與植物根系形成共生關係。菌絲延伸至根系未能充分探索的土壤孔隙，增加根系吸收範圍，尤其有助於磷及部分微量元素的吸收；植物則提供真菌光合作用產生的碳水化合物。

核心觀念

本題前半考生物固氮微生物的基本分類，後半考菌根的定義、功能及依真菌菌絲與植物根部組織位置所作的分類。菌根是植物根與真菌形成的共生關係；答題時應掌握兩類菌根的辨別重點：菌絲是否進入根部細胞，以及根部是否形成菌絲鞘、哈氏網或叢枝等構造。

解題方法

先依題目小題順序作答：固氮微生物列出共生性與非共生性兩類；菌根先定義並說明雙方交換的資源，再以菌絲在根部的位置區分外生菌根與內生菌根；最後將 Arbuscular mycorrhiza 對應到內生菌根，說明其根內構造與養分交換方式。

（一）具有固氮能力的微生物包含哪兩大類？

具有固氮能力的微生物，依與植物是否形成共生關係，可分為：

1. 共生性固氮微生物：與植物形成共生關係，從植物獲得碳源及適合的生存環境，並將固定的氮提供給植物。例如豆科植物根瘤中的根瘤菌（Rhizobium）。
2. 非共生性固氮微生物：不必與植物形成專一共生構造，能在土壤或其他環境中自行固氮。例如固氮菌（Azotobacter）及部分藍綠菌。

（二）說明菌根（mycorrhiza）的意義與作用

菌根是土壤真菌菌絲與植物根部形成的共生體。真菌菌絲可延伸至根系周圍土壤，增加植物吸收水分及礦物養分的範圍；植物則以光合作用產生的碳水化合物供給真菌。

其主要作用包括：

• 促進養分吸收：真菌菌絲擴大根系的有效吸收範圍，尤其有助於吸收移動性較低的磷，也可協助吸收氮及其他礦物元素。
• 增加水分利用：菌絲可探索根毛難以到達的土壤孔隙，協助植物取得水分。
• 提升植物適應力：菌根可協助植物面對乾旱、養分不足及部分土壤病原壓力。
• 取得植物碳源：植物將光合產物供給真菌，維持菌絲生長與菌根共生。

（三）菌根可分成哪兩大類？並詳細說明之

依真菌菌絲在植物根部的分布位置，菌根主要分為外生菌根與內生菌根。

1. 外生菌根（ectomycorrhiza）

• 真菌菌絲在根表形成菌絲鞘，並進入根部皮層細胞之間，形成哈氏網（Hartig net）。
• 菌絲一般不穿入根部細胞內部，因此主要在根表及細胞間隙與植物進行物質交換。
• 常見於森林木本植物，例如松、栎等植物。

核心觀念

物種多樣性（species diversity）通常包含兩個面向：

1. 物種豐富度（species richness）：群聚中物種的數目。
2. 物種均勻度（species evenness）：個體在不同物種間的分配是否平均。

豐富度只看「有幾種」，均勻度則看各物種的個體數是否接近。多樣性指數會以不同方式結合這兩項資訊。

解題方法

本題第二小題分別選用一個常用的物種豐富度指數與物種均勻度指數，說明公式及解讀方式。不同教材或研究可能採用其他指數；作答時應清楚指出所用指數及變數定義。

1. 物種豐富度：Margalef 指數

其中 $S$ 為物種數，$N$ 為群聚中個體總數，$\ln$ 為自然對數。此指數以物種數衡量豐富度，並以總個體數進行標準化；指數越大，表示在相同總個體數下觀察到的物種數相對越多。

2. 物種均勻度：Pielou 均勻度指數

其中 $H'$ 為 Shannon 多樣性指數，$S$ 為物種數。由於 $H'$ 的理論最大值為 $\ln S$，所以 $J'$ 介於 0 與 1 之間；越接近 1，代表各物種個體數分配越平均。

Shannon 指數的計算式為：

其中 $p_i=n_i/N$，$n_i$ 是第 $i$ 種的個體數，$N=\sum_i n_i$ 是個體總數。$H'$ 越大，通常表示物種數較多或個體分布較均勻。

計算題：Shannon 多樣性指數

四種微生物的個體數為 40、20、20、20，故總個體數為：