112 高普考高考二級 土壤肥料 土壤肥力與植物營養研究 考古題詳解

核心觀念

堆肥化（composting）是將有機廢棄物在適當水分、通氣與碳氮比例下，經微生物分解與轉化，製成較穩定、腐植化且可供土壤利用之有機資材的過程。它以好氧分解為主，微生物利用有機碳作為能源，並將有機物中的養分轉化為較穩定或植物可利用的形式。

堆肥化不是單純把有機物「腐爛」，而是包含有機物分解、微生物生長、腐植質形成與熟成穩定等連續變化。典型過程可概分為中溫期、高溫期、降溫期及熟成期；各階段的溫度與微生物族群會更替，堆肥物質的化學性質也隨之改變。

解題方法

作答時依序交代堆肥化的定義、化學性變化及進行堆肥的理由。化學變化可從題目提示的 $pH$、$C/N$ ratio、腐植質及氮形態切入，並連結其背後的微生物作用；最後說明堆肥的農業與環境效益。

堆肥化過程中的化學性改變

• **有機碳與有機物含量下降：**微生物分解碳水化合物、蛋白質、脂質等易分解有機物，將部分碳轉為二氧化碳逸散，另有部分用於微生物生長及腐植質形成。因此，堆肥總有機物與有機碳通常下降，物質逐漸穩定。

• **$C/N$ ratio 下降：**碳經呼吸作用以二氧化碳形式大量流失；氮則有一部分保留在微生物生物量、腐植質及無機態氮中。一般而言，碳的相對損失大於氮，故 $C/N$ ratio 隨堆肥化進行而降低。若原料碳氮比過高，微生物會暫時固定氮，可能使施入土壤後發生氮素競爭；若碳氮比過低，則較容易因氮過剩而產生氨揮散。

• **$pH$ 先降後升並趨於穩定：**初期有機酸等酸性中間產物累積，$pH$ 可短暫下降；隨後蛋白質等含氮有機物分解、胺化與氨化作用增強，氨及銨態物質增加，$pH$ 常上升。熟成階段有機酸逐漸被分解或中和，$pH$ 趨於穩定。變化幅度會受原料組成、通氣與水分等條件影響。

• **含氮形態改變：**有機氮先經氨化作用轉為 $NH_4^+$。高溫及偏鹼環境下，銨態氮可轉成氨氣而揮散，造成氮損失；堆肥降溫且通氣條件適宜後，硝化微生物可將 $NH_4^+$ 氧化成 $NO_3^-$。因此，堆肥中常見的趨勢是早期銨態氮增加，熟成過程中銨態氮下降、硝酸態氮增加。成熟堆肥通常不應有大量未轉化的銨態氮，否則可能代表仍未熟成或存在氨害風險。

核心觀念

本題考查化學磷肥如何把天然磷礦中的難溶性磷，轉變成較易被植物利用的磷肥，以及常見產品的原料、製程、主要成分與性質。磷肥標示的磷含量通常以磷酐 $P_2O_5$ 表示；評估肥效時，須注意總磷與水溶性磷並不相同。

化學磷肥可依製法概分為酸處理磷肥與熱處理磷肥。酸處理利用硫酸、磷酸或硝酸分解磷礦；熱處理則以高溫熔融或燒結，使難溶性磷轉為較易溶解的形態。

解題方法

依「原料與製程 → 主要反應 → 常見肥料及特性」作答。先說明磷礦酸化的共同原理，再列出代表性產品，並比較其磷形態與施用特性。

一、酸處理磷肥的生產

磷礦主要成分可用磷酸鈣表示，實際礦石通常含氟磷灰石等礦物。磷礦經選礦、乾燥與細磨後，與酸反應；酸化使原本難溶的磷轉成水溶性或檸檬酸溶性磷。

1. 過磷酸鈣（普鈣）

以細磨磷礦與硫酸反應，反應後熟化，再破碎、造粒或包裝。主要有效成分為磷酸一鈣，並含硫酸鈣。

實際磷礦的礦物組成較複雜，反應產物也可能含水合磷酸一鈣等。普鈣含水溶性磷，並兼含鈣與硫，通常適合作基肥。

2. 重過磷酸鈣（重鈣、三料過磷酸鈣）

以磷酸處理磷礦，生成磷酸一鈣；產品中硫酸鈣含量遠低於普鈣，因此同重量產品的磷酐含量較高。

工業製程通常包括磷礦細磨、與磷酸混合反應、熟化及造粒。重鈣主要供應水溶性磷，體積較小、養分較集中。

3. 磷酸銨

先以硫酸或磷酸分解磷礦製得磷酸，再以氨中和、造粒，製成磷酸銨肥料。常見品目包括磷酸一銨（MAP）與磷酸二銨（DAP）。

核心觀念

本題考查「生物固氮」的定義，以及它如何增加農業生態系中的氮供應、降低對化學氮肥的依賴。

大氣中約有 $78\%$ 的氮以氮氣（$N_2$）存在，但多數植物無法直接利用氮氣。生物固氮作用是指固氮微生物利用固氮酶，將大氣中的氮氣還原為氨（$NH_3$）；氨進入土壤後可轉為銨態氮（$NH_4^+$），供植物吸收，或經微生物轉化後進入土壤氮循環。

固氮反應可概略表示為：

此式顯示，固氮作用需要還原力與大量能量；反應由固氮酶催化，而固氮酶對氧敏感，固氮微生物須以適當機制維持酵素活性。

固氮微生物依生活方式可分為：

• 共生固氮：例如根瘤菌與豆科植物共生，在根瘤中固氮；植物提供碳源與能量，微生物提供固定後的氮。
• 非共生或聯合固氮：例如某些自由生活或與植物根圈相關的固氮微生物，未形成典型根瘤也能固定氮氣。

解題方法

依題目兩個問句分段作答即可：

1. 先定義生物固氮：指出固氮微生物、固氮酶，以及氮氣被還原為氨，避免只寫「植物吸收空氣中的氮」。
2. 再說明農業優點：從氮素供應、肥料成本、土壤肥力與農業永續等層面，交代固氮如何帶來實際效益。

作答時應區分「固氮」與「植物直接吸收氮氣」：植物通常利用土壤中的銨態氮或硝酸態氮，氮氣須先經微生物固定，才進入植物可利用的氮素庫。

對農業經營的優點

核心觀念

本題考查生物炭（biochar）的製作原理，以及施入土壤後對土壤性質、植物生長和環境可能造成的正負影響。生物炭通常指生物質在缺氧或限氧條件下，經熱化學轉化而形成、富含碳且相對穩定的固體產物；它不是成分與性質固定的單一材料，原料、製程溫度、加熱速率、停留時間及後處理都會影響其品質與效應。

解題方法

作答可依「製作方式 → 炭材特性 → 土壤與植物效應 → 限制及風險」順序說明。優點與缺點宜分別涵蓋土壤物理性、化學性、生物性及環境面向，並指出效果受土壤種類、炭材性質、施用量及管理方式影響，不宜將生物炭描述成適用所有土壤的萬用肥料。

生物炭的製作

生物炭常以木材、枝葉、作物殘體、稻殼、畜禽糞肥等生物質為原料，經熱解（pyrolysis）製成。製程通常在缺氧或限氧環境中加熱，使原料中的揮發性物質逸出，留下富含碳的固體炭材；過程中也會產生可燃氣體及液態副產物。氣化、炭化等熱化學處理亦可產生炭質材料，但其產物性質不必然相同。

製程條件會改變成品特性。一般而言，較高熱解溫度常使炭材芳香性及碳穩定性提高，揮發分降低，灰分、pH及比表面積則可能改變；原料不同也會影響養分含量、灰分與鹽分。施用前宜評估其 pH、電導度、養分、污染物及其他品質指標，必要時進行熟化或預先充填養分。

添加到土壤後的可能優點

1. 增加碳的穩定儲存：生物炭中的部分碳較不易迅速分解，可提高土壤碳庫，並有助於長期碳封存。
2. 改善土壤物理性質：多孔結構可增加土壤孔隙與通氣性；在特定土壤及施用條件下，也可改善持水性、降低容積密度，並有助於團粒形成。
3. 調整土壤化學性質：含灰分且呈鹼性的生物炭可提高酸性土壤 pH，並提供鉀、鈣、鎂、磷等養分。其表面官能基及交換位點亦可能提高陽離子交換能力，增加養分保留、降低部分養分淋洗。