108 高普考高考三級 農業技術 土壤學 考古題詳解

核心觀念

生物炭（biochar）是農業廢棄物等生質材料在低氧或缺氧條件下經熱裂解製成、含碳量高且較穩定的多孔性材料。它施入土壤後，可同時發揮土壤改良資材、養分與水分調節介質、污染物吸附劑及穩定碳庫等作用。

本題要依題目指定的三個面向作答：土壤改良、作物栽培、環境保護。生物炭的效果會受到原料、製程溫度、施用量、土壤性質與管理方式影響，以下說明的是其具代表性的效益。

解題方法

採「土壤性質改善 → 作物生長效應 → 環境效益」的順序整理。作答時須將生物炭的物理、化學及生物性質，連結到作物生長與環境保護的結果，避免只列「增加肥力」等抽象結論。

參考作答

一、對土壤改良的效益

1. 改善土壤物理性質 生物炭具有多孔結構、比表面積大且容積密度低，可改善土壤孔隙與團粒結構，增加土壤保水能力及通氣性。對保水、保肥能力較差的砂質土，或結構不良的土壤，具改良潛力。

2. 調節土壤化學性質 部分生物炭呈鹼性，可提高酸性土壤 pH，降低鋁毒害，並改善根系生長環境。其表面官能基與帶電位點可吸附、保留部分陽離子養分，提升陽離子交換能力，減少養分流失；生物炭本身所含灰分也可能提供鉀、鈣、鎂等礦物元素。

3. 促進土壤生物作用 多孔表面可提供微生物棲息空間，並藉由調節水分、通氣與養分條件，改善部分土壤微生物的生存環境，促進養分循環。

二、對作物栽培的效益

1. 改善根系生長環境 土壤保水、通氣及酸度改善後，根系較易伸展，有助於作物吸收水分與養分；在酸性、貧瘠或易乾旱土壤中，效果通常較具應用價值。

核心觀念

本題考查土壤團粒構造的形成、農藝效益，以及維持良好土壤物理性質的管理方法。

土壤團粒構造是土粒（如砂粒、坋粒、黏粒）受有機質、黏土礦物、鐵鋁氧化物及生物作用黏結，形成具有一定形狀與穩定性的次級土粒。良好的團粒同時具有適當大小的孔隙：團粒內及團粒間的小孔隙可蓄水，團粒之間的大孔隙則有利於通氣與排水。

解題方法

作答可分成兩部分：先從水分、空氣、根系與耕作說明團粒構造對作物的效益；再從「增加團粒膠結物質、促進生物作用、減少破壞因素」三個方向，說明如何建立並維持團粒。

團粒構造對栽培作物的重要性

1. 改善土壤通氣與排水 團粒間的大孔隙可讓空氣流通並排除多餘水分，供應根系呼吸所需的氧氣，降低土壤積水及缺氧的不利影響。

2. 增加保水與供水能力 團粒內及較小孔隙能保留水分，使作物在降雨或灌溉間隔期間仍可取得水分。良好的團粒孔隙組成兼顧蓄水與排水，不易因排水不良而長時間飽水。

3. 促進根系伸展與養分吸收 鬆散而穩定的團粒可降低土壤阻力，使根系較易深入土層，擴大吸收水分與養分的範圍；適當的水氣條件也有利於根系生長及土壤微生物活動。

4. 提高抗侵蝕與抗結皮能力 穩定團粒較不易被雨滴打散，可減少表土飛濺、流失與地表結皮，維持水分入滲，並降低幼苗出土受阻的情形。

5. 利於耕作與種子萌發 適度團粒可形成良好種床，讓種子與土壤接觸適當，並利於播種、出苗及田間耕作。土壤過度緊實或結塊則會增加耕作阻力、妨礙出苗與根系生長。

促進及維持團粒構造的方法

核心觀念

本題考查土壤微生物與作物的共生關係，以及這些關係如何改善養分與水分吸收。作答時應分別說明根瘤菌與菌根菌的共生方式、主要作用及其對作物生長的影響。

• 根瘤菌（Rhizobium）：與豆科植物根部共生，促使根部形成根瘤，並在根瘤內固定大氣中的氮氣，轉為植物可利用的含氮化合物。
• 菌根菌（mycorrhizal fungi）：與植物根系共生，真菌菌絲在土壤中延伸，增加根系可接觸的土壤範圍，協助植物吸收養分與水分。

解題方法

可依「共生位置與方式 → 主要資源交換 → 對作物的生長效益」分別作答，並以根瘤菌固定氮、菌根菌擴大吸收範圍作為兩者的核心區別。

一、根瘤菌對作物生長的影響

根瘤菌與適合的豆科植物建立共生關係後，根部形成根瘤。根瘤菌利用固氮酶將大氣中的氮氣轉化為氨態氮，供植物合成胺基酸、蛋白質及其他含氮物質。植物則提供光合作用產生的碳水化合物，供根瘤菌取得能量。

根瘤內的氧氣濃度須受到調節：固氮酶對氧敏感，但固氮作用仍需要能量供應。根瘤中的豆血紅素（leghemoglobin）有助於調節氧氣供應，兼顧根瘤菌呼吸與固氮酶活性。

根瘤菌可提升豆科作物的氮素營養，促進植株生長及蛋白質合成，並有助於降低對外加氮肥的依賴。收穫後的根與殘體也可將部分氮素留在土壤中，供後續作物利用。固氮效益會受根瘤菌與宿主的相容性、土壤酸鹼度、磷與鉬等養分供應、水分及土壤氮素狀況影響；土壤中無機氮充足時，植物形成根瘤與固氮的程度通常會降低。

核心觀念

本題考查土壤水分的有效性，以及如何將土壤水分特性曲線轉化為灌溉時機與灌溉量的依據。

• 田間容水量（field capacity, FC）：土壤充分濕潤後，重力水大致排除，土壤所能保持的水分量。常以土壤水吸力約 $-10$ 至 $-33\ \text{kPa}$ 作為參考範圍，實際值受土壤質地與結構影響。
• 永久凋萎點（permanent wilting point, PWP）：作物吸水能力不足、即使置於適宜環境仍不能恢復膨壓時的土壤水分狀態，常以約 $-1500\ \text{kPa}$ 水吸力表示。
• 有效水分（available water, AW）：田間容水量與永久凋萎點之間，作物根系通常可利用的水分。

若土壤含水量以體積含水率表示，根系有效土層深度為 $Z_r$，則每單位面積的有效水量可估為：

其中 $\theta_{FC}$、$\theta_{PWP}$ 分別是田間容水量與永久凋萎點的體積含水率。若含水量以重量百分率表示，須先依土壤容積密度換算成體積含水率，才能計算土層水深。

解題方法

可依「建立土壤水分基準—判讀作物可利用水分—設定灌溉時機與水量」的順序作答。

1. 以 FC 與 PWP 界定可利用水分範圍 FC 是根區排水後的上限基準，PWP 是作物難以再利用的下限基準。兩者之差代表根區的總有效水量；土壤水分低於 FC 後，作物逐步消耗儲水，接近 PWP 時缺水危害顯著。

2. 用水分特性曲線把含水量與水吸力連結 土壤水分特性曲線表示土壤含水量與基質吸力（或水勢）之間的關係。依土壤質地或田間實測曲線，可將張力計、土壤水分計等測得的吸力換算為含水量，或由含水量判斷土壤乾燥程度。

核心觀念

沼液、沼渣是畜牧糞尿經厭氧消化後產生的液體與固體副產物。厭氧消化可回收沼氣，處理後的沼液、沼渣仍含氮、磷、鉀及有機質等成分，因此可作為農地肥分。其效果取決於原料來源、處理程度、成分濃度、施用量與施用方式；不能把「資源化」直接等同於「施用越多越好」。

本題重點是從三個層次分析：沼液沼渣改變土壤的肥力與性質，進而影響作物生長；未被土壤與作物利用的養分或污染物，則可能進入水體、空氣及食物鏈。

若涉及施用管理，應以命題當年（民國 108 年）法規為準。當時《水污染防治措施及檢測申報管理辦法》已設有沼液沼渣農地肥分使用規範，施用須依核准計畫及規定管理，並非可任意排放或灌施。

解題方法

採「益處與風險並列」的方式作答。先指出沼液沼渣提供水分、養分與有機物的正面作用，再說明超量或管理不當時，養分、鹽分及微量元素累積，可能造成土壤、作物及環境問題。最後補上施用管理原則，讓答案兼顧農業效益與環境品質。

一、對土壤的影響

正面影響

• 補充氮、磷、鉀及部分微量元素，增加土壤養分供應，減少部分化學肥料需求。
• 沼渣所含有機物可補充土壤有機質，促進微生物活動，並有助於團粒形成、土壤保水及通氣等物理性質。
• 沼液兼具供水與施肥效果，在水資源不足或降雨不穩定的地區，可補充灌溉水分。

負面影響

• 沼液沼渣的養分含量及比例會隨畜種、飼料與處理方式而變動。若施用量未依土壤肥力、作物需求與肥料成分調整，可能造成氮、磷累積或養分比例失衡。
• 沼液常含水溶性鹽類；長期大量施用可能提高土壤電導度（EC），造成鹽分累積，影響土壤生物與作物吸水。
• 畜牧糞尿可能帶入銅、鋅等元素。若長期超量施用，可能在土壤累積並造成作物吸收或土壤污染疑慮。
• 沼液沼渣的酸鹼值與土壤緩衝性不同，可能使土壤 pH 改變；施用前後宜監測土壤 pH、EC、養分及相關元素。

二、對作物栽培的影響

正面影響

• 提供作物生長所需的養分與水分，可作為肥料及灌溉水的補充來源。
• 若依作物種類、生育期與養分需求適量施用，可減少部分化學肥料支出，並維持或提升作物生長與產量。
• 有機質及多種養分回歸農田，有助於建立畜牧與種植間的養分循環。

負面影響