112 高普考高考三級 水土保持工程 植生工程 考古題詳解

核心觀念

本題的核心在於「表土（Topsoil）的物理、化學與生物學特性」及其在「坡地植生復育與生態工程」中的關鍵功能。

1. 表土層的定義與特性（$0 \sim 30\text{ cm}$）：

• 自然土壤剖面中，地表 $0 \sim 30\text{ cm}$ 多屬有機質層（O層）與表土層（A層），集中了全剖面 $80\%$ 以上的有機質、有效性養分（氮、磷、鉀等）及土壤微生物（如菌根菌、固氮菌）。
• 具備良好的「團粒構造」（soil aggregate structure），兼具高孔隙度、高保水力與優良通氣透水性。
• 蘊藏豐富的「土壤種子庫」（soil seed bank）與植物地下繁殖器官（走莖、根莖、塊莖等）。

2. 植生導入工法之定義：

• 播種法：人工將草本或木本植物種子直接撒播或噴植於坡面。
• 栽植法：利用苗木、袋苗、盆苗、草皮或插條直接種植於土壤中。
• 植生誘導法：不直接大規模施作外來人工種子，而是藉由改善微生育環境、營造基盤，誘導周邊飛來之天然種子雨或原土種子庫萌發，促進演替。

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解題方法

解題切入點應分為兩大主軸：

1. 機理解析：說明施工前挖除並保留 $30\text{ cm}$ 表土、後續再回鋪，對基盤改良的不可替代性（物理性、化學性、生物性）。
2. 個別成效剖析：分項論述回鋪表土如何具體提升「播種法」、「栽植法」及「植生誘導法」之成效。

一、表土保留與回鋪之生態基盤效益

若開挖整地後直接於裸露之深層土（心土、母岩層）進行植生，常面臨強酸/強鹼、養分貧瘠、過度壓密、通氣及保水力極差等問題。回鋪 $30\text{ cm}$ 表土能提供：

• 物理性改善：降低土壤總體密度（bulk density），打破堅實底土層，提供抗沖蝕之微地形與通氣孔隙。
• 化學性改善：提供豐富有機膠體，提升陽離子交換容量（$\text{CEC}$）與緩衝能力，減少施肥需求與淋洗流失。
• 生物活性活化：移植當地的共生菌與有益微生物群落，加速養分循環，形成抗逆境微環境。

二、對三大植生導入工法成效之提升機制

1. 對「播種法」之成效提升：

• 提供優良種床（Seedbed）環境：發芽初期種子抗旱力極弱。表土的高毛細管保水力可維持種子吸水發芽所需之穩定濕度，降低發芽失敗率。
• 減少表面硬化（Crusting）阻力：心土遇雨易泥化、乾燥時表面結硬殼，阻礙胚芽出土；回鋪表土具優良團粒構造，可確保幼苗順利穿透出土。
• 加速初期根系拓展：表土孔隙度大、阻力小，有助於胚根向下伸展，使幼苗於暴雨沖蝕前迅速定著扎根。

2. 對「栽植法」之成效提升：

• 大幅減緩移植休克（Transplant shock）：移植苗木的細根與根毛在搬運與定植時受損嚴重。回鋪之表土鬆軟、通氣透水性佳，能誘導新根迅速再生。
• 促進根瘤菌與菌根菌共生：苗木吸收水分與微量元素（特別是磷）高度依賴菌根。原土保留的原生微生物菌相，能與苗木根系迅速建立共生體系，提高成活率。
• 避免「花盆效應」與根部腐爛：若在密實心土上直接穴植，穴內回填客土易形成積水之「花盆效應」導致爛根；

核心觀念

本題考查植物生態學中的「次生演替（Secondary Succession）」、「先驅樹種（Pioneer Species / $r$-策略者）」與「植生水土保持力學與水文功能」的跨領域整合。

1. 極端崩塌立地逆境：水土保持工程面對的特殊地區（如崩塌地、開挖裸露邊坡、沖蝕溝、泥岩惡地、礦區廢棄地）通常具備強光直射、地表溫差劇烈、土壤極度貧瘠（缺乏有機質與氮素）、保水保肥力差、基質鬆動不穩定等環境逆境。
2. 生物適應特徵：演替早期樹種（先驅種）具備喜陽（陽性樹種）、初期生長快速、耐瘠抗旱、生殖量大且傳播力強、共生固氮或菌根協同、以及根系深廣且萌櫱力強等共同生態與生理特性。
3. 水土保持機制：地上部提供消能截留（降雨動能弱化、抗飛濺沖蝕），地下部透過根系網絡提供土壤錨定與抗剪加勁效果（增強土體剪力強度 $\Delta S$），並藉由落葉枯枝改善表土微環境以促進後續演替。

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解題方法

本題屬標準的生態工程申論題，答題邏輯應建立在**「環境逆境 $\rightarrow$ 生物特性適應 $\rightarrow$ 水土保持工程效益」**的三維對應架構，切忌僅條列生物學名詞而忽略工程目的。具體論述策略如下：

1. 立地條件破題：開篇先界定「特殊地區」的極端物理與化學逆境特徵，點出非早期樹種難以存活的原因。
2. 生物特性剖析：分項論述生殖繁殖、光合生理、水分與養分利用、形態生長、根系發達度等五大核心生物特性。
3. 水保功能連結：逐項嚴密對應至水文學效應（雨滴截留、逕流消能、蒸散降排）與土力學加勁效應（根系網絡錨定、增加土壤抗剪強度）。
4. 實務案例印證：舉出台灣野外代表性先驅樹種（如台灣赤楊、相思樹、山黃麻、血桐）之實例，佐證學理應用性。

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選項分析

本題為高考三級專業科目之「申論題」，無選項結構。評分標準著重於：

1. 條理性與完整性：生物特性的歸納是否周延（不可只寫生長快或根深，須涵蓋種子、生理代謝、養分共生與結構力學）。
2. 理論結合深度：是否將純林學特性轉譯為水土保持專門術語（如「截留」、「土體剪力強度加勁值 $c_r$」、「土表覆蓋度」）。
3. 本土工程實務：能否切合台灣崩塌裸露地之現地生態工程實務。

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解題技巧

1. 聯想口訣（繁、陽、速、抗、根）：

• 繁：種子多、輕、休眠持久、傳播遠。
• 陽：強陽性、光合飽和點與補償點高。
• 速：初期樹高與冠幅生長極速，迅速覆蓋地表。
• 抗：耐旱耐熱耐貧瘠，多具共生固氮微生物。
• 根：根系分布廣且深、抗拉強度大、萌櫱與受創修復力強。

2. 力學公式點綴加分：適度帶入側坡穩定之莫爾－庫侖延伸公式 $S = c' + c_r + (\sigma - u) \tan\phi'$，強調根系凝聚力附加值 $c_r$（Root Cohesion），展現工科水保之專業深度。
3. 常見失分陷阱：過度強調演替後期（耐陰樹種）的穩定森林特色，或是將草本植物的特性誤植於木本早期樹種上。

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【答案】

一、演替早期樹種（先驅種）面臨之特殊地區逆境特徵

水土保持工程所處理之特殊地區（如山坡地崩塌裸露面、新闢道路邊坡、泥岩惡地、崩積層），通常缺乏成熟林相之微氣候調節，具有以下惡劣環境因子：

1. 物理因子：全日照強光曝曬、夏季地表高溫極端、水分蒸散劇烈、表土受風雨直接衝擊易滑動。
2. 化學因子：母岩風化未完全，土層淺薄，極度缺乏氮、磷等有效性養分與有機質。
3. 力學因子：坡面未穩定，常有滾石、土石蠕動及雨水淘刷之剪切破壞威脅。

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二、演替早期樹種的共同生物特性及其環境適應機制

核心觀念

1. 法規依據（以命題當年民國 112 年法規為準）： 依據《水土保持技術規範》第六編「植生工程」及相關調查準則，開發基地之植生調查旨在掌握基地原有的植被現況、植物相（Flora）、植物群落（Plant Community）結構與演替階段，作為後續坡面穩定、植生復育與原生樹種選配之依據。
2. 植物群落調查的核心挑戰： $50\text{ 公頃}$（$500,000\text{ m}^2$）屬於中大尺度的坡地基地，地形通常起伏多變、具有顯著的環境梯度（微氣候、坡度、坡向、土壤深度與水分條件）。若僅採「純逢機抽樣（Simple Random Sampling）」，易聚集於大面積均質區而遺漏特殊微生育地；若採「主觀便利抽樣（Convenience Sampling）」，則易受既有道路與林道可及性影響，產生嚴重的樣品偏差（Sampling Bias）。
3. 樣區布設基本原則： 樣區散布必須兼顧代表性（Representativeness）、均勻性（Spatial Uniformity）與異質性涵蓋度（Heterogeneity Coverage），在統計生態學上最常採用「環境分層系統隨機取樣法（Stratified Systematic / Random Sampling）」搭配「環境梯度樣線法（Gradient-directed Transects / Gradsects）」。

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解題方法

欲將數十個樣區有效且充分地散布於 $50\text{ 公頃}$ 基地內，應依循「先分層、再布網、納梯度、補特殊、做檢驗」五大步驟進行配置：

一、前置分層作業（Stratification）：劃定抽樣單元

在樣區落地前，先利用航照圖（遙測影像）、數值高程模型（DEM）及既有地質土壤圖進行環境分層：

1. 植被型分層：依林相劃分為次生闊葉林、針闊葉混合林、竹林、人工造林地、灌叢草生地與受擾動裸露地。
2. 微地形與環境梯度分層：依海拔高程、坡度（如平緩坡、陡坡）、坡向（向陽坡、背陽坡）及微地形單元（稜線、上坡、中坡、下坡、溪谷／水岸）劃分不同微生育地。

二、樣區數量分配原則（Allocation of Quadrats）

設樣區總數為 $N$（本題設定為幾十個，例如取 $N = 50$ 個樣區）：

1. 面積比例法（Proportional Allocation）： 各分層群落之樣區數 $n_i$ 依該分層佔全區面積之比例初步分配： $n_i = N \times \frac{A_i}{A_{\text{total}}}$ 其中 $A_i$ 為第 $i$ 個分層面積，$A_{\text{total}} = 50\text{ 公頃}$。
2. 異質性加權調整（Neyman Optimal Allocation）： 結構複雜、物種多樣性高之天然次生林或微環境變化劇烈的溪谷過渡帶（Ecotone），應酌予調高樣區分配比重；林相單純的人工造林地或竹林則適度減少。

三、空間散布布設方式（Spatial Layout Strategies）

為確保樣區散布能客觀且全面地涵蓋全區，現場布設採取以下三種主要手法的互補結合：

1. 網格系統取樣法（Systematic Grid Sampling）—— 確保空間均勻性：

• 將 $50\text{ 公頃}$ 基地套疊正方格網（例如以 $100\text{ m} \times 100\text{ m}$ 為一網格，全區約劃為 $50$ 格）。
• 在各網格的交點或幾何中心點設置樣區，避免人為主觀挑選好走路線之偏誤，確保全基地各角落均有均勻的抽樣點。

2. 環境梯度樣線法（Gradsect Method）—— 掌握群落垂直連續變異：

• 沿著主導植物分布的關鍵環境梯度（如「溪谷 $\rightarrow$ 中坡 $\rightarrow$ 稜線」或「迎風坡 $\rightarrow$ 背風坡」）拉設數條橫切取樣線。
• 沿樣線依等間距或梯度變化點布設樣區，藉此調查植物群落隨水分、光照、風壓產生的連續漸變特徵與演替序列。

3. 特定微生育地補充樣區（Targeted / Purposive Quadrats）—— 防止稀有物種遺漏：

核心觀念

本題評量植生力學特性在邊坡淺層崩塌防治上的工程應用。其核心學理根植於邊坡穩定之極限平衡分析（Limit Equilibrium Analysis）與無窮邊坡安全係數（Factor of Safety, $FS$）公式：

$FS = \frac{c' + c_r + [(\gamma z + \Delta \sigma) \cos^2\beta - u] \tan\phi'}{(\gamma z + \Delta \sigma) \sin\beta \cos\beta}$

其中：

• $c'$：土壤有效凝聚力
• $c_r$：植物根系增加之剪力強度（根系凝聚力，Root Cohesion）
• $\gamma$：土壤單位重；$z$：潛在滑動面深度
• $\Delta \sigma$：樹木植體自重所產生之垂直超載（荷重，Surcharge）
• $\beta$：邊坡坡度；$u$：孔隙水壓力；$\phi'$：土壤有效內摩擦角

樹木對淺層邊坡穩定的正面與負面機制如下：

1. 正面力學作用：

• 錨定作用（Anchorage effect）：垂直向深層直根系（主根、心根）向下穿透剪切滑動面，深入未受風化之穩定母岩或硬土層，如同微型樁（Micro-piles）將表土層錨固於下伏基盤。
• 支撐作用（Buttressing effect）：聚集於坡腳處的粗大主幹與強壯側根群，形成一道抗滑屏障，有效提供被動土壓力（Passive earth resistance），阻擋上方土體下滑。
• 拱壁作用（Arching effect）：坡面相鄰樹木之側根橫向網狀交織，與主幹呈橫向陣列排列；當坡面土體受剪受壓向下蠕動時，應力在相鄰樹幹與側根間重分配形成「水平土拱（Soil arching）」，阻止土體側向變形與滑落。

2. 負面力學作用：

• 荷重作用（Surcharge effect）：地上部樹幹與繁茂冠層重量（$\Delta \sigma$）會直接轉化為平行坡面的下滑剪應力 $\tau_d = \Delta \sigma \sin\beta \cos\beta$。在陡坡（通常 $\beta > 30^\circ$）上，若根系穿透深度不足，樹重帶來的下滑力增量將遠大於抗滑力增量。
• 風力引發之覆覆力矩（Overturning moment）：強風吹襲樹冠產生的拉拔與剪力，易使淺根受拉拔鬆動，加速破壞。

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解題方法

解答此申論題需採取「力學機制—形態特性—空間配置」三位一體的切入方式：

1. 將力學機制連結至樹種型態（樹種選擇維度）：

• 錨定作用 $\rightarrow$ 需「直根型（Deep taproot）」、根群抗拉強度高者。
• 支撐作用 $\rightarrow$ 需「根頭粗大、抗壓抗彎剛度大、根基穩固」之喬木。
• 拱壁作用 $\rightarrow$ 需「水平展開型側根網（Dense lateral root plate）」發達之樹種。
• 降低荷重 $\rightarrow$ 需「比重適中、冠層通風透光度佳、耐修剪、萌櫱力強」或灌喬混植。

2. 將力學機制連結至邊坡受力區位（坡位配置維度）：

• 坡腳區：屬於被動土壓阻抗區，加壓反而有利於剪抗阻抗，應發揮最大支撐與錨定效應。
• 坡面區：屬於剪切滑動傳遞區，需發揮錨定與拱壁效應，同時嚴格控制植體荷重。
• 坡頂／坡肩區：屬於主動拉裂區，嚴禁重型喬木荷重，應配置輕型深根植被。

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選項分析

本題為申論題型，無選擇選項。閱卷時針對題目四大核心評分構面之檢驗要點分析如下：

1. 錨定作用（Anchorage effect）分析：

• 正確要點：必須強調主根、心根穿透潛在滑動面（Critical slip surface, 通常淺層崩塌為 $1.0\sim 2.0\text{ m}$）進入穩定層；未穿透滑動面者不僅無錨定效果，反會形成載重。

2. 支撐作用（Buttressing effect）分析：

• 正確要點：必須定位於「坡腳（Toe of slope）」；強調坡腳基樁效應與被動抗力阻擋蠕動推力。若將支撐作用泛指於全坡面，屬觀念模糊。

3. 拱壁作用（Arching effect）分析：

• 正確要點：關鍵在於「樹木間距與側根橫向搭接」；樹木如群樁等高線排列，相鄰間距（通常為 $2\sim 4\text{ m}$）使土壤內應力沿等高線方向移轉，形成微型擋土拱圈。

4. 荷重負面作用（Surcharge）之化解分析：

• 正確要點：指出荷重在不同坡位的作用差異（坡面陡坡為害，坡腳有利），並透過密度調控、複層林規劃、撫育矮化（Coppicing）等手段抑制下滑剪應力。

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解題技巧

1. 審題關鍵字拆解： 牢記「3 正面（錨定、支撐、拱壁）＋ 1 負面（荷重）＋ 2 手段（樹種選擇、坡位配置）」，答題時採矩陣式交叉對應，切勿偏廢任何一項。