109 專技高考高等考試 水土保持技師 土壤物理與沖蝕 考古題詳解

核心觀念

土壤表面結皮（surface crusting）是指土壤表層受雨滴、灌溉水或乾濕變化影響後，形成一層較緻密、孔隙較少且強度較高的薄層。結皮會降低入滲能力，增加地表逕流與土壤沖蝕，也可能妨礙種子發芽及幼苗出土。

其形成可概括為：表土團粒受破壞或分散，細粒移動並堵塞表面孔隙；表層乾燥後，細粒重新排列或膠結，形成緻密硬殼。

解題方法

本題問的是「肇因」，作答時依形成過程分成兩部分：先說明使團粒破壞、細粒釋出的因素，再說明細粒堵塞孔隙並在乾燥後形成硬殼的過程。另補充會增加結皮風險的土壤與管理條件，即可完整交代因果。

形成肇因

1. 雨滴撞擊與團粒崩解 雨滴撞擊裸露表土，破壞土壤團粒，使原先穩定的結構崩解。雨水迅速進入乾燥團粒時，團粒內空氣受壓，也會造成快速濕潤崩解（slaking）。強降雨或高強度灌溉會加劇此作用。

2. 黏粒分散與化學性質影響 團粒崩解後，黏粒及其他細粒可能分散於水中。土壤中交換性鈉含量偏高時，黏粒分散傾向增加；低電解質濃度的水也可能促進分散。分散出的細粒隨水移動，堵塞表層孔隙，形成表面封閉層。

核心觀念

土壤入滲是水由地表進入土壤孔隙的過程。入滲能力是土壤在特定條件下可吸收水分的最大速率；實際入滲率則受降雨或灌溉供水速率限制。當供水速率高於入滲能力時，超出的水量會形成地表逕流或積水。

入滲性主要受土壤孔隙的大小、數量與連通狀態，以及土壤含水狀態和地表條件影響。以飽和土壤的水流概念表示，入滲通量與水力傳導度及水力梯度有關，可由達西定律理解：

其中 $q$ 為水流通量、$K$ 為水力傳導度、$\Delta H/\Delta L$ 為水力梯度。非飽和土壤的傳導度會隨含水量改變，因此入滲能力也會隨時間與土壤濕潤程度變化。

解題方法：依「土壤本身、土壤水分、地表與環境」分類

一、土壤本身的性質

• 質地與粒徑分布：砂質土孔隙較大，通常初期入滲較快；黏質土細孔隙比例高，水流阻力較大，入滲通常較慢。但若黏土具有穩定團粒與良好結構，大孔隙仍可提供快速入滲通道，不能只用質地判斷。
• 土壤結構與團粒穩定性：穩定團粒可維持孔隙與孔隙連通性，增加入滲；團粒受雨滴打擊而崩解、分散或堵塞孔隙時，入滲會下降。
• 孔隙度與孔隙連通性：大孔隙、裂隙、根孔及蚯蚓孔等連通通道，有利水分迅速進入土層。總孔隙度高不必然代表入滲快，孔隙是否連通、孔徑分布如何也很重要。
• 土層厚度與剖面限制：土層深厚、下層透水性良好，有利水分向下移動；若有不透水層、硬盤或緊實層，水分易滯留於上方，降低整體入滲。
• 土壤壓實程度：機具、牲畜或人為踩踏造成壓實，會減少大孔隙並降低孔隙連通性，使入滲下降。
• 土壤礦物與化學性質：黏粒分散會堵塞孔隙；鈉化土壤遇水時容易分散、結皮，入滲常受抑制。土壤有機質則有助團粒形成與穩定，通常可改善入滲。

二、土壤水分狀態

• 初始含水量：乾燥土壤具有較大的基質吸力，初期吸水能力通常較強；土壤逐漸濕潤後，吸力減弱，入滲能力隨之降低。
• 地下水位與毛細水狀態：地下水位高或土層已接近飽和時，可容納水分的孔隙較少，入滲通常較低。

核心觀念

本題考查通用土壤流失公式（USLE）及 Foster & Wischmeier（1974）的土壤流失比例。整地期間植生已剷除，按裸露地表計算覆蓋與管理因子；又因 $A$ 區位於 $B$ 區上坡，$A$ 區流失土壤會流入 $B$ 區，因此 $B$ 區的坡長因子須按上坡輸入量修正。

USLE 為：

其中 $E$ 為單位面積年土壤流失量，$R_m$ 為降雨沖蝕指數，$K_m$ 為土壤沖蝕性指數，$L$、$S$ 分別為坡長與坡度因子，$C$、$P$ 為覆蓋管理與水土保持措施因子。

解題方法

題目未給保護措施，且整地期間地表植生已剷除，採裸露地表假設 $C=P=1$。先依各區面積計算 USLE 流失量，再用 Foster & Wischmeier（1974）土壤流失比例修正下坡 $B$ 區的坡長因子。

一、計算兩分區面積

兩區坡面寬度相同，設為 $w$ 公尺，則：

因此：

二、計算坡長與坡度因子

採用 USLE 坡長因子：

坡度因子採：

其中 $\lambda$ 為坡長（公尺），$\theta$ 為坡角；$m$ 依坡度選取。本題兩坡面坡度皆大於 $5\%$，採 $m=0.5$。

$A$ 區坡度 $9\%$，$\theta_A=\tan^{-1}(0.09)$：

核心觀念

本題考查地表敷蓋如何影響土壤沖蝕的兩個不同環節：

• 土砂生產（sediment production）：坡面上土粒被雨滴打擊、逕流剪切或其他作用剝離，並進入搬運狀態的土砂量。
• 土砂產出（sediment yield）：土砂經坡面與河道搬運後，實際通過流域出口的土砂量。

兩者不相等。土砂生產量扣除坡面、坡腳、河道或其他地形中的沉積與滯留量，才形成流域出口的土砂產出。可概念化表示為：

地表覆蓋的效益因此不只在於減少土粒剝離，也可能藉由改變逕流、輸砂與沉積條件，影響土砂到達流域出口的比例。

解題方法

依「覆蓋如何影響土砂剝離」及「覆蓋如何影響土砂輸送至出口」兩個層次作答：

1. 先說明覆蓋對降雨打擊、土壤入滲與坡面逕流的影響，連結至土砂生產。
2. 再說明覆蓋對坡面水流、輸砂能力、沉積與河道輸砂的影響，連結至土砂產出。
3. 最後指出產出量還受流域內沉積與輸送連通性控制，因此產出減量不必與生產減量等比例。

對土砂生產的控制

地表敷蓋包括植生、枯枝落葉、作物殘體、覆蓋材料等。覆蓋直接阻隔雨滴接觸土面，削弱雨滴動能及其對土壤團粒的打擊，使土粒剝離與團粒破碎減少，因而降低濺蝕及進入坡面逕流的可搬運土砂量。

覆蓋也能增加地表粗糙度、減緩坡面水流，並改善土壤入滲條件。入滲增加時，地表逕流量及流速通常降低；逕流剪切力和搬運能力隨之減弱，坡面沖蝕與土砂剝離也會減少。植生根系還能固結土壤、提高土體穩定性，進一步抑制土粒流失。