113 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

本題考土壤調查與土壤物理的兩個基本描述性質：**土壤構造（soil structure）**說明土粒如何排列、膠結成團；**土壤結構（soil consistence）**則描述土壤在不同含水狀態下抵抗變形或破壞的能力。兩者名稱相近，但描述的面向不同。

• 土壤構造：土壤初級顆粒（砂、坋、黏粒）及有機質等，經膠結與排列形成的團聚體（aggregates）及其形狀、大小與排列方式。描述時常記錄構造的型態、級別與大小；常見型態包括粒狀、塊狀、柱狀及片狀。
• 土壤結構：土壤在不同含水狀態下，抵抗壓縮、破碎、揉捏或剪切等變形與破壞的性質。常依乾燥、濕潤及濕飽和狀態觀察，描述如硬度、脆性、黏著性及可塑性等特徵。

解題方法

作答時先分辨兩者的判斷依據：構造看的是團聚體的形態與排列；結構看的是土壤受力時的反應，且受含水狀態影響。再分別說明其對土壤水分、空氣、根系及耕作的影響，即可完整回答「何謂」與「重要性」。

重要性

土壤構造的重要性

良好的團粒或粒狀構造通常能形成大小不同的孔隙：較大的孔隙有利於入滲、排水與通氣，較小的孔隙有助於保水。適宜的構造也利於根系伸展、微生物活動及幼苗出土，並能增加土壤抵抗雨滴打擊、地表結皮與水蝕的能力。

核心觀念

土壤水分特徵曲線（soil water characteristic curve），又稱土壤水分保持曲線，表示土壤含水量與土壤水吸力（或基質吸力）之關係。常以體積含水量 $\theta$ 為縱軸、吸力水頭 $h$ 或基質吸力為橫軸；吸力愈大，土壤保留水分的能力愈弱，含水量通常愈低。曲線也可用壓力水頭表示，此時須注意吸力與壓力水頭的符號慣例。

砂土與黏土的曲線差異，主要源於孔隙大小、孔隙分布及比表面積不同。毛細管關係可概念化表示為：

其中 $h_c$ 為毛細吸力水頭，$r$ 為等效孔隙半徑。因此，小孔隙能在較大吸力下保水，大孔隙則在較小吸力下排水。

解題方法：依吸力增加的過程比較

可將曲線分成「飽和附近的排水」、「中等吸力下的保水」及「高吸力下的殘餘水分」來比較：

• 砂土：孔隙較大，飽和後吸力稍微增加，大孔隙中的水便迅速排出，含水量快速下降；其進氣吸力較低，曲線轉折較早，排水段較陡。當大孔隙排水後，砂土在中、高吸力下保水能力弱，含水量通常較低。
• 黏土：孔隙細小且分布較廣，細孔隙及顆粒表面能 удерж住水分；須達較大的吸力才會排出相當水量。因此黏土的進氣吸力較高，水分隨吸力增加而下降的範圍較廣，曲線通常較平緩，且在相同的中、高吸力下含水量通常高於砂土。
• 飽和附近的比較：砂土常在吸力很小時就開始排水；黏土則能在較高吸力下維持接近飽和的含水狀態。實際曲線形狀仍受土壤結構與孔隙分布影響，不能僅憑土壤名稱推定所有曲線細節。

核心觀念

土壤沖蝕量測可分為直接測量、間接測量及沖蝕預估模式。間接量測是觀察地表高程或土壤示蹤物的變化，據以推估土壤流失、搬運與堆積情形；不直接收集並稱量流失土砂。它適合觀察坡面或集水區的沖蝕變化，但量測結果仍須配合代表性布點與合理的換算方式解讀。

解題方法：間接量測方法

作答時可依「地表變化量測、示蹤劑法、攝影測量」分類，並說明各方法的量測原理、可取得的資料及限制。

1. 沖蝕針量測地表起伏變化

將沖蝕針固定插入土中，記錄針頭相對地表的位置，再於降雨前後或固定期間重複量測。地表降低表示沖蝕，地表升高表示沉積。若以垂直地表的沖蝕深度 $\Delta h$ 估算單位面積土壤流失量，則：

$M=\rho_b\Delta h$

其中 $M$ 為單位面積土壤質量，$\rho_b$ 為土壤乾容重。多支沖蝕針布設於不同坡位，可比較坡面沖蝕與堆積的空間差異。

沖蝕針構造簡單、成本低，適合長期定點觀測；但人工讀值費時，觀測頻率與空間密度有限，且針體會局部干擾逕流及土壤沖刷。

2. 光電沖蝕針（PEEP）

PEEP 將感測元件設於地表附近，透過光電訊號記錄地表相對位置變化，可較連續地監測沖蝕或沉積過程。相較人工沖蝕針，它能取得較高時間解析度的資料，有助於分析單場降雨或河岸侵蝕事件；但需考量儀器架設、維護、供電及現地環境對訊號的影響。

3. 放射性核種追蹤法

常用示蹤核種包括人工來源的銫-137（$^{137}\mathrm{Cs}$），以及鈹-7（$^{7}\mathrm{Be}$）和過剩鉛-210（$^{210}\mathrm{Pb}_{ex}$）等。核種沉降至地表後，會吸附於土壤細粒；土壤顆粒移動時，核種也隨之移動。

核心觀念

土壤沖蝕推估模式，是以降雨、逕流、地形、土壤性質、植生及土地管理等資料，估計土壤剝離、搬運、沉積或土壤流失量的工具。模式的分類重點，在於它如何描述沖蝕作用，以及使用哪些資料與假設進行推估。

常見分類可分為經驗式、概念式、物理機制式；另有結合不同架構的混合式模式。各類模式的複雜程度、資料需求與適用尺度不同，選用時須配合評估目的。

解題方法：依模式原理分類並說明評估概念

一、經驗式模式

經驗式模式以試驗、觀測資料建立統計關係，將影響因子整理為迴歸式或乘積因子，用來估算土壤流失量。

代表模式為通用土壤流失公式（USLE）及其修正版 RUSLE：

其中，$A$ 為平均年土壤流失量；$R$ 為降雨沖蝕力；$K$ 為土壤可沖蝕性；$L$、$S$ 分別為坡長及坡度因子；$C$ 為作物與管理因子；$P$ 為水土保持處理因子。

**評估概念：**以各因子的資料估算長期平均土壤流失量，常用於坡地侵蝕風險評估與保育措施規劃。優點是架構簡明、操作方便；限制是結果受經驗資料與適用條件影響，通常不直接描述每場降雨中剝離、搬運及沉積的連續歷程。

二、概念式模式

概念式模式依據對流域或坡面沖蝕、水文與輸砂過程的整體認識，將系統簡化為若干組成單元或關係式。模式內可能使用經驗關係，也可能納入部分過程描述，但不一定逐一模擬每一項物理作用。

**評估概念：**依模式所設定的主要過程與參數，估算坡面或集水區的沖蝕、輸砂或泥砂產出。相較單純經驗式模式，概念式模式能呈現較多系統關係；但結果仍受到簡化假設、參數設定與輸入資料品質影響。

三、物理機制式模式

物理機制式模式依水文、流體力學與土壤沖蝕機制建立方程式，描述降雨入滲、地表逕流、土壤剝離、輸砂能力、搬運及沉積等過程。代表模式為水蝕推估計畫模式（WEPP）。

**評估概念：**以較細的時間與空間尺度模擬沖蝕過程，可評估不同降雨、土壤、坡度、植生與管理情境下的變化。優點是過程描述較完整，能提供較具機制性的結果；