110 專技高考高等考試 農藝技師 土壤學 考古題詳解

核心觀念

本題考查土壤膠體的陽離子吸附與交換，以及土壤交換性鹽基在肥力診斷上的解讀。陽離子交換容量與鹽基飽和度均以交換位置為基礎，但前者表示交換位置的總容量，後者表示其中被鹽基陽離子占據的比例。

• 陽離子交換容量（cation exchange capacity, CEC）：在規定的測定條件下，每單位土壤所能吸附並交換的陽離子總量。常用單位為 $\mathrm{cmol_c\,kg^{-1}}$，數值上等同於舊制的 $\mathrm{meq\,100g^{-1}}$。
• 鹽基飽和度（base saturation, BS）：土壤交換位置中，被鈣、鎂、鉀、鈉等鹽基陽離子占據的比例，通常以百分比表示。

若以 $Ca^{2+}$、$Mg^{2+}$、$K^+$、$Na^+$ 表示交換性鹽基，則：

式中各陽離子含量須以相同的電荷單位表示。酸性土壤分析中，分子有時會納入交換性酸度（主要為 $H^+$、$Al^{3+}$）以計算有效 CEC；計算方式須與所採用的 CEC 定義及分析方法一致。

解題方法與測定方法

CEC 的測定

測定的基本原理是：先以已知陽離子使土壤交換位置飽和，再以另一種陽離子置換出前者，測定置換量，據以求得交換容量。

常見方法如下：

1. 醋酸銨法：以 pH 7 的醋酸銨溶液使交換位置被 $NH_4^+$ 飽和，再洗去未被吸附的鹽類，最後置換並測定交換性 $NH_4^+$，以其電荷量計算 CEC。此法常用於中性或非石灰質土壤。
2. 強制置換法：先用特定陽離子飽和交換位置，再以置換液將其置換出來並定量。此類方法可依土壤特性選用，避免溶解土壤中碳酸鹽或其他礦物而造成偏差。
3. 交換性陽離子加交換性酸度法：在酸性土壤中，可測定交換性 $Ca^{2+}$、$Mg^{2+}$、$K^+$、$Na^+$，並加上交換性 $H^+$、$Al^{3+}$ 等酸度，求得有效 CEC。其結果反映實際土壤 pH 條件下的交換容量。

CEC 會受測定 pH 影響。黏土礦物邊緣及有機質上的部分負電荷具有 pH 依存性；以 pH 7 測定的 CEC，可能高於酸性土壤原位 pH 下的有效 CEC。因此報告 CEC 時應同時注意測定方法與 pH 條件。

鹽基飽和度的測定與計算

核心觀念

本題考查酸性土壤對作物生長的限制，以及施用石灰資材提高土壤 pH、改善土壤化學環境的原理。土壤酸度主要與土壤溶液中的氫離子，以及土壤膠體交換位上的可交換性氫、鋁有關；pH 越低，表示土壤溶液的氫離子活度越高。

解題方法

可從「酸害與養分失衡」說明酸性土壤對作物的影響，再說明石灰如何中和酸度、降低鋁害並改善養分有效性。作答時應區分土壤溶液酸度與交換性酸度：單純中和土壤溶液中的氫離子，未必能處理交換位上持續釋出的酸度；石灰因此也須中和交換性氫、鋁。

酸性土壤不利作物生長的原因

1. 鋁、錳毒害：低 pH 使鋁、錳較易溶解，土壤溶液中的鋁離子濃度升高，會抑制根尖伸長、傷害根系，降低水分與養分吸收；錳過量也會造成毒害。
2. 養分有效性降低或失衡：磷容易與鐵、鋁形成難溶性化合物，使有效磷降低。鈣、鎂、鉀等鹼性陽離子也可能因淋洗而不足；鉬的有效性在酸性條件下通常偏低。
3. 根系與土壤生物受抑制：根系受鋁害及養分失衡影響，生長受限；固氮菌及其他有益微生物的活性也可能降低，影響豆科作物固氮及有機質分解。
4. 土壤物理與生物作用受影響：酸度及伴隨的鈣、鎂不足可能使土壤團粒結構較差，進一步限制根系伸展與土壤通氣。

使用石灰改善酸性土壤的原理

核心觀念

本題考查耕作對土壤孔隙、土壤結構與水分移動的影響。土壤入滲與排水仰賴連通的大孔隙；當耕作造成土壤壓實或結構劣化，大孔隙減少、孔隙連通性變差，土壤的飽和導水能力便會下降，灌溉水與雨水較難向下移動，因而出現入滲率降低及排水不良。

成因分析

1. 犁底層形成 長期以相同深度耕犁，犁具反覆擠壓耕犁層底部，容易形成緻密的犁底層。若在土壤過濕時耕作，土壤承受機械壓力後更容易壓實。犁底層的大孔隙少、土壤容積密度高，會阻礙水分向下入滲，也可能形成暫時性滯水層，造成根域積水與排水不良。

2. 土壤結構劣化與表面結皮 頻繁翻耕會破壞土壤團粒；裸露土表受雨滴打擊後，細粒容易分散並堵塞表層孔隙，形成表面結皮或封閉層。水分較難進入土壤，逕流與沖蝕風險也會增加。

3. 孔隙分布與土壤生物活動改變 耕作及機械交通可能減少連續的大孔隙，並破壞蚯蚓孔道及根系形成的生物孔隙。即使土壤總孔隙量變化不大，孔隙大小與連通性改變，也會降低水分傳導效率。

解題方法

可依「耕作增加 → 土壤結構或孔隙改變 → 導水能力下降 → 入滲與排水問題」的因果鏈作答，再按問題所在位置提出改善措施：表層結皮以保護土表、維持團粒結構為主；犁底層則須處理壓實層並避免再次形成。

改善方式

核心觀念

本題考查水稻收穫後稻稈還田的分解作用，以及分解過程中微生物對土壤氮素的固定與釋放。稻稈是高碳、低氮的有機殘體；微生物分解稻稈時，需要從土壤無機氮中取得氮素來合成菌體。當微生物對氮的需求大於稻稈分解所釋出的氮，便會暫時固定土壤中的無機氮，稱為氮素固定（immobilization）；待稻稈進一步分解、微生物死亡與菌體礦化後，氮素才逐漸回到土壤無機態，稱為氮素礦化（mineralization）。

判斷氮素固定或礦化的重要指標，是殘體的碳氮比（C/N）。稻稈 C/N 比偏高，初期分解通常容易造成土壤無機氮暫時不足。

解題方法：由「分解速率」與「氮素動態」兩部分作答

先說明影響稻稈分解的環境與材料因子，再依序交代分解初期的氮素固定、後期的氮素釋放，以及田間氮肥管理方式。水稻田的水分管理尤其重要：淹水與排水會改變氧氣供應，因而影響微生物分解途徑與稻稈分解速度。

一、決定稻稈分解速率的因子

1. 稻稈本身的性質 稻稈的碳氮比、可溶性碳水化合物含量，以及纖維素、半纖維素與木質素等結構性物質的比例，會影響微生物分解難易。可溶性物質較容易分解；木質素比例高、組織較堅硬時，分解較慢。稻稈切碎、與土壤混合均勻，可增加微生物接觸面積，通常有利分解。

2. 土壤水分與氧氣供應 水分不足會限制微生物活動；適當水分有利分解。稻田淹水後氧氣不足，分解轉為以厭氣微生物作用為主，通常較慢，且可能產生有機酸、甲烷等還原性分解產物。排水、翻耕或間歇灌溉可增加通氣，促進好氣分解，但實際效果仍受水分與管理條件影響。

3. 溫度 在適宜範圍內，溫度升高會提升微生物代謝與分解速率；低溫則使分解減慢。高溫、低溫或溫度劇烈變動都可能不利於微生物持續活動。