114 專技高考高等考試 農藝技師 作物生理學 考古題詳解

核心觀念

Essential mineral elements（必需礦物元素）是作物完成正常生長與生殖所不可缺少的元素。判斷某元素是否必需，通常依三項原則：缺少該元素時，作物無法完成生活史；其功能不能由其他元素完全取代；該元素直接參與植物代謝或構成植物體的重要成分。

硫（S）、鎂（Mg）、鈣（Ca）皆為大量元素，但功能不同：硫主要參與含硫胺基酸與蛋白質形成；鎂是葉綠素的中心原子，也參與酵素反應及能量代謝；鈣則負責細胞壁與細胞膜穩定、細胞分裂及訊息傳遞。

解題方法

本題是申論題，可依各元素的「存在形式與生理功能、缺乏症狀、在作物生長上的影響」分別作答。整理時須特別區分元素的移動性：硫與鎂在植體內較具移動性，缺乏症狀先出現在老葉；鈣移動性很低，缺乏症狀多出現在幼葉、莖頂或果實等新生組織。

硫（S）

硫主要以硫酸根（$\mathrm{SO_4^{2-}}$）由根部吸收，進入植體後可被同化，形成含硫胺基酸半胱胺酸與甲硫胺酸，進而參與蛋白質及多種含硫化合物的合成。

硫也存在於輔酶及部分氧化還原相關物質中，因而影響酵素作用、代謝反應與作物生長。硫供應不足會限制胺基酸、蛋白質及相關代謝物的生成，降低植株生長與產量。

硫在植體內移動性較高，缺硫時常先見於老葉，但因硫亦持續參與新生組織與蛋白質合成，症狀可逐漸遍及全株。典型症狀是葉片均勻黃化，植株矮小、莖細弱；這與缺氮常先使老葉黃化相似，判別時須配合植體分析及施肥紀錄。

鎂（Mg）

鎂以 $\mathrm{Mg^{2+}}$ 形式吸收，是葉綠素分子的中心原子，直接關係到葉綠素形成及光合作用。鎂亦可作為多種酵素的輔因子，參與 ATP 相關反應、磷酸基轉移、碳水化合物代謝及核酸合成，並協助維持核糖體結構與蛋白質合成。

核心觀念

本題考作物如何從環境取得氮素，以及作物可利用的氮源形態。大氣雖含大量氮氣（$N_2$），多數作物不能直接吸收、利用氮氣；氮氣須先經固氮作用轉變為氨或銨態氮，才能進入植物氮素代謝。

作物主要由根部吸收土壤溶液中的無機氮，形式以硝酸根（$NO_3^-$）與銨離子（$NH_4^+$）為主。特定條件下，根也可吸收少量胺基酸等有機氮；葉片則可吸收葉面施用的尿素或氨等含氮物質。

解題方法

依「氮素來源—轉化—吸收」的順序作答：

1. 土壤中的氮素：土壤有機質、殘體及有機肥經微生物分解與礦化，可形成銨態氮；銨態氮再經硝化作用形成硝酸態氮。作物主要透過根系吸收土壤溶液中的 $NH_4^+$ 與 $NO_3^-$。
2. 生物固氮提供的氮：根瘤菌與豆科作物共生，或自由生活固氮微生物將大氣 $N_2$ 固定成氨；固氮產物可供宿主或土壤中的作物利用。

核心觀念

本題比較水稻與玉米在高溫環境中的光合適應，關鍵是兩者採用不同的碳固定途徑：水稻為 C₃ 植物，玉米為 C₄ 植物。高溫會加重 C₃ 植物的光呼吸，因此玉米通常較能維持高溫下的光合碳同化效率。

解題方法

先比較兩種植物如何固定二氧化碳，再說明升溫對光呼吸的影響，最後連結到碳同化與生長表現。

水稻（C₃ 光合作用） 水稻由 RuBisCO 在葉肉細胞中直接固定 CO₂，受體為五碳化合物 RuBP，最初形成的穩定產物為三碳化合物 3-PGA。RuBisCO 同時具有羧化酶與加氧酶活性：

溫度升高時，CO₂ 相對於 O₂ 的溶解度下降，RuBisCO 的加氧反應相對增加。光呼吸會消耗能量並釋放部分已固定的 CO₂，降低淨光合作用，因此水稻在高溫下的碳同化容易受抑制。

玉米（C₄ 光合作用） 玉米先由葉肉細胞中的 PEP 羧化酶固定 HCO₃⁻，形成四碳化合物，再將其運送至維管束鞘細胞並釋出 CO₂。這種空間分隔使維管束鞘細胞內 RuBisCO 周圍的 CO₂ 濃度提高：

核心觀念

本題考查灌溉與排水管理不當所引起的土壤鹽分累積，以及鹽分逆境對作物的滲透、離子與營養生理影響。土壤鹽分主要包括可溶性鹽類，如鈉、鈣、鎂的氯化物與硫酸鹽；鹼化則常指交換性鈉比例升高，使土壤膠體分散、結構劣化。鹽化與鹼化常同時發生，但兩者並非同義。

鹽分逆境對作物的影響可分為三類：根系吸水受阻造成的滲透逆境、特定離子累積造成的離子毒害，以及離子競爭或生理失衡造成的營養障礙。

解題方法

依「鹽分從何而來、為何留在土壤、如何傷害作物」三個層次作答：

1. 說明作物栽培與灌溉管理帶入或累積鹽分的途徑。
2. 區分土壤鹽化與鹼化，補充排水不良如何使問題加劇。
3. 依滲透、離子、營養三種機制說明生長反應，並連結到產量降低。

作物栽培造成土壤鹽鹼化的因子

• 灌溉水帶入鹽分：灌溉水含有溶解鹽類，每次灌溉都可能將鹽分帶入根域。作物吸收水分並經蒸散散失後，鹽分留在土壤中；若長期輸入量大於淋洗與排水移除量，鹽分便逐年累積。
• 排水不良與地下水位偏高：低窪地、排水設施不足或灌溉過量會使地下水位上升。含鹽地下水經毛細作用上升至表土，水分蒸發後，鹽分留在土壤表層及根域。
• 灌溉與淋洗管理不當：灌溉量不足以將鹽分淋洗至根域以下，或缺乏有效排水出口，會使鹽分無法排出。即使增加灌水，若排水不良，地下水位與土壤鹽分問題仍會惡化。
• 蒸發與蒸散強、降雨淋洗不足：乾旱或半乾旱地區的蒸發需求高，降雨不足以將鹽分帶離根域，鹽分容易向土壤表層聚集。
• 含鈉灌溉水與鈉質土壤：灌溉水或土壤中的鈉比例偏高時，鈉會占據土壤膠體的交換位置，使團粒分散、孔隙減少、通氣與透水性變差；水分更難入滲與排出，進一步形成鹼化及排水惡化的惡性循環。
• 不適當的土地利用與灌溉方式：長期高強度灌溉、缺乏輪作或排水維護，以及不適合當地水土條件的灌溉方式，都可能加速鹽分累積。

鹽分逆境對作物生長的影響