高普考農業技術土壤學考試準備方法重點總複習

2020/03/16
高普考農業技術土壤學考試準備方法重點總複習
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【土壤學】(108高普考考前重點整理)

緒論

土壤是地殼陸地表面一層鬆軟含有無機礦物及有機物的混合物質,各地土壤的形成因母質、氣候、地形、生物及時間五大因素所影響。

土壤的組成可分為固體、氣體與液體三大部份,合稱土壤三相,三相各成分的比例:礦物質與有機質約50%,土壤水約25% ,土壤空氣約25%其中亦含土壤生物。

土壤的功能是土壤提供生物生存與週遭環境,有下列重要功能: 提供植物生長之介質,提供植物生長所需的一切如支持、水、養分、空氣,提供動物活動之基礎(生物棲息地),提供物質能量循環場所,涵養水源、淨化水質,工程建物之材料及基礎與廢棄物堆置場。

土壤品質(soil quality)是用來量測之土壤的功能,其由土壤之物理,化學與生物性質的結合,而有些性質如土壤結構,有機質的含量則可藉由土壤之管理來達成。

形成礦物質土壤之基本礦物與岩石

原生礦物(初級礦物): 在高溫下生成,自火成岩和變質岩未經過改變而保留下來。次生礦物(次級礦物):在低溫反應生成,不是生自沉積岩便是直接由風化而來。包括層狀矽酸鹽、碳酸鹽、各種氧化物。

重要成土礦物:

地殼中含量最高的元素是氧,其數量排列依序為氧、矽、鋁、鐵、鈣,鈉、鉀、鎂、氫。多數為化合物組成如矽酸鹽類與硫酸鹽類等。最常見而且最重要的礦物為橄欖石、輝石、角閃石、黑雲石、雲母、長石、石英等七種。

岩石為礦物之集合體,由自然界中的一種或多種礦物或似礦物。岩石可分為火成岩、沉積岩和變質岩三大類。火成岩有噴出岩與侵入岩:噴出岩有玄武岩、安山岩與流紋岩而侵入岩有輝長岩、閃長岩與花岡岩。沉積岩有碎屑沉積岩與非碎屑沉積岩:碎屑沉積岩有礫岩、砂岩、粉砂岩、頁岩與泥岩而非碎屑沉積岩有石灰岩、鹽岩與燧石。變質岩有葉理狀變質岩與塊狀變質岩:葉理狀變質岩有硬頁岩、板岩、千枚岩、片岩與片麻岩而塊狀變質岩有角頁岩、大理岩與石英岩。

土壤生成

影響土壤生成及其性質的因子有五

氣候:以溫度與雨量的影響最大。

生物:當地生存的動植物最具影響力。

母岩性質:包含質地,構造與礦物成分。

地形:地形變化不同,土壤亦不同。

時間(Time):母岩受風化至成土所需時間之長短。茲分述如下:
氣候與土壤生成有通透過淋溶作用而影響土壤生成與透過溫度作用而影響土壤生成,故降水(水分狀況)與溫度為重要的因子。
生物與土壤生成有植物群落區、動物群落區與微生物群落或區系。
母質與土壤生成可分成殘積成土母質與搬運土。
搬運土可分成坡積成土母質(Colluvial)、沖積成土母質(Alluvial)、海成堆積成土母質、湖積成土母質、冰積成土母質(Glacial)與風成堆積土母質(Eolian)。
地形與土壤生成有水濕關係因子、侵蝕因子與溫度因子。

岩石風化與土壤生成過程中之重要化育作用

土壤化育(Soil Genesis)依據成土作用或由未固結的母質受成土作用因子之影響而形成土體或真正土壤之過程。土壤形成必須經過數個土壤化育階段,岩石經風化作用產生岩屑層(Regolith)之後經淋溶、洗土、洗入,再經腐植化作用形成土壤不同化育程度的土壤剖面。故土壤化育乃專指成土作用中各階段土壤生成之過程。

物理風化作用又稱機械風化或崩解作用(disintegration),係由整塊岩石裂為碎細石片及礦物粒子,但其化學成分與礦物種類改變不大,所以只有型態的變化而缺成分的變化。物理風化有冰凍作用、重力作用、風力作用、雨水作用、流水作用、波浪作用、冰川作用與生物作用。

化學風化作用有氧化、還原作用(oxidation & reduction)、水合(水化)作用(hydration) 、水解作用(hydrolysis) 、酸化作用、溶解作用、生物作用與降解作用。

岩石經風化作用所產生的固體岩屑物質(Regolith),加上植物和動物遺物經腐植化作用遺留之腐植質(Humus)(屬有機質),經過充分的時間受各種自然力的作用,化育而形成土壤。這種自然力將土壤母質造成土壤的作用,稱為成土作用。成土作用泛指各種土壤的形成過程中的各種作用因子,包括:風化作用、淋溶件用、洗入作用、洗出作用、灰壤作用、紅棕化作用、鈣化作用、聚鐵作用、鹽土作用、鹼土退化作用、黏化作用、有機物聚化作用等作用在內,一個土壤的成土作用可能同時包含數個化育過程。

地球有一部分土壤之生成主要由氣候影響形成,其性質與土壤母質差異很大,此土壤稱氣候性土壤或稱顯域土(Zonal soils )如鈣化作用(Calcification)土壤發生於少雨區稱聚鈣土(Pedocals) 。灰壤化作用生成於低溫多雨的氣候,產生灰化土(Podzollic soils) 。紅壤化作用多分佈於熱帶至亞熱帶地區,主要的氣候條件為高溫多雨,產生紅化土(Lateritic soils)。世界上有一些土壤,其生成除氣候因子外,尚有其他因子(如地下水及母質等)足已發生顯著的影響,此部分之土壤稱為間域土(Intrazonal soils) 。另有一類土壤未深受氣候因子或其他特殊成土作用,發育時間不夠,剖面層次亦不明顯,土壤性質受母質影響,稱為泛域土(Azonal soils) 。土壤在發育時,除非受到不斷的沖刷,否則必會逐漸積聚變厚,成為土層。

美國的新土壤分類系統6個綱目所組成,按其階序由最高至最低依序為:土綱(Order)、亞綱(Suborder)、大土類(Great group)、亞類(Subgroup)、土族(Family)與土系(Series) 。

有機質土(Histosols):在深度10公分以上有大於20%以上之有機物之土壤,主要分佈於高山湖泊中或其旁邊之土壤。彰化縣之快官地區有此土壤。

淋澱土(Spodosols):有一由有機物與鐵、鋁結合之物質被水由上層土壤帶至下層所形成之淋澱化育層者,大都在砂質地之高山平坦地區,有強烈的淋洗作用。阿里山地區及水里的山區有此土壤。

灰燼土(或火山灰土,Andisols):含有火山灰特性之土壤(如土壤很輕,無定型性質很多,對磷吸附力很強等特性),主要生成於火山地形之陽明山國家公園內。

氧化物土(Oxisols):土壤已經化育很老(幾十萬年以上),土壤中僅剩餘氧化鐵、鋁等性質者,土壤肥力很低,大都在紅土臺地上。如桃園縣埔心、南投縣埔里、屏東縣老埤等臺地之紅壤。

膨轉土(Vertisoils):在土層一公尺內含有30%以上之粘粒,會隨水分多寡而呈膨脹、收縮之特性者,濕時地面突起,乾時龜裂者。在臺灣東部之石雨傘地區有此土壤。

旱境土(Aridisols):臺灣實際上沒有乾旱氣候條件,應無此土壤,但因此類土壤包含鹽土,故臺灣西南部沿海地區之鹽土仍可概略歸併為旱境土。

極育土(Ultisols):在高溫多雨下生成,B層中有一粘粒洗入聚積的層次(黏聚層),因此特別粘,由於強烈淋洗,故肥力低。臺灣之丘陵臺地上之紅色土壤大都屬此種土綱。

黑沃土(Mollisols):顧名思義,此種土壤是又黑又肥沃,土層較淺,肥力高,主要分佈在臺東縣的成功一帶。

淋溶土(Alfisols):與極育土性質類似,但由於淋洗程度較極育土弱,大都分佈於臺灣西部主要沖積平原耕地中,為臺灣地區農業生產之最大產地之一。

弱育土(Inceptisols):母質弱度化育生成之土壤,有明顯土壤構造與顏色轉變,因此稱為"構造 B 層",為臺灣西部主要農耕沖積平原之土壤,或台灣丘陵地上之主要土壤。

新成土(Entisols):由母質化育生成之最年輕土壤,大都分佈於高山陡峭地、河流沖積三角洲河口、新沖積平原等地,通常土層很淺或整層無變化,土壤非常肥沃,也是農業生產主要分佈土壤之一。

永凍土(Gelisols):年均土溫<8oC,地表下100cm以下具有永凍層存在,或在表土100cm內含有永凍物質,而200cm以下處於永凍狀態。

各土綱縮寫Ox, ert, Ult, od, Alf, ept, Ent, id, oll, ist, And, Gel。

土壤生物及土壤有機質

土壤微生物包括濾過性病毒、細菌、真菌、藻類與原生動物,及較大型之生物包括軟體動物、節肢動物與昆蟲等。土壤生物重要作用有:有機質的分解作用、微生物之合成作用、固氮作用,硝化作用,脫氮作用與硫、鐵之氧化還原作用。土壤微生物可分為:土壤藻類、土壤蕈類、土壤放射菌類、土壤細菌等四類。

藻類對土壤性質及植物生長可能的影響有:增加土壤有機質。增進土壤通氣。有固氮能力稱為「固氮生物」。能助長細菌及蕈類之分解有機質及合成有機質。

菌根(Mycorrhiza Fungi):一種菌類之菌絲與某些樹木及灌木之根相關連之共棲蕈菌。菌絲伸入高等植物的根部營共棲生活,能消化一些養份供給植物,又可從植物體攝取養份,雙方均有益處。菌根若依根與真菌絲結合之方式,可分為外生菌根(Ectotrophic Mycorrhiza)與內生菌根(Endotrophic Mycorrhiza) 。

固氮菌有非共生固氮菌,有固氮菌屬(Azotobacter)、芽孢梭菌屬(clostridium)及藍綠藻等,與共生固氮菌最有效且固氮量最可觀的是和豆科共生的根瘤菌(Rhizobiumsp)。

「硝化作用」(nitrification)係指「由氨氧或胺類轉化成硝酸的作用」(第一步亞硝酸鹽化:NH4+NO2-;第二步硝酸鹽化:NO2-NO3-),硝化細菌為嚴格的好氣性細菌,故盛行於排水與通氣良好的土壤。「脫氮作用」(或稱「反硝化作用」)為與硝化作用相反的微生物(細菌及真菌)轉變作用,把硝酸化合物還原成為NO2、N2O、NO等氣體而揮發出去。


土壤有機質Soil Organic Matter
廣義的有機質包括:生物體、有機殘體、腐植質;狹義的有機質常即指「腐植質」。土壤有機質可分為「有機殘體」(organic residues)與「腐植質」(humus)兩部份。腐植質是一個複雜及較有抵抗力,呈暗棕色至黑色的非結晶膠體聚合物質,其生成乃由原植物組織經過某些改變,及由各種土壤生物所合成。有機物(腐植質)在土壤中之功能:

黑顏色→土壤保溫,

大的比表面積→增加土壤保水力,

和粘粒結合→團粒作用,使土壤有較好之構造,

大的CEC,

錯合能力(chelation)→提供植物所需微量元素之緩衝能力,

緩衝土壤pH,

礦化作用產生CO2、NH4+、NO3-、PO43-和SO42-,提供植物生長必須元素。

土壤物理

土壤物理包括土壤間能量之交換與水之運輸過程中在相關生物圈所扮演之角色。土壤基本物理性質有孔隙率,孔隙比、含水量、飽和度、單位重。

土壤質地是指土壤中的顆粒大小分佈。土壤顆粒可以分為礫石、砂粒、粉砂和黏粒。美國農業部將土壤質地,按砂粒、粉砂粒和黏粒不同組成分量劃成三角質地圖,大致可以分為四大類﹕砂土類、壤土類(loamy soil)、黏壤土類(clay loamy soil)和黏土類。

土壤構造(soil structure)是指土壤顆粒排列所構成的形態。上述土壤粒子所結合形成的自然土團或土塊(peds)稱為「粒團」(aggregates)。影響團粒形成的因子有黏粒內聚力、鐵鋁氧化物、有機質、耕作方式。

土壤構造之類型與粗細等級描述,可概略分為:碟狀(水平軸遠大於垂直軸)、柱狀(垂直軸遠大於水平軸)、塊狀(外觀呈塊狀,相鄰之構造體幾乎多可平貼者)及似球狀(垂直軸約等於水平軸)等四大類。土壤結持度(Soil consistence)係說明土壤在各種含水量時,所表現的內聚性及黏著性等物理力量,這些表現包括:

對重力、壓力、刺力及拉力等的反應;

土體對於其他物體之黏著趨勢;

觀察者把土體放置在手上的感覺。是造成自然土塊或粒團之力或抵抗外力破壞或變形之各種性質。

土壤孔隙率:土壤中有機質含量越多孔隙愈大。土壤質地愈粗則孔隙愈大。表層土壤孔隙率較大。翻土整地可暫時增加孔隙率,孔隙率=〔1-(容重/比重)〕100%

土壤含水狀態的分類有凋萎係數或凋萎點、田間容量與最大容水量。土水勢主要由以下幾個分勢組成:基質勢(Ψm),壓力勢(Ψp),溶質勢(Ψo)與重力勢(Ψg)。土壤水份的移動:水在飽和帶中移動依Darcy定律。

土壤水分特性曲線:土壤水分在平衡時,與勢能(基質吸力)(張力)間具有函數關係,此關係以實驗量測,以圖形表示。鹽土(saline)其EC(mmho/cm) >4,ESP(%)<15,pH<8.5。鹽鹼土(saline-alkali)其EC(mmho/cm) >4,ESP(%)>15,pH<8.5。鹼土(alkali) 其EC(mmho/cm) <4,ESP(%)>15,pH>8.5。正常土(normal)其EC(mmho/cm) <4,ESP(%)<15。

土壤空氣及流通:土壤空氣與近地層大氣之間不斷進行氣體交換的現象,也稱土壤通透性。土壤和大氣間的氣體交換也主要是氧與二氧化碳氣體的互相交換。土壤顏色的分類係以孟氏色譜(Munsell Color Chart)分類法為依據,拿著「土色帖」現地比對。(色相 明度/彩度,土壤含水狀態)。

土壤化學

土壤膠體可分為:無機膠體(多半為黏土礦物)與有機膠體(由土壤有機質構成之土壤膠體即腐植質),土壤中之礦物粒子其直徑在0.002mm以下者稱粘粒,粘粒(黏土)直徑在0.0002mm以下者稱膠體粘粒(colloidal clay)。其中無機膠體又分結晶矽酸鹽、非結晶矽酸鹽(鋁英石 (Allophane))、氧化物(鐵與鋁) 。結晶矽酸鹽有蛭石(Vermiculite)、高嶺石類(kaolins)、蒙特石類 (Smectites) 與黏土雲母(fine mica) 。土壤膠體常帶負電及吸附陽離子的原因:由於斷鍵,晶格中低價陽離子替換高價陽離子,由於膠體露出之OH-根,根上之H+解離出來。

陽離子交換容量 (Cation Exchange Capacity, CEC):單位重量之土壤(或黏粒)所吸附之”可交換”陽離子當量或莫耳數。

鹽基飽和度:一般稱即是指Ca+2,Mg+2,Na+,K+四者,其當量毫克數(m.e./100g)的總和與CEC的比值稱為「鹽基飽和度」。

土壤中CEC發生變動的原因:土壤中所含膠體的比例、土壤所含膠體的種類、被吸附陽離子的數量、被吸附陽離子的種類、粘粒的所佔土壤質地的比例與粗細、溫度的影響。

土壤的緩衝作用表示某物質在酸或鹼侵入時,緩和pH變化能力的強弱。土壤膠體的表面不同位置各帶正、負電,具陰陽兩性,以吸附、交換及中和反應等方式表現緩衝能量。土壤反應:土壤反應係指「土壤溶液」(soil solution)中解離狀態的(即可自由移動的)H+之濃度值。土壤(溶液)的氧化還原反應:是土壤中一種基本的化學反應。土壤中存在著許多有機和無機的氧化還原物質,土壤空氣中游離氧分子和高價金屬離子都是主要的氧化劑,而土壤有機質以及在嫌氣條件下所形成的分解產物和低價金屬離子等為還原劑。酸性土壤的生成原因:多雨、排水不良之低窪沼澤區、施用酸性肥料如硫酸銨、磷肥、氮肥等。改良方法有施用石灰質土壤改良劑。

土壤與植物營養

植物依攝取量之大小分為巨量要素(Macronutrients)如C、H、O、N、P、S、Ca、Mg與K,而微量要素(Micronutrients)如:Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo與Cl。C、H與O取自空氣與水,其餘要素則取自土壤。土壤供應這些要素之能力稱為土壤肥力 (soil fertility) 。
氮素植物可以吸收主要有兩種型態,硝酸態氮NO3-及銨態氮NH4+,作物缺氮時,生育會受到抑制,形成黃化的現象。土壤中磷之形態有磷酸二氫H2PO4-1(土壤中磷多屬此),磷酸一氫HPO4-2,Fe-P,Al-P,Ca-P。作物缺磷時植株生育遲緩,呈現暗綠色,有時會出現褐色斑點。土壤中鉀總含量屬於豐富的,但每年消耗在鉀肥上的費用仍在增加。其原因為土壤中鉀大部分是極緩可溶性礦物分子的一部分。作物缺鉀時,葉片白化,不久即開始產生壞死及暗色的病斑,莖容易軟化及倒伏。
微營養素指占生物體總質量0.01%以下,且為生物體所必需的一些化學元素。如鐵、錳、鋅、銅、硼、鉬、氯與鈷等。微量元素為植物體必需但需求量很少的一些元素。這些元素在土壤中缺少或不能被植物利用時,植物生長不良,過多又容易引起中毒。

土壤肥力之評估是要診斷土壤與植物的營養問題而作合理的施肥,常用評估土壤肥力之方法有土壤速測,植體分析與田間肥料試驗。土壤肥力的有效性依陽離子交換能力、土壤反應及土壤有機狀態而定。

作物施肥的原則:
最少養分率說明雖然植物的生長所需的元素只要當中某一元素比例偏低,則整棵植物的生長即受其支配。
報酬漸減率:若氮是某一栽培作物最缺乏的營養要素,那麼施用氮肥很快就會看到施肥增進生長的效果,但是植物生長量並不會隨著氮肥增施呈現固定比率增加,反而有逐漸遞減的現象。

化學肥料是指利用石化原料(天然氣)或天然礦物,經工廠轉換或提煉生產,含氮肥類:磷肥類:鉀肥類:包括鈣、鎂、矽之次量要素肥料及鐵、硼、錳、鋅、銅、鉬之微量要素肥料。
有機肥料是人類農作史上最古老也是最原始的肥填材料。自古以來鄉村農家都會收集人或家禽排泄物作堆肥施於農田。
微生物肥料是將有益微生物接種在種子或施用在幼苗、土壤上,對作物生產有直接或間接之助益,其可增加植物營養要素之供應、提高土壤中養分之有效性、增進根系之生長與養分之吸收等。目前已研究開發應用推廣之微生物肥料有:固氮菌、菌根菌等。
綠肥是利用綠色植物覆蓋地面,實現水土保持目的之方法,均稱為綠肥覆蓋法。其主要特點是增加土壤有機質,改變土壤理化特性,提高地力,增加作物產量。

施用肥料量以肥料成分百分率,算出各種單質或複合肥料的用量:
肥料量(公斤)=要素量(公斤) ×100/肥料的要素含量(%)

影響作物施肥的因子:品種特性,氣候因素,土壤,栽培管理。

有機農業是一種完全不使用化學合成肥料和農藥,用自然方法來防治病蟲害或維持地力的農業,全部採用天然有機質來栽培農作物的有機農法。

問題土壤 (Problem Soils)

石灰質土壤 (Calcareous Soils) 係指土壤中含有頗多之石灰物質,如CaCO3, MgCO3及CaMg(CO3)2等。pH 7 ~ 8.5,磷有效性低。改良方法將石灰物質移去,加酸性物料,灌溉洗滌與排水。

塩土對作物生長之影響有滲透壓之影響與高pH,造成微量要素之缺乏特殊離子如Cl-,B之影響。塩土之改良有洗塩、排水與栽種耐塩性作物。

鹼土對作物生長之影響:鹼土因 ESP 高,當潮濕時各個膠體粒子彼此排斥而保持分散狀態,分散的細土壤粒子部分會阻礙土壤孔隙,依序對水分之穿透及移動必然發生不利之影響。鹼土之改良有添加改良劑降低ESP與石膏CaSO4.2H2O。

土壤汙染

土壤污染是由於人類活動造成的資源和土地的濫用,所導致的地球表面的土地退化。它常因廢棄物未妥善處理而引起。土壤汙染的來源包含空氣污染引起之土壤污染如由車輛廢氣、能源使用及工業廢氣引起、落酸之汙染與廢棄物處置及農業生產資材使用不當引起之土壤汙染如廢棄物處置不當如農藥與肥料之不當使用、地層下陷、海水入侵引起之土壤鹽化、地下儲油槽洩漏引起之土壤污染等。

土壤汙染土壤改良工作可分為三種型態:第一,現地土體內處理;第二,現地取土處理;第三,取土外院處理。而對於尚無良好處理方法的土壤污染,為防止污染物之擴散為害,可採取現地封隔或取土後封隔(妥藏)的方法。
土壤防治技術與方法大致可分為六大類分別為萃取法、安定法、降解法、

稀釋法、揮發抑制法、熱處理法。

重金屬,多半是以環境汙染領域的定義為準,因此對生物有明顯毒性的金屬元素通常都屬之,例如鎘、鉻、銅、鎳、鉛、鋅、錳、鈷、汞等。砷雖然不是金屬元素,但因其比重是5.7,而且對生物有明顯的毒害,同時它的許多化學行為都跟一般重金屬很類似,因此也被歸類在重金屬群中。重金屬污染土壤的復育技術應確實了解污染區之環境特徵,以作為整治復育之依據,此亦為國際上各種整治復育成功與否之重要考量。重金屬物質容易被土壤吸附,在地層中移動較慢,一般而言重金屬物質大都停留在土壤表層。酸性條件下重金屬容易從土壤中溶出。
重金屬污染土壤的復育技術有:

萃取法

安定化/固化法

化學氧化/還原/中和法

電動力法

排土客土法

植生復育法