一般土壤化學性質

台灣位於亞熱帶氣候區，溫暖多雨的氣候下有助於土壤的化育，在此種氣候下 土壤受到強烈的風化與淋洗作用，土壤的化育實則是一種脫矽作用，風化作用使 土壤礦物崩解而釋出鉀、鈉、鈣及鎂等鹽基性離子，而土壤礦物也漸漸的以結晶 性較好的鐵鋁氧化物為主，改變土壤的顏色、構造及肥力，而土壤表面的枯枝落 葉也漸漸的被分解而成為腐植質。強烈的淋洗作用使鹽基性離子、有機質、鐵錳 物質等在土壤剖面中向下移動或隨著土壤溶液離開土體而進入地下水。在此溫暖 多雨的環境下，經過長時間的化育作用，土壤的pH 值及鹽基性離子甚低，並有高 活性鋁的特性(Shoji et al., 1985; Sholi et al., 1987)。

一、pH 值

土壤的酸性來源分為活性酸與潛性酸，前者代表的是存在於土壤溶液中的氫離 子，而後者主要表示被吸附於土壤膠體上的氫離子或鋁離子，這些被吸附於膠體 上的離子必須釋放出於土壤溶液中才能顯示其酸度，因此潛性酸控制著土壤的總 酸度的大小。一般情況下，鋁離子、水合鋁離子被帶負電的土壤膠體吸附，在土 壤溶液中呈現平衡的狀態，但在酸性環境下鋁離子的溶出量變多，而鋁離子、水 合鋁離子經由水解後釋出氫離子，是為酸的來源。土壤pH 6-7 是屬於中性範圍，

在此範圍之外屬於微酸性、微鹼性，甚至是強酸性或強鹼性土壤，而在土壤pH 6-7

doi:10.6342/NTU201601148 中的鐵及鋁離子鍵結生成鐵、鋁–有機質複合物(Fe & Al-humus complexes) (Shoji et al., 1982; Shoji et al., 1993; Shoji and Fujiwara, 1984)。根據分析的結果，推測烘爐山 三個樣體以2:1 型層狀矽酸鹽礦物為主且應含有不少的鐵、鋁–有機質複合物，鋁 恆等人，1993)，而又以表層的差值更大，係因富含 Al-humus complexes 的層次一 般缺乏靜正電荷，而土壤的酸度主要來自於2:1 層狀矽酸鹽礦物上的交換性鋁離子 (Ping et al., 1988; Shoji et al., 1988)。烘爐山三個樣體 ΔpH 介於 0.3~1.6 個單位，而 差值越大表示交換性鋁的含量也較多。

氟化鈉(NaF)溶液測定的 pH 值等夠表示土壤中無定形物質的多寡，當 pH–NaF

>9.4 時，表示土壤的交換性複合物以無定形物質為主(Soil Survey Staff, 2014)，早 期用於火山灰土壤的判定依據，但部分化育於火山灰物質的淋澱土也具有此一特 性，因此已不作為灰燼土判定的指標(Shoji et al., 1988)。氟離子(F^-)與活性鋁(Active Al)有很大的親和力，並釋放出氫氧根離子(OH^-)，反應式為：Al(OH)3 +3 F⁻ → AlF3

+3 OH⁻ ，而矽酸鹽礦物也會與氟離子反應：Si(OH)4 +4 F⁻ → SiF4 +4 OH⁻，使土 壤溶液pH 於短時間內上升(Perrott et al., 1976; Soil Survey Staff, 2014)。活性鋁的種 類係指鋁–有機質複合物、鋁英石(allophane)、絲狀鋁英石(imogolite)、似鋁英石

表八、烘爐山土壤樣體一般化學性質分析。

Table 8. The chemical characteristics of Mt. Honglu pedons.

Depth pH

O. C. Exchangeable base

CEC Sum of cations B. S. Ex. Al Alsat. Pret.

Horizon H2O KCl NaF K Na Ca Mg

cm g/kg ---cmol(+)/kg soil--- % cmol(+)/kg ---%--- HL-1, elevation 646 m

A 0-10 3.96 3.33 8.82 63.8 0.92 0.25 1.38 0.77 32.8 3.3 10 9.10 73 82 Bw1 10-25 4.17 3.45 9.63 34.1 0.45 0.34 0.61 0.40 29.9 1.8 6 10.2 82 89 Bw2 25-35 4.54 3.58 9.79 25.5 1.05 0.44 1.28 0.90 32.5 3.7 11 7.52 68 91 Bw3 35-50 4.95 3.63 10.0 19.2 0.16 0.98 1.85 1.50 29.6 4.5 15 6.43 63 92 BC 50-65 5.07 3.64 10.0 13.6 0.14 1.13 3.38 2.49 29.5 7.1 24 5.75 51 90 C1 65-90 5.31 3.67 10.0 10.5 0.15 1.44 2.27 3.84 33.0 7.7 23 4.58 50 87 C2 >90 5.18 3.64 10.1 7.90 0.13 1.52 2.74 3.13 31.5 7.5 24 5.78 53 89 HL-2, elevation 500 m

A1 0-10 4.46 3.74 9.74 32.8 0.58 0.01 0.49 0.31 20.4 1.4 7 2.97 62 80 A2 10-18 4.65 3.87 10.0 23.8 0.43 0.02 0.26 0.17 17.2 0.9 5 2.28 61 84 Bw1 18-30 4.69 3.84 10.0 20.0 0.27 0.03 0.13 0.11 17.1 0.5 3 2.64 69 84 Bw2 30-48 4.57 3.84 10.0 18.9 0.25 0.03 0.24 0.14 16.1 0.7 4 2.43 65 84 Bw3 48-65 4.69 3.79 9.87 12.1 0.29 0.07 0.12 0.12 15.5 0.6 4 2.90 70 86 BC 65-80 4.58 3.80 9.88 11.7 0.33 0.06 0.18 0.17 15.0 0.7 5 2.94 69 85 C 80-100 4.69 3.82 9.87 10.3 0.43 0.04 0.34 0.29 15.4 1.1 7 2.55 62 85 (continued to next page)

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表八、烘爐山土壤樣體一般化學性質分析(續)。

Table 8. The chemical characteristics of Mt. Honglu pedons (continued).

Depth pH

O. C. Exchangeable base

CEC Sum of cations B. S. Ex. Al Alsat. Pret.

Horizon H2O KCl NaF K Na Ca Mg

cm g/kg ---cmol(+)/kg soil--- % cmol(+)/kg ---%--- HL-3, elevation 386 m

A 0-8 3.56 3.24 8.35 94.3 0.82 0.03 0.48 0.37 36.1 1.7 5 7.59 78 72 Bw 8-14 4.72 3.80 10.2 14.4 0.57 0.14 0.54 0.38 18.9 1.6 9 2.99 60 89 BC 14-20 4.71 3.88 10.2 11.9 - - - 89 Bwb 20-40 5.13 4.03 10.0 12.2 0.59 0.18 1.06 1.08 17.0 2.9 17 1.22 32 85 BCb 40-58 5.05 3.92 9.86 16.4 0.42 0.17 0.66 0.78 16.6 2.0 12 1.79 47 83 B’w 58-75 4.87 3.82 9.84 18.0 0.33 0.13 0.36 0.56 17.4 1.4 8 2.59 62 82 C1 75-100 4.97 3.84 9.92 14.3 0.33 0.19 0.45 0.63 16.4 1.6 10 2.40 58 83 C2 >100 4.88 3.86 9.89 16.2 0.30 0.18 0.38 0.57 17.7 1.4 8 2.21 57 84 O. C. : organic carbon, B. S. : base saturation, Ex. Al: exchangeable Al, Alsat.: Al saturation, Pret.: phosphate retention, -: no data.

(allophane-like)及似絲狀鋁英石(imogolite-like)等物質(Shoji and Fujiwara, 1984)，因 此當土壤中含有大量的鋁–有機質複合物時也會有較高的 pH–NaF 值。鋁英石與絲 狀鋁英石與氟化鈉的反應，所釋出的氫氧根離子的量是一般矽酸鹽礦物的50 倍以 上。當土壤含有較多的石灰質物質時，pH–NaF 值也會上升，而有機質含量較多 時會使 pH–NaF 值下降，因此當土壤有太多的石灰質物質與有機質時，pH–NaF 值便不具意義(Perrott et al., 1976; Soil Survey Staff, 2014)。烘爐山三個樣體均以 A 層的測值最低(分別為 8.82、9.74 及 8.35)，係因有機質較多所致，而 HL-2 樣體 A 層測值大於9.4，有機質含量相較於其他兩個樣體較低，所得測值較高。而三個樣 體的其他化育層測值均大於 9.4，甚至高達 10，但選擇性化學抽出的結果顯示鋁 英石的含量並不多，因此推論造成如此高的測值是由於鋁–有機質複合物所造成。

二、有機質

有機質分解後的腐植物質通常呈現深黑色，使土壤表層呈現黑色的表育層。

有機質能改善土壤構造、增進土壤團粒的形成與穩定性、多孔特性能降低總體密 度、使土壤具有易碎性、提高土壤陽離子交換容量(cation exchange capacity)、增 加土壤對於養分的緩衝力、提高養分元素的有效性、提高土壤保水能力等等。由 於灰燼土高有機質含量的特性，在碳蓄存上也扮演一個重要的角色，陽明山國家 公園表土碳含量便占了台灣的0.6%，影響甚大(Tsai and Chen, 2010)。台灣農地土 壤的有機質含量一般不會大於2% (Chen et al., 2015)，而森林土壤有機質含量較高，

需視當地植生與環境而定，進而影響到在土壤化育上的分類。日本灰燼土中，以 銀 葦(Miscanthus sinensis) 為 主 的 草 原 植 被 ， 較 易 形 成 烏 黑 濕 潤 灰 燼 土 (Melanudands)，以山毛櫸(Fagus crenata)植被為主則易形成黃酸濕潤灰燼土 (Fulvudands) (Shoji et al., 1988)，而在陽明山國家公園的植被的土壤則是以簡育濕 潤灰燼土(Hapludands)為主。

烘爐山三個樣體A 層有機碳含量最多(分別為 63.8、32.8 及 94.3 g/kg)，隨著 土壤深度增加而減少。HL-2 樣體表層有機質相對其他兩個樣體較少，應是坡度較 陡受表面逕流影響有機物被沖走，有機物流失速度比補充速度快，使得表層有機

doi:10.6342/NTU201601148 土壤膠體表面的負電荷位置，即pH 依賴性電荷(pH-dependent charges)，使測得的 陽離子交換容量增加，高估土壤陽離子交換能力。

的鋁離子(Al³⁺)，而交換性鋁含量的多寡則與鋁元素在土壤中存在的形態有關 (Barnhisel and Bertsch, 1982)。研究指出，當灰燼土 pH–H2O 小於 5 時，過多的交 換性鋁被吸附於 2:1 型層狀矽酸鹽礦物的負電荷位置，此類非鋁英石型灰燼土具 有低鹽基及高交換性鋁的特性，因此土壤有較大酸度，而黏土礦物以 2:1 型層狀 矽酸鹽礦物及非鋁英石類的礦物為主，土壤中的有機酸為質子的提供者(donor)，

並與土壤溶液中的鐵及鋁離子鍵結生成鐵、鋁有機質複合物(Fe & Al-humus complexes) (Saigusa et al., 1980; Shoji et al., 1982; Shoji et al., 1985; Shoji et al., 1987; Shoji et al., 1993; Shoji and Fujiwara, 1984)。

烘爐山三個樣體在表層由於有機質含量最多，陽離子交換容量也最大，HL-2 及 HL-3 樣體隨土壤深度增加有減少的趨勢，而 HL-1 樣體則變化不明顯，係因 HL-1 樣體底層土壤有較多的鋁英石，提供較多的可變性電荷因而提高底層土壤的 陽離子交換容量，導致有機碳含量與 CEC 並無呈現正相關(Shoji et al., 1993;

Nishiue et al., 2014)。高降雨的環境下，三個土壤樣體的鹽基性離子均甚低，HL-1 樣體的陽離子總量(sum of cations)相對較高；HL-2 及 HL-3 樣體陽離子總量相對 較少，且鹽基飽和度也甚低，因此HL-2 及 HL-3 樣體受風化及淋洗作用程度較強 烈。受坡向影響，HL-2 受到來自東北季風的影響更為劇烈，土壤中的鹽基性離子 幾乎已流失。而三個土壤樣體在鹽基性離子較多的土層裡有較高的pH–H2O 值的 趨勢。當土壤交換性鋁含量高於2 cmol(+)/kg 及會對植物造成毒害現象，三個樣 體的土層其交換性鋁幾乎高於 2 cmol(+)/kg，且表層交換性鋁含量最高，而交換 性鋁主要為吸附於 2:1 型層狀矽酸鹽礦物上的鋁離子，有機鍵結形態的鋁離子、

鋁英石等無定形物質均屬於非交換形態。而在酸性環境(pH<5)下，當鹽基性離子 的量不足以與大量的有機酸官能基達到電中性時，多餘有機酸的配位基便傾向與 鋁離子鍵結為複合物形態，而降低了鋁矽酸鹽類的物質(Dahlgren and Ugolini, 1989; Shoji and Ono, 1978; Saigusa et al., 1980)。

四、磷酸根吸持力

火山灰土壤大量的活性鐵、鋁物質，如鋁英石、絲狀鋁英石、水鐵礦(ferrihydrite)、

鐵或鋁–有機質複合物等無定形物質對於磷酸根具有很高的吸持力，其吸附反應包

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應的活性鐵、鋁則因土壤 pH 的不同而有不同的形態(Blakemore et al., 1981;

Gebhardt and Coleman, 1974; Shoji et al., 1993; Parfitt, 1989; Shoji et al., 1993)。無定 形鐵及鋁物質含有大量正負電荷，在酸性環境下偏帶正電荷居多因此對磷酸根具 有很大的吸附能力，而活性鐵的吸附能力則較小，僅次於活性鋁(Parfitt, 1989)。

磷酸根的吸持除了無機形態的活性鐵、鋁物質，有機鍵結形態的鐵、鋁有機質複 合物在有機質較高的表層甚為重要。除了無定形物質以外，磷酸根的吸附也受到 磷酸根的種類、濃度所影響(Gunjigake and Wada, 1981; Okamura and Wada, 1983;

Wada and Gunjigake, 1979)。火山灰土壤相較於一般土壤含有大量的活性鐵、鋁物 質，對磷酸根的吸持度甚大，因此美國土壤分類系統將磷酸根吸持度≧85%編列 入火山灰土壤性質的判定依據(Soil Survey Staff, 1999)。

烘爐山三個樣體中，HL-1 樣體表層 0-10 公分土壤磷酸根吸持度小於 85%以 為CBD (Citrate-Bicarbonate-Dithionite)法、酸性草酸銨(acid oxalate)抽出法及焦磷 酸鈉(sodium pyrophosphate)抽出法(Wada, 1989; Parfitt and Childs, 1988; Soil Survey Staff, 2014)，各化學抽出劑所能抽出物質的種類見表九。

一、CBD 試劑之抽出

CBD (Citrate-Bicarbonate-Dithionite) 抽 出 法 係 以 連 二 亞 硫 酸 鈉 (sodium dithionite)將鐵還原後，以檸檬酸根將鐵鉗合，而碳酸氫鈉則為 pH 緩衝劑，俾使 溶液保持在弱鹼狀態時讓檸檬酸根具有最強的螯合能力。CBD 法能夠萃取土壤裡