土壤分析方法

一、物理性質分析

1、總體密度(Bulk Density, Bd)：土罐法(Blake and Hartge, 1986)

土壤總體密度是指土粒重量與土粒自然狀況下所佔體積(包括土粒及空隙)之 比值，土罐法係利用固定體積之金屬環(core)，在不影響被取樣土壤的自然構造狀 況下，將金屬環壓入土體中，取出金屬環後將兩端突出之土壤削平後加蓋密封。

帶回實驗室以105°C 烘箱烘乾 24 小時後，秤取土壤重量，即可計算總體密度。

ρ_b = ^𝑊𝑠

𝑉𝑡 (式 1)

Ws：烘乾土重量

Vt：土壤總體積(金屬環體積)

由於火山灰土壤鬆散且易碎，因此利用土罐法要小心避免將土壤壓實，應利用 手將金屬環緩慢壓入，可避免因土壤壓實而造成的採樣誤差，而土樣有無被壓實 可利用金屬環內外土壤面的高低差異來判斷。

2、水分含量(Moisture content)：重量法(Gardner, 1986)

取風乾土壤至已知重量的燒杯(W)中，秤量土壤加燒杯的重量(Ww)，放入 105°C 烘箱烘乾24 小時後秤重(Wd)，即可計算土壤重量含水量。

θm = ^(𝑊_(𝑊^{𝑤−𝑊𝑑)}

𝑑−𝑊)

(式 2) 3、33 kPa 和 1500 kPa 水分含量測定：Pressure membrane method (Klute, 1986)

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以蒸餾水飽和一天後，分別在33 kPa 與 1500 kPa 壓力鍋中平衡三天，取出並測定 土壤水分含量(以烘乾土重為基準)。

4、土壤粒徑分析(Soil particle size analysis)：吸管法(Gee and Bauder, 1986)

秤取約15 g 風乾土於 600 mL 燒杯，加入 10 mL，30% H2O2，攪拌，加熱至 90°C，加熱至近乾，再重複加入 H2O2 與加熱之步驟，至大部份有機物被分解(由 反應速率與樣品顏色變淡判定，若產生大量氣泡且氣泡體積大，表示仍有未分解 完全之有機質；若加入H2O2後產生之氣泡綿密且氣泡產生速度明顯降低，則判定 為有機質分解結束)，再額外加熱 1 小時，完成有機物分解步驟。

以約50 mL citrate-bicarbonate buffer (加入 125 mL，1 M sodium bicarbonate 於 1 L，0.3 M sodium citrate 中即得) 將樣品轉移至 100 mL 離心管中，攪拌後慢慢加

Na-hexametaphosphate，以電動攪拌機攪拌 10 分鐘，將樣品通過 325 mesh 篩網(篩 孔直徑44 μm)，篩網下接 1 L 沉降筒。將留在篩網上砂粒洗入燒杯中，烘乾後秤

1、pH 值：玻璃電極法(McLean, 1982)

pH(H2O)：將土壤與去離子水以 1:1 的比例充分混合後，靜置一小時，以 pH 計測定。

pH(KCl)：將土壤與 1 N KCl 以 1:1 的比例充分混合後，靜置一小時，以 pH 計 測定。

pH(NaF)：將土壤與 1 N NaF 以 1:50 的比例充分混合後，靜置一小時，以 pH 計測定。

2、陽離子交換容量(Cation exchange capacity)：1 N 醋酸銨法(pH 7.0)(Thomas, 1982) 秤取10 g 土壤置入淋洗管柱，以 100 mL 1 N NH4OAc (pH 7.0)淋洗，淋洗後加 入100 mL 95%之酒精，洗去土壤中多餘 NH4OAc 溶液。再加入 100 mL 酸化的 10%

NaCl 溶液淋洗，將交換出來的土壤膠體表面所吸附的 NH4+離子，以Kjeldahl 蒸餾 法測定淋洗溶液中 NH4+－N 的含量，換算成陽離子交換容量(CEC)，單位以 cmol(+)/kg soil 表示。

3、可交換性鹽基(Exchangeable bases)：1 N 醋酸銨法(pH 7.0)(Thomas, 1982) 秤取10 g 土壤置入淋洗管柱內，以 100 mL 1 N NH4OAc (pH 7.0)淋洗，收集淋 洗溶液以原子吸收光譜儀(A.A.)或感應耦合電漿發射光譜儀(ICP-AES)測定溶液中 陽離子(鉀、鈉、鈣、鎂)含量，單位以 cmol(+)/kg soil 表示。

4、交換性鋁(Exchangeable Al)：1 N KCl 法(Blakemore et al., 1981)

秤取10 g 土壤樣品與 50 mL 1 N KCl 充分混合後靜置 16 小時，以 Advantec No.

5 濾紙過濾，並用 50 mL 1 N KCl 淋洗，合併兩次的溶液，以 0.45 μm 醋酸纖維圓 形過濾膜(mini-pore)過濾，以感應耦合電漿發射光譜儀(ICP-AES)測定鋁含量。

5、鋁飽和度(Al Saturation)

交換性鋁除以可交換性鹽基與交換性鋁的總和，即為鋁飽和度

Al Saturated (%) = [𝑒𝑥(𝐾+𝑁𝑎+𝐶𝑎+𝑀𝑔+𝐴𝑙)^{(𝐴𝑙𝑒𝑥)} ] × 100% (式 3)

doi:10.6342/NTU201601148 pyrophosphate (pH 10)抽出法(Blakemore et al., 1981)

精秤1 g 小於 2 mm 土壤，加入 100 mL 0.1 M sodium pyrophosphate (pH 10.0)，

來回震盪16 小時後，加入 3–5 滴 0.4% superfloc 溶液，並劇烈搖晃數秒，置入離心 機離心(4500 rpm，離心 30 分鐘)，離心結束後取上清液，用 Advantec No. 5 濾紙及 0.45 μm 醋酸纖維圓形過濾膜(mini-pore)過濾，以感應耦合電漿發射光譜儀(ICP-AES) 測定鐵、鋁含量(圖十)。

8、Citrate–Bicarbonate–Dithonite 可抽出性鐵及鋁(以 Fed、Ald表示)：sodium citrate- bicarbonate-dithonite 抽出法(Mehra and Jackson, 1960)

秤取1 g 小於 2 mm 土壤，放入 100 mL 離心管中，加入 40 mL 0.3 M 檸檬酸鈉

0.5 g soil (<2 mm)

Add 50 mL 0.1 M sodium pyrophosphate (pH 10)

Shake for 16 hours

Add 3–5 drops 0.4 % superfloc solutions

Centrifuge (4,500 rpm; 30 min)

Filter

(Advantec No. 5 & 0.45 μm Membrane Filter, CA)

ICP–AES

Fep Alp

圖十、有機鍵結形態鐵與鋁之萃取及測定步驟。

Fig. 10. Extraction and determination procedures of Fe and Al extracted by sodium pyrophosphate.

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(ICP-AES)測定鐵、鋁含量(圖十一)。

9、Acid oxalate 可抽出性鐵、鋁、矽(以 Feo、Alo、Sio表示)：0.2 M oxalate-oxalic acid(pH 3.0)抽出法(Blakemore et. al., 1981)

秤取1 g 小於 2 mm 土壤，加入 100 mL 0.2 M oxalate acid (pH 3.0)(將 0.2 M 草 酸銨與0.2 M 草酸以 1:0.75 比例混合配製)，在黑暗中震盪 4 小時後，加入 3–5 滴 0.4% superfloc 溶液，並劇烈搖晃數秒，置入離心機離心(2000 rpm，離心 15 分鐘)，

用Advantec No. 5 濾紙及 0.45 μm 醋酸纖維圓形過濾膜(mini-pore)過濾，以感應耦 合電漿發射光譜儀(ICP-AES)測定鐵、鋁、矽含量(圖十二)。

10、磷酸根吸持度(Phosphate retention)：0.032 M Na2HPO4 (pH 4.6)溶液(Blakemore et.al., 1981)

秤取5 g 小於 2 mm 土壤於 100 mL 離心管中，加入 25 mL 0.032 M Na2HPO4 (pH 4.6)溶液，來回震盪 24 小時後，加入 3 滴 0.2% superfloc 溶液，置於離心機中以 2000 rpm 離心 15 分鐘，以 Advantec No. 5 濾紙過濾，濾液以鉬黃法於 466 nm 下測定吸 光值，並以檢量線換算成磷酸根結持度(%)。

Na2HPO4溶液以8.8 g KH2PO4、54.4 g CH3COONa．3H2O 與 23 mL 冰醋酸，定 量至2 公升，此時溶液 pH 值介於 4.55 - 4.65。

鉬黃法：取1 mL 濾液於試管中，加入 19 mL 混合試劑，均勻搖晃後靜置呈色 30 分鐘，以分光光度計(HITACHI U-1900)，於波長 466 nm 下測定吸光值。

混合指示劑：取100 mL 濃硝酸，以超純水定量至 1000 mL，配製成 0.16 M HNO3

(A 液)；秤取 0.8 g 釩酸銨溶於約 500 mL 沸騰超純水中，冷卻後緩慢加入 6 mL 濃 硝酸，定量至1000 mL，配製成釩酸銨溶液(B 液)；秤取 16 g 鉬酸銨溶於 50°C 超 純水中，冷卻後定量至1000 mL，配製成鉬酸銨溶液(C 液)；先混合 A 液與 B 液後 再加入C 液即為混合指示劑(需照順序加入)。

三、礦物組成份分析

礦物的鑑定利用X 射線繞射分析儀(x-ray diffraction, XRD)進行，而黏粒是粒徑 分析所得之黏粒部分；砂粒是未通過325 mesh 篩網(＜44 μm)之部分。為了得到較

1.0 g soil (<2 mm)

Add 40 mL 0.3 M sodium citrate

&

5 mL 1 M NaHCO3

80°C water bath 15–20 min

Add 1 g Sodium dithionite (Na2S2O4)

Stir & water bath 15 min

Add 15 mL saturated NaCl

Centrifuge (3,000 rpm; 15 min)

Filter

(Advantec No. 5 & 0.45 μm Membrane Filter, CA)

ICP–AES

Fed Ald

圖十一、游離形態鐵與鋁之萃取及測定步驟。

Fig. 11. Extraction and determination procedures of Fe and Al extracted by sodium

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1.0 g soil (<2 mm)

Add 100 mL 0.2 M oxalate acid (pH 3.0)

Shake 4 hours in dark condition

Add 3–5 drops 0.4 % superfloc solutions

Centrifuge (2,000 rpm; 15 min)

Filter

(Advantec No. 5 & 0.45 μm Membrane Filter, CA)

ICP–AES

Feo Alo Sio

圖十二、無定形鐵、鋁與矽之萃取及測定步驟。

Fig. 12. Extraction and determination procedures of Fe and Al extracted by oxalate-oxalic acid.

好的繞射結果，去有機質所得之黏粒在加上去游離鐵處理。黏粒分別做鉀、鎂及鹽 酸處理(圖十三)；砂粒部分則不做任何處理，以瑪瑙硏缽細磨過 100 mesh 篩網後直 接固定於玻片上進行X 射線繞射分析。

黏粒鉀飽和處理(K-saturated clay)：將粒徑分析所得之黏粒置於 100 mL 塑膠瓶 中，加入30 mL 2 N KCl 溶液來回震盪 2 小時後，離心(4,000 rpm, 10 min)並倒去上 清液，再加入30 mL 1 N KCl 溶液來回震盪 2 小時後，離心(4,000 rpm, 10 min)並倒 去上清液(此步驟重複兩次)。之後加入 30 mL 50%乙醇來回震盪 5 分鐘後，離心(4000 rpm, 10 min)並倒去上清液，再加入 30 mL 95%乙醇來回震盪 5 分鐘後，離心(4000 rpm, 10 min)並倒去上清液，最後加入 30 mL 95%丙酮來回震盪 5 分鐘後，離心(4000 rpm, 10 min)並倒去上清液。以 0.1 M AgNO3溶液做餘氯測試，吸取1 mL 上清液加 入1 滴 0.1 M AgNO3，若溶液成混濁狀則重複丙酮的步驟直至餘氯去除。最後倒除 上清液後，加入適量超純水使黏粒成為懸浮液，以滴管吸取懸浮液，慢慢滴於玻片 上自然風乾，作為鉀飽和黏粒定位片備用。

黏粒鎂飽和處理(Mg-saturated clay)：將粒徑分析所得之黏粒置於 100 mL 塑膠 瓶中，加入60 mL 5 N Mg(OAc)2溶液來回震盪2 小時後，離心(4,000 rpm, 10 min) 並倒去上清液，再加入30 mL 2 N Mg(OAc)2溶液來回震盪2 小時後，離心(4,000 rpm, 10 min)並倒去上清液，再加入 30 mL 1 N MgCl2溶液來回震盪2 小時後，離心(4,000 rpm, 10 min)並倒去上清液。之後加入 30 mL 50%乙醇來回震盪 5 分鐘後，離心(4000 rpm, 10 min)並倒去上清液，再加入 30 mL 95%乙醇來回震盪 5 分鐘後，離心(4000 rpm, 10 min)並倒去上清液，最後加入 30 mL 95%丙酮來回震盪 5 分鐘後，離心 (4000 rpm, 10 min)並倒去上清液。以 0.1 M AgNO3溶液做餘氯測試，吸取1 mL 上 清液加入1 滴 0.1 M AgNO3，若溶液成混濁狀則重複丙酮的步驟直至餘氯去除。最 後倒除上清液後，加入適量超純水使黏粒成為懸浮液，以滴管吸取懸浮液，慢慢 滴於玻片上自然風乾，作為鎂飽和黏粒定位片備用。

6 N HCl 處理(HCl-saturated clay)：將粒徑分析所得之黏粒置於 100 mL 塑膠瓶 中，加入30 mL 6 N HCl 於 90°C 水浴 30 分鐘，待冷卻後，離心(4000 rpm, 10 min) 並倒去上清液。之後加入30 mL 50%乙醇來回震盪 5 分鐘後，離心(4000 rpm, 10 min)

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圖十三、鉀飽和、鎂飽和與鹽酸處理之黏粒製備步驟。

Fig. 13. Procedures of preparation of K-saturated, Mg-saturated and 6 N HCl-treated clay. 50 % ethanol washing 95 % ethanol washing 95 % acetone washing

Cl^- test Mounting

K-air, K-350°C, K-550°C

Mg-saturated clay 50 % ethanol washing 95 % ethanol washing 95 % acetone washing

Cl^- test Mounting Mg-air, Mg-EG

6 N HCl-treated clay

<2μm clay 30 mL 6 N HCl 90°C water bath for 30 min

Centrifuge 50 % ethanol washing 95 % ethanol washing 95 % acetone washing

Cl^- test Mounting 6 N HCl-air

min)並倒去上清液。以 0.1 M AgNO3溶液做餘氯測試，吸取1 mL 上清液加入 1 滴 0.1 M AgNO3，若溶液成混濁狀則重複丙酮的步驟直至餘氯去除。最後倒除上清液 後，加入適量超純水使黏粒成為懸浮液，以滴管吸取懸浮液，慢慢滴於玻片上自 然風乾，作為鹽酸飽和黏粒定位片備用。

待以上三種處理之玻片的黏粒乾固後，鉀飽和黏粒分為室溫乾燥處理及高溫灰 化爐350°C、550°C 處理；鎂飽和黏粒分為室溫乾燥處理及密閉空間乙二醇薰蒸 2 小時處理；6 N HCl 黏粒處理則為室溫乾燥處理。

X 光繞射分析條件：機型 Rigaku D/Max–2200/PC (Tokoyo, Japan)；Kα 射源；

靶–銅靶；濾片–鎳；電壓 40 kV；電流 30 mA；繞射速度每分鐘二度；2θ 範圍 2°~40°(黏 粒)、10°~80°(砂粒)。

四、土壤薄切片之製備與觀察

於野外採集之土壤盒，帶回實驗室後，隨即妥善包裝，紙盒內空隙以汽泡棉填 充避免運送過程的震動，寄往美國Spectrum Petrographic 公司製作成薄切片的玻璃 標本(厚度 30 μm)。收到薄切片後利用偏光顯微鏡(型號：Nikon AFX- II)觀察並記錄 微形態特徵。

鋁製盒裝土壤樣體待其風乾後，將其灌入混有丙酮的聚酯樹脂中，接著放入真

空乾燥器使其乾燥後，以鑽石刀切割所需大小打磨至約 1 公分大小後將樣本固定

於玻片上，再打磨至30 微米的厚度以便於用偏光顯微鏡觀察(圖十四)。