第三章 材料與方法
3.8. 土壤基本性質分析
1. 水分含量：重量法 (Gardner, 1986)
於已知重量之容器W中秤取土壤，記綠此時讀值為W1，置於烘箱中以105 °C 加熱24 小時後，移出置入乾燥皿中冷卻再秤取重量，此時重量為W2。
濕基重水分含量θww%＝[(W1－W2)／(W1－W)] ×100% (依天秤精度取有效位數) 校正之土重＝風乾土重－(風乾土重×θww／100)
2. 總體密度：圓筒法或石蠟塊法 (Blake and Hartage, 1986)
(1) 圓筒法(core method)：以core採取各土壤化育層之土壤，攜回實驗室測定之。
(2) 石蠟塊法(paraffin method)：若採樣之土壤有過乾或過濕等狀況，而無法完整採 集土壤樣體時，則挖取約拳頭大小的土塊若干個，攜回實驗室以石蠟塊法測定 之。
3. 粒徑分析：吸管法 (Gee and Bauder, 1986)
(1) 碳酸鹽類移除
秤取12克風乾土壤於250 mL 離心管中，加入50 mL 去離子水，混合後，加 入10 mL，1 M 醋酸鈉( pH 5)，搖勻後離心，倒除上清液。再加入50 mL去離子 水，搖勻後離心，倒除上清液。
(2) 有機物分解
將離心管中土壤以去離子水沖洗入600 mL燒杯，加入5 mL 35 % H2O2攪拌 加熱至90 °C，加熱至接近乾燥，再重複上述步驟，至大部份有機物被分解(判斷 以反應速率與樣品顏色變淡為基準，若產生大量氣泡且體積大，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 判斷為有機質分解結束)，再額外加熱1小時。
(3) 鐵鋁氧化物移除
將上述樣品移至100 mL離心管中，使用約50 mL sodium citrate-bicarbonate buffer (125 mL 1 M 碳酸氫鈉(bicarbonate)加入於1 L 0.3 M 檸檬酸鈉中(citrate carbonate)，攪拌後慢慢加入約3克 連二亞硫酸鈉(一次加入1克，分三次加入)並 攪拌，於80 °C水浴中加熱20分鐘間斷攪拌數次。將樣品移開溫水浴，加入10 mL 飽和氯化鈉(sodium chloride)混合後離心，倒除上清液。若樣品仍帶有黃棕色，
重複前述步驟。接著分別以50 mL 10% 氯化鈉及50 mL去離子水清洗並離心移 去清洗液。最後將樣品置入250 mL 燒杯中，以去離子水仔細沖洗離心管壁以防 樣品損失，置於烘箱中以105 °C 烘乾備用。
精秤處理後烘乾土重，以去離子水洗入金屬攪拌杯中，再加入10 mL 5%偏
磷酸鈉(Na-hexaetaphosphate)，以電動攪拌機中等速度攪拌約15分鐘，將樣品通 過325 mesh(< 44 μm)篩網進行濕篩，坋粒與黏粒洗入1000 mL沉降筒。將留在篩 網上砂粒洗入燒杯中，烘乾後秤重得土壤中砂粒含量，再細分為極細砂(47 μm~0.1 mm)、細砂(0.1 mm~0.25 mm)、中砂(0.25 mm~0.5 mm)、粗砂(0.5 mm~1 mm)與極粗砂(1 mm~2 mm)五個不同等級。沉降筒中之坋粒與黏粒以去離子水定 量至1 L靜置數小時待平衡，再根據Stokes’ Law和土壤溫度，對照黏粒沉降之時 間，以攪拌槳充份攪拌後靜置，達到沉降時間以25 mL定量吸管於液面下10 cm 處吸取25 mL 樣品(須在12 秒內完成)，移至燒杯中烘乾秤重。分別計算砂粒與 黏粒之比例，得到土壤中砂粒、坋粒與黏粒重量百分率，依照美國農部土壤調 查手冊質地三角座標圖即可求得質地分級。
3.8.2 化學性質分析
1. 土壤反應(pH 值)：玻璃電極法 (McLean, 1982)
(1) H2O：土壤與去離子水以重量比 1：1(w/w)經充分攪拌後，靜置 1 小時後以玻 璃電極測定。
(2) KCl：土壤與 1 N KCl 以重量比 1：2.5(w/w)經充分攪拌後，靜置 1 小時後以 玻璃電極測定。
2. 有機碳(Organic carbon)：Walkley-Black 濕式氧化法 (Nelson and Sommer, 1982)
精秤0.5克土壤(<0.002 m)置入500 mL錐形瓶中，先加入10 mL 1N 重鉻酸鉀 (K2Cr2O7)搖勻，隨即加入20 mL濃硫酸(H2SO4)，混合均勻以後靜置30分鐘(若此 時溶液呈現綠色則須將土壤重量減半，重複上述步驟)。接著再添加200 mL去離 子水與10 mL 85 % 磷酸(H3PO4)，放置常溫後滴入30滴 二苯胺指示劑，再以0.5N 硫酸亞鐵銨((NH4)2Fe(SO4)2)進行滴定之。
有機碳含量計算公式：
OC(%) = 10 × (1 −𝑉𝑠
𝑉𝑏) × (1.0 N) × ( 12
4000) × 1.3 × (100 W )
Vs：樣品之硫酸亞鐵溶液滴定量(mL) Vb：空白之硫酸亞鐵溶液滴定量(mL) W：土壤樣品重量
1.3：有機碳與有機物的轉換係數(Van Bemmelen factor)和回收率轉換因子。
3. 可交換性鹽基(Exchangeable bases)：1N 醋酸銨法(pH 7) (Thomas, 1982)
秤取5克土壤置入於淋洗管柱，以100 mL 1N 醋酸銨(pH 7) (NH4OAc)淋洗，
洗出之溶液定量至100 mL定量瓶中，利用原子吸收光譜儀測定溶液中可交換性 之鉀(K)、鈉(Na)、鈣(Ca)、鎂(Mg)含量。
4. 陽離子交換容量(Cation exchange capacity)：1N 醋酸銨法(pH 7) (Thomas, 1982)
秤取5克土壤以100 mL 1N 醋酸銨(pH 7) 淋洗後，再以100 mL 95% 酒精 (methanol)洗去土壤裡多餘的醋酸銨溶液。之後添入100 mL 10% 氯化鈉溶液淋 洗，以交換出土壤粒子表面吸附之NH4+，將洗下的溶液收集後，使用凱式蒸餾 法(Kjeldahl’s Method)測定氮含量，以計算陽離子交換容量。
5. 鹽基飽和度(Percentage of base saturation, BS%)：
將1 N 醋酸銨(pH 7)溶液淋洗置換出的鹽基總含量，除以陽離子交換容量，
再乘上100%，即為鹽基飽和度，公式如下。
BS% = [(Exchangeable K + Na + Ca + Mg)/CEC7]×100%
6. 可交換性酸度(Exchangeable acidity)：1N 氯化鉀法 (Thomas, 1982)
秤取10克風乾土於錐形瓶中，加入25 mL 1 N 氯化鉀(KCl)，搖勻後靜置30 分鐘，再以真空抽氣過濾，分次加入25 mL 1 N 氯化鉀至總抽出液體積為150 mL。
將抽出液滴入酚酞指示劑，以0.1 N 氫氧化鈉(NaOH)滴定達紅色視為滴定終點，
紀錄滴定量以計算Al3+與H+量。再添入10 mL 1 N 氟化鉀(KF)使溶液呈紅色進行 反滴定，以0.1 N 鹽酸(HCl)滴定到無色停止，靜置30分鐘後再滴定至無色，紀 錄滴定量以計算Al3+量。前者減去後者即為H+量。
Meq KCl acidity = (NaOH sample - NaOH blank) x N x 100/ sample weight(g) Meq KCl exchangeable Al = HCl x N x 100/ sample weight(g)
Meq H = KCl acidity - KCl exchangeable Al
7. 鋁飽和度(Percntage of Al saturation, Al%)
交換性鋁含量除上可交換性鹼基與交換性鋁含量之總和，即為鋁飽和度 Al Saturated % = [𝐸𝑋.(𝐾+𝑁𝑎+𝐶𝑎+𝑀𝑔+𝐴𝑙)(𝐴𝑙𝐸𝑥.) ] × 100%]
8. 游離鐵、鋁、錳：Sodium Citrate-Bicarbonate-Dithionite(CBD)可抽出性鐵、鋁 和錳(分別以 Fed、Ald和 Mnd表示) (Mehra and Jackson, 1960)
精秤1克土壤，加入40 mL 0.3 M 檸檬酸鈉溶液，及5 mL 1 M 碳酸氫鈉溶液，
以80 °C溫水浴約15至20分鐘，再加入1克 連二亞硫酸鈉(Na2S2O4)，持續攪拌15 分鐘，再加入10 mL 飽和氯化鈉溶液(若未產生絮聚現象再加入10 mL 丙酮)，
離心後收集懸浮液，重複上述步驟至溶液呈現灰色。以原子吸收光譜儀(A.A.) 測定濾液中鐵、鋁和錳含量。分析流程詳如(圖七)。
9. 無定形鐵、鋁：Acid oxalate 可抽出性鐵和鋁(分別以 Feo和 Alo 表示)0.2 M Oxalate-Oxalic Acid(pH3.0)抽出法 (McKeague and Day, 1966)
精秤2克土壤，加入100 mL 0.2 M之酸性草酸銨溶液(pH 3.0)，在黑暗中震盪 4小時後，再加入數滴0.4 %之Superfloc(絮聚用)，劇烈震盪十秒後，靜置約30分 鐘，接著以2000 rpm離心15分鐘，再以Whatman No.42濾紙過濾，以原子吸收光 譜儀(A.A.)測定濾液中鐵、鋁和錳含量。分析流程詳如(圖八)。
1.0 g soil (< 2 mm)
Add 40 mL 0.3 M Sodium citrate
& 5 mL 1 M NaHCO3
80 °C water bath 20 min
Add 1 g Sodium dithionite (Na2S2O4)
Stir & water bath 15 min
Add 10 mL saturated NaCl
Centrifuge
&
Filter
A.A.
Fed Mnd Ald 圖七、游離型態鐵與鋁之萃取及測定流程圖
Fig. 7. Extraction of sodium citrate-bicarbonate-dithonite(CBD) and determination procedures of Fe and Al
2.0 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
&
Filter
A.A.
Feo Alo
圖八、無定形鐵與鋁之萃取及測定流程圖
Fig. 8. Extraction of oxalate-oxalic acid and determination procedures of Fe and Al
10. 有機型鐵、鋁：Sodium pyrophosphate 可抽出性鐵和鋁(分別以 Fep和 Alp表示)0.1 M Sodium pyrophosphate(pH10.0)抽出法 (Loveland and Digby, 1984)
取1克土壤加入0.1 M 焦磷酸鈉(Sodium pyrophosphate)溶液(pH 10) 100 mL，
震盪24小時，加入5滴0.4 % superfloc，以2000 rpm離心15分鐘，再以Whatman No.42濾紙過濾，以原子吸收光譜儀(A.A.)測定濾液中鐵、鋁和錳含量。分析流 程詳如(圖九)。
11. ODOE 值：Acid oxalate 酸性草酸銨(pH 3.25)淋洗法 (Daly, 1982)
5克土壤，經可交換性鹽基及陽離子交換容量分析結束後，再加入200 mL 之酸性草酸銨溶液(草酸銨24.9 g加入草酸12.6 g定量至一公升調整pH至3.25)進 行淋洗，收集濾液以分光光度計於430 nm波長下進行測定其吸光值，分析流程 詳細如(圖十)。
12. 磷酸根結持度(Phosphate retention): 0.032 M Na2HPO4 (pH 4.6)溶液(Blakemore et.al., 1981)
取5 克土壤加入25 mL 0.032 M 磷酸氫鈉(Na2HPO4)(pH 4.6)溶液，來回震盪 24小時後，加入3滴0.2% superfloc溶液，以2000 rpm離心15分鐘，再以Whatman No.42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 結持度(%)。
磷酸氫鈉溶液以8.8 g 磷酸氫鈉、54.4 g 醋酸鈉與23 mL 冰醋酸，定量至2 公升，此時溶液pH值介於4.55 到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，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 克 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 克 鉬酸銨溶
1.0 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
&
Filter
A.A.
Fep Alp
圖九、有機鍵結型態鐵與鋁之萃取及測定流程圖
Fig. 9. Extraction of sodium pyrophosphate and determination procedures of Fe and Al
5 g soil (< 2 mm) add to column
Add 100 mL NH4OAc (pH 7.0)
Leaching solution Exchange bases(K, Na, Ca, Mg)
Add 100 mL 95% Alcohol
Leaching solution throw off
Add 100 mL 10% acid NaCl
Leaching solution CEC(Kjeldahl’s method)
Add 200 mL oxalate reagent(pH 3.25)
Leaching solution
Spectrophotometer(430 nm)
ODOE value(optical density of oxalate extraction)
圖十、ODOE 值測定流程圖
Fig. 10. Flow chart of ODOE value determination
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 (需依順序加入)。
3.8.3 黏土礦物分析
1. 黏粒抽出
取50 克土壤先經過去除有機物與游離鐵後，利用虹吸法與Stokes’ law，待 其砂粒及坋粒沉降後於沉降筒中抽出小於2 μm之黏粒懸浮液，離心後倒除上清 液備用 (Whittig and Allardice,1986)，黏土礦物組成分析流程(圖十一)。
2. 黏粒處理
將 沉 降 法 收 集 後 之 黏 粒 分 別 作 鉀 飽 和 (K-saturated clay) 、 鎂 飽 和 (Mg-saturated clay)與6N HCl(HCl-saturated clay)處理，過程如下：
(1) 鉀飽和處理(K-saturated clay)
取0.2克< 0.2 μm之黏粒於100 mL塑膠瓶內，加入30 mL 2N KCl，震盪2小時 之後，以轉速4000 rpm離心10分鐘倒除上層澄清液。再加入30 mL 1N KCl，繼 續震盪2小時，再以轉速4000 rpm離心10分鐘倒除上層澄清液(此步驟需重複進行 兩次)。完成後加入 30 mL 50%之酒精，震盪10分鐘後平衡離心，倒除上層澄清 液。再加入30 mL 95% 酒精，震盪10分鐘後平衡離心(此步驟重複進行兩次)，
最後加入30 mL 95% 丙酮，震盪10分鐘後平衡離心，保留上層澄清液備用。將 保留之上層澄清液以吸管抽取1 mL於乾淨試管中，滴入1滴 0.1M AgNO3，若呈 現混濁狀則重複上述步驟；若是呈現澄清狀則可倒除上層澄清液，加入少量超 純水使之呈現懸浮液狀，抽取液體塗抹於拭淨之玻片上風乾。
(2) 鎂飽和處理(Mg-saturated clay)
取0.2克< 0.2 μm之黏粒於100 mL塑膠瓶內，加入60 mL 5N Mg(OAc)2，震盪 2小時之後，以轉速4000 rpm離心10分鐘倒除上層澄清液。再加入30 mL 2N Mg(OAc)2，繼續震盪2小時，再以轉速4000 rpm離心10分鐘倒除上層澄清液，最 後加入30 mL 1N MgCl2。完成後加入 30 mL 50%之酒精，震盪10分鐘後平衡離 心，倒除上層澄清液。再加入30 mL 95% 酒精，震盪10分鐘後平衡離心(此步驟
Treatment
(1) Removal of organic matter
(2) Removal of free iron oxides
(3) Dispersion
(4) Fraction
(5) K-saturated clay Mg-saturated clay HCl-saturated clay
(6) Identification
Procedure Soil sample
< 2 mm
35% H2O2 treatment
DCB treatment for the removal of free iron oxides
(Mehra & Jackson method)
10% calgon
Fraction of < 2 μm clay By sedimentation method
KCl
Final washing(ethanol, acetone)
K-Clay
X-ray diffraction
Clay mineral compositon analysis
圖十一、黏土礦物組成分析流程圖
Fig. 11. Flow chart of identification of clay mineral compostion.
重複進行兩次)，最後加入30 mL 95% 丙酮，震盪10分鐘後平衡離心，保留上層 澄清液備用。將保留之上層澄清液以吸管抽取1 mL於乾淨試管中，滴入1滴 0.1M AgNO3，若呈現混濁狀則重複上述步驟；若是呈現澄清狀則可倒除上層澄 清液，加入少量超純水使之呈現懸浮液狀，抽取液體塗抹於拭淨之玻片上風乾。
(3) 6N HCl (HCl-saturated clay)
取0.2克< 0.2 μm之黏粒於100 mL塑膠瓶內，加入30 mL 6N HCl，以90 oC水 浴30分鐘之後，待冷卻後平衡，以轉速4000 rpm離心10分鐘倒除上層澄清液。
完成後加入 30 mL 50% 酒精，震盪10分鐘後平衡離心，倒除上層澄清液。再加 入30 mL 95% 酒精，震盪10分鐘後平衡離心(此步驟重複進行兩次)，最後加入 30 mL 95% 丙酮，震盪10分鐘後平衡離心，保留上層澄清液備用。將保留之上 層澄清液以吸管抽取1 mL於乾淨試管中，滴入1滴 0.1M AgNO3，若呈現混濁狀 則重複上述步驟；若是呈現澄清狀則可倒除上層澄清液，加入少量超純水使之
完成後加入 30 mL 50% 酒精，震盪10分鐘後平衡離心，倒除上層澄清液。再加 入30 mL 95% 酒精，震盪10分鐘後平衡離心(此步驟重複進行兩次)，最後加入 30 mL 95% 丙酮，震盪10分鐘後平衡離心，保留上層澄清液備用。將保留之上 層澄清液以吸管抽取1 mL於乾淨試管中，滴入1滴 0.1M AgNO3，若呈現混濁狀 則重複上述步驟；若是呈現澄清狀則可倒除上層澄清液，加入少量超純水使之