114 年 國立中山大學海洋環境及工程學系碩士班乙組《環境概論》

本題主要考查學生對氣候變遷基本概念的理解，包括調適、溫室氣體種類以及暖化潛勢。

(1) 氣候變遷調適的定義：
氣候變遷調適 (Climate Change Adaptation) 是指為了減輕氣候變遷對人類社會和自然生態系統造成的負面影響，而採取的一系列措施和行動。這些措施旨在提高系統的韌性，使其能夠適應實際發生或預期發生的氣候變化及其影響，例如提高海平面上升的防禦能力、調整農業種植結構以適應溫度和降雨變化等。

(2) 三種溫室氣體的種類：
常見的溫室氣體包括：

• 二氧化碳 ($CO_2$)：最主要的溫室氣體，來自燃燒化石燃料、工業製程、土地利用變化等。
• 甲烷 ($CH_4$)：來自農業活動（如畜牧、稻作）、天然氣洩漏、垃圾掩埋場等，其暖化潛勢遠高於二氧化碳。
• 氧化亞氮 ($N_2O$)：主要來自農業活動（如化肥使用）、工業製程、燃燒化石燃料等。

本題聚焦於「自然碳匯」的概念及其在淨零排放策略中的應用。

(1) 「自然碳匯」的定義：
自然碳匯 (Natural Carbon Sinks) 指的是能夠從大氣中吸收並儲存二氧化碳的自然生態系統或過程。這些系統透過植物的光合作用、土壤有機質的累積、海洋的碳酸鹽循環等方式，將大氣中的二氧化碳固定起來，減少其在大氣中的濃度，進而減緩全球暖化。主要的自然碳匯包括森林、草原、濕地、海洋（特別是浮游植物和紅樹林等）以及土壤。

(2) 「自然碳匯」達成淨零排放之可能策略：
達成淨零排放的策略，除了減少碳排放外，也需要有效利用和增強自然碳匯的功能。以下是一些可能的策略：

• 森林保育與擴大（Forest Conservation and Expansion）：
  • 保育現有森林：減少森林砍伐、非法伐木，保護原生林，維持其碳儲存能力。
  • 植樹造林與森林復育：在適宜地區進行大規模植樹造林，以及對退化的森林進行復育，增加森林覆蓋面積和總生物量，從而增加碳吸收量。
  • 森林管理優化：採用永續森林經營方式，提高森林的健康度和生產力。
• 濕地與紅樹林保育（Wetland and Mangrove Conservation）：
  • 保護與恢復濕地生態系統：濕地（包括泥炭地）是重要的碳儲存庫。

本題探討生態系統服務的概念，並將之應用於人工濕地的定義與功能。

(1) 生態系統服務 (Ecosystem services) 的定義與類型：
生態系統服務是指人類從生態系統中獲得的、對人類生存和福祉至關重要的各種益處，包括直接和間接的利益。這些服務是自然生態系統健康運作的結果。
生態系統服務通常被分為四大類型：

• 供給服務 (Provisioning Services)：人類直接獲取的物質產品。
  • 項目範例：食物（糧食、漁獲）、淡水、木材、纖維、藥材、生物燃料、礦產資源等。
• 調節服務 (Regulating Services)：生態系統對自然過程的調節作用，對人類福祉有重要影響。
  • 項目範例：氣候調節（碳封存、區域氣候穩定）、水質淨化、洪水調節、病蟲害控制、授粉、廢棄物分解等。
• 文化服務 (Cultural Services)：由生態系統提供的非物質利益，影響人類的精神生活。
  • 項目範例：美學價值、精神和宗教價值、休閒和旅遊、教育和科學研究價值等。
• 支持服務 (Supporting Services)：維持其他三類服務所必需的基礎生態過程。
  • 項目範例：初級生產（光合作用）、養分循環（氮、磷循環）、土壤形成、棲地提供、生物多樣性維持等。

(2) 人工濕地 (Constructed wetlands) 的定義：
人工濕地是一種人為設計、建造和管理的濕地系統，旨在模擬自然濕地的功能，用於處理污水、雨水徑流，或作為生態棲地。它通常包含基質（如土壤、砂礫）、水體、植物（水生植物）和微生物群落，這些組件共同作用以達到特定的環境目的。人工濕地可以是水面暴露的（如表面流濕地）或水流通過基質的（如潛流濕地）。

本題主要探討氮循環的過程及其與水污染的關係。

(1) 氮循環 (Nitrogen cycle) 及化合物型態轉換：
氮循環是地球上氮元素不斷循環利用的過程，涉及大氣、土壤、水體和生物體之間氮的轉移和轉化。氮在大氣中以氮氣 ($N_2$) 的形式存在，佔大氣總體積的約 78%，但大多數生物無法直接利用。氮循環的主要步驟和化合物型態轉換如下：

• 固氮 (Nitrogen Fixation)：將大氣中的氮氣 ($N_2$) 轉化為生物可利用的含氮化合物（如氨 $NH_3$ 或硝酸鹽 $NO_3^-$）。
  • 生物固氮：由固氮細菌（如根瘤菌、藍綠藻）完成，將 $N_2$ 轉化為氨 ($NH_3$)，進而形成銨離子 ($NH_4^+$)。
  • 工業固氮：如哈伯法 (Haber-Bosch process)，用於生產化肥，將 $N_2$ 和 $H_2$ 合成氨 ($NH_3$)。
  • 大氣固氮：閃電等高能現象可將 $N_2$ 轉化為氧化物，最終形成硝酸鹽。
• 氨化/腐化 (Ammonification)：當動植物死亡或排泄時，有機氮化合物（如蛋白質、核酸）被微生物（細菌、真菌）分解，釋放出氨 ($NH_3$)，進而形成銨離子 ($NH_4^+$)。
• 硝化 (Nitrification)：在好氧條件下，銨離子 ($NH_4^+$) 先被亞硝化細菌氧化為亞硝酸鹽 ($NO_2^-$)，然後再被硝化細菌氧化為硝酸鹽 ($NO_3^-$)。這是生物利用氮的主要形式。
  • $NH_4^+ \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO_3^-$
• 脫氮 (Denitrification)：在厭氧條件下，脫氮細菌將硝酸鹽 ($NO_3^-$) 或亞硝酸鹽 ($NO_2^-$) 逐步還原，最終釋放出氮氣 ($N_2$) 回到大氣中。這個過程是氮循環的終點，使氮氣得以循環。
  • $NO_3^- \rightarrow NO_2^- \rightarrow NO \rightarrow N_2O \rightarrow N_2$
• 植物吸收 (Assimilation)：植物透過根部吸收銨離子 ($NH_4^+$) 和硝酸鹽 ($NO_3^-$)，用於合成蛋白質、核酸等含氮有機物。