111 年 國立臺北大學自然資源與環境管理研究所甲組《生態學》

本大題主要考驗考生對基礎生態學名詞的理解與應用能力。每一題要求解釋名詞並闡述其生態上的意義或重要性。

1. Climate change (氣候變遷)

• 解釋： 氣候變遷是指長時期內氣候狀態的統計性改變，包括平均氣候、氣候變異度、極端氣候事件的頻率和強度等。這些改變可能源於自然過程，但自二十世紀以來，主要歸因於人類活動，特別是燃燒化石燃料，導致大氣中溫室氣體濃度增加，進而引發全球暖化。
• 生態上的意義或重要性：
  • 物種分布與遷徙： 氣候變遷導致溫度、降水模式改變，許多物種面臨棲地改變或消失的壓力，可能需要遷徙至適宜的區域。然而，遷徙速度可能跟不上氣候變遷的速度，或受阻於地理屏障，導致物種滅絕風險增加。
  • 生態系統結構與功能改變： 溫度升高可能影響物種的生理代謝、繁殖時間（物候學）及種間互動（如捕食、競爭、共生關係）。這可能導致生態系統的結構（如物種組成、食物網）和功能（如生產力、物質循環）發生改變。
  • 極端氣候事件： 氣候變遷增加極端天氣事件（如熱浪、乾旱、洪水、強風暴）的頻率和強度，這些事件可能對生態系統造成毀滅性影響，導致棲地破壞、物種大量死亡，並延緩生態系統的恢復。
  • 海洋酸化： 大氣中二氧化碳濃度的增加也導致海洋吸收更多二氧化碳，引起海水 pH 值下降（海洋酸化），嚴重影響鈣化生物（如珊瑚、貝類、浮游生物）的生存。
  • 生態系服務影響： 氣候變遷會透過上述機制，間接或直接影響人類賴以生存的生態系服務，如糧食生產、水源供應、調節氣候、文化休閒等。

2. Species richness (物種豐富度)

• 解釋： 物種豐富度是指在一個特定區域或棲地內，存在著多少種類的物種。它是衡量生物多樣性最基本、最直接的指標之一。
• 生態上的意義或重要性：
  • 生態系統穩定性： 通常認為，物種豐富度較高的生態系統，其穩定性（抵抗干擾的能力）和韌性（從干擾中恢復的能力）也較高。這是因為不同的物種可能扮演相似的角色（功能冗餘），當某個物種因環境改變而消失時，其他物種仍能維持生態系統的功能。
  • 生態系統功能： 物種豐富度與生產力、養分循環、分解作用等生態系統功能密切相關。更多樣化的物種組合可能更有效地利用資源，進行物質和能量的轉換。
  • 生物多樣性評估： 物種豐富度是評估生物多樣性、監測環境健康和規劃保育策略的重要基礎。
  • 演化潛力： 高物種豐富度代表了豐富的演化潛力，為未來環境變遷提供了更多適應的可能性。

3. Trophic level (營養階層)

• 解釋： 營養階層是指生物在食物鏈或食物網中所處的位置，代表其獲取能量的來源。典型的營養階層包括：生產者（如植物，位於第一營養階層）、初級消費者（植食性動物，位於第二營養階層）、次級消費者（肉食性動物，以植食性動物為食，位於第三營養階層），依此類推。
• 生態上的意義或重要性：
  • 能量流動： 營養階層是理解生態系統中能量如何從一個階層傳遞到另一個階層的關鍵。能量在逐級傳遞過程中會大量損耗（通常約 90%），這限制了食物鏈的長度。
  • 物質循環： 營養階層也影響著物質（如碳、氮、磷）在生態系統中的循環路徑和速率。

本大題涵蓋了生態學的傳染病生態學、生態系服務、以及群集結構分析等重要概念。

1. COVID-19 變異株與生態學理論

• 對應理論： 此案例可作為「演化生態學」或更具體地說，是「病毒演化」與「族群遺傳學」的案例，特別是關於「適者生存」與「基因漂變」在病毒族群中的體現。也可以連結到「傳染病生態學」中，病原體如何透過演化來適應宿主環境。

• 理論運作之兩階段機制：

  1. 變異與篩選（Mutation and Selection）：
     • 變異： SARS-CoV-2 病毒在複製過程中會產生隨機突變。這些突變可能影響病毒的傳播能力（如感染細胞的效率）、免疫逃脫能力（對先前感染或疫苗產生的抗體產生抵抗力）、或毒力。
     • 篩選： 當新的變異株出現時，如果這些變異賦予病毒在傳播上（例如：更易感染、更具傳染性、更能逃脫宿主免疫）或在特定環境（如：對疫苗產生抗性）下具有優勢，則這些變異株就可能在族群中擴散開來。Alpha 變異株和 Omicron 變異株的出現與快速取代，正是因為它們的變異（如刺突蛋白的改變）提供了傳播優勢或免疫逃脫優勢，使得這些變異株在相對的環境下（當時的宿主族群、免疫水平）能夠被自然篩選出來，並在族群中占據主導地位。
  2. 族群擴散與取代（Population Spread and Replacement）：
     • 擴散： 具有傳播優勢的變異株，能夠比原始株或先前流行的變異株更快地感染更多宿主，進而在全球範圍內擴散。例如，Omicron 的傳播速度遠高於 Alpha，導致其迅速成為主流變異株。
     • 取代： 隨著時間推移，傳播能力更強或免疫逃脫能力更佳的變異株，會逐漸取代傳播能力較弱的變異株，成為當前流行中的主要病原體。這是一個動態的過程，病毒會持續演化，新的變異株可能在未來再次出現並取代現有的主流變異株。

  總結： COVID-19 變異株的演變過程，體現了病毒族群在宿主環境中的演化壓力下，透過隨機變異獲得優勢，再透過自然篩選和族群擴散，最終取代舊有族群的過程。

2. 授粉作為生態系服務

• 授粉是何種生態系服務： 授粉（Pollination）主要屬於「供給服務」（Provisioning Services）中的「食物」（Food）以及更廣泛的「文化服務」（Cultural Services）和「調節服務」（Regulating Services）的範疇，但最核心且直接的分類是歸類於「食物」供給服務，因為它直接關聯到農作物和野生植物的繁殖。
• 為什麼：
  • 食物供給： 授粉是許多農作物（如水果、蔬菜、堅果、油料作物）和部分牧草進行繁殖、產生種子和果實的關鍵步驟。全球約有 75% 的主要糧食作物依賴動物授粉。沒有有效的授粉，這些作物的產量將顯著下降，甚至無法產生可供食用的部分。因此，授粉直接支持了人類的糧食安全，屬於重要的供給服務。
  • 維持植物多樣性（調節服務/支持服務）： 授粉不僅對農業重要，對維持野生植物族群的繁殖和遺傳多樣性也至關重要。這進一步支持了生態系統的結構和功能，例如提供食物和棲地給其他生物，維持生態系統的穩定性，這可以被視為一種調節或支持服務。
  • 遺傳多樣性（支持服務）： 授粉過程（特別是異花授粉）有助於植物基因的交流，維持植物族群的遺傳多樣性，使其更能適應環境變遷。
  • 經濟價值： 授粉服務的經濟價值極高，涵蓋了農業產值和生態系統的間接效益。

3. 物種分布分析

• 核心概念： 此題考驗對群集結構中物種空間分布模式的理解。物種的空間分布模式主要有三種：聚集分布（Clumped distribution）、隨機分布（Random distribution）和均勻分布（Uniform distribution）。

本大題深入探討入侵種對生態系統、生態系服務以及氣候變遷適應能力的影響，考驗考生整合生態學、環境管理與氣候變遷知識的能力。

1. 入侵種對生態的影響 (5 分)

入侵種（Invasive species）是指被引進非原生棲地，並對當地生態系統、經濟或人類健康造成負面影響的外來物種。其對生態的影響主要包括：

• 物種間競爭： 入侵種可能與當地物種競爭資源（如陽光、水分、養分、空間），牠們可能具有更強的生長、繁殖或資源利用能力，導致當地物種的數量減少或被排除。
• 捕食與疾病傳播： 入侵的掠食者可能對當地物種（特別是缺乏演化上抵抗力的物種）造成毀滅性打擊。入侵種也可能攜帶或傳播新的病原體或寄生蟲，威脅當地物種的健康。
• 棲地改變： 某些入侵種（如入侵植物）能改變棲地的物理、化學性質，例如改變土壤結構、養分循環、水文條件、或燃燒特性。這些改變可能使原有的棲地不再適合當地物種生存。
• 基因滲雜： 若入侵種與當地近緣種能夠雜交，可能導致當地物種的基因獨特性喪失，甚至產生「基因滲雜」（gene swamping）或「基因侵蝕」（genetic erosion），影響當地物種的適應性。
• 改變食物網結構： 入侵種的引入會增加或改變食物網中的節點，可能導致食物網的簡化或不穩定，影響能量流動和物質循環。
• 降低生物多樣性： 綜合上述影響，入侵種往往是導致當地生物多樣性下降的重要原因之一。

2. 入侵種對生態系服務的影響 (5 分)

入侵種透過影響生態系統的結構和功能，進而對生態系服務產生負面影響。以下以「水源淨化」為例進行說明：

• 生態系服務類別： 調節服務（Regulating Services）。
• 舉例說明：
  • 影響： 某些入侵植物，例如某些水生雜草（如布袋蓮 Eichhornia crassipes），在水體中大量繁殖，形成密集的水層。
  • 機制：
    • 改變水文： 大量繁殖的入侵植物會阻礙水流，增加蒸發散量，影響水體的水位和流速，可能導致下游水源供應不足。
    • 降低溶解氧： 密集的水生植物在夜間進行呼吸作用會消耗大量溶解氧，或在白天過度遮蔽陽光，影響水下生物的生存。
    • 改變水質： 入侵植物的分解過程可能釋放有機物，改變水體的化學組成。某些入侵種可能吸收過多特定養分，但其死亡分解後又會釋放，造成養分循環失調。
    • 沉積物累積： 密集的水生植物可能減緩水流，導致泥沙沉積，影響河道或水庫的蓄水能力。
  • 結果： 這些改變都會降低水體作為飲用水源、灌溉水源或生態棲地的淨化能力與可用性，即影響了「水源淨化」這項調節服務。

3. 入侵種對氣候變遷減緩與調適能力的影響 (20 分)

入侵種對當地生態系統的氣候變遷減緩（mitigation）和調適（adaptation）能力都可能產生顯著的負面影響。

• 對氣候變遷減緩能力的影響：
  • 減緩能力（Mitigation）： 指生態系統透過吸收和儲存溫室氣體（主要是二氧化碳）來降低大氣中溫室氣體濃度的能力。
  • 影響與原因：
    • 降低碳匯潛力： 許多入侵種，特別是入侵植物，雖然初期可能生長快速，但其儲存碳的長期效率、結構和穩定性可能不如原生植物。