113 年 國立臺北大學自然資源與環境管理研究所《生態學》

此題要求解釋名詞「Ecosystem」並說明其生態上的意義或重要性。

核心觀念： 生態系是生態學的基本研究單位，理解其組成與功能是掌握生態學原理的基礎。

詳解：
生態系（Ecosystem）是指在特定地理區域內，所有生物群落（biotic communities）及其與非生物環境（abiotic environment）之間相互作用所形成的統一整體。

• 組成： 生態系包含兩大組成部分：
  • 生物群落（Biotic Components）： 包括所有生活在該區域的生物，可依其在能量流動中的角色分為生產者（producers）、消費者（consumers）和分解者（decomposers）。
  • 非生物環境（Abiotic Components）： 包括物理和化學因素，如陽光、溫度、水分、土壤、空氣、礦物質等。

此題要求解釋名詞「Natural selection」並說明其生態上的意義或重要性。

核心觀念： 自然選擇是演化生物學的關鍵機制，解釋了生物如何適應環境並產生多樣性。

詳解：
自然選擇（Natural selection）是指在自然界中，由於生物體與環境之間存在著差異，那些擁有較有利於生存和繁殖的遺傳特徵的個體，更有可能將這些特徵傳遞給下一代，從而導致這些有利特徵在族群中逐漸增加的過程。

• 基本要素：
  1. 變異（Variation）： 同一物種的個體之間存在遺傳上的差異。
  2. 遺傳（Heritability）： 這些差異中的一部分是可以遺傳的。

此題要求解釋名詞「Autotroph」並說明其生態上的意義或重要性。

核心觀念： 自營生物是生態系統中能量的起始來源，其角色至關重要。

詳解：
自營生物（Autotroph）是指能夠自行合成其生存所需的有機物的生物，而不需要攝取其他生物。它們通常利用無機物和外部能量來源（如陽光或化學能）來完成這個過程。

• 種類：
  1. 光合自營生物（Photoautotrophs）： 利用光能將二氧化碳和水轉化為有機物（如葡萄糖），並釋放氧氣。地球上絕大多數的自營生物屬於此類，包括植物、藻類和部分細菌（如藍綠菌）。
  2. 化學合成自營生物（Chemoautotrophs）： 利用無機物氧化所釋放的化學能，將二氧化碳轉化為有機物。這類生物常見於特殊環境，如深海熱泉、硫磺泉等，包括某些細菌和古菌。

此題要求解釋名詞「Secondary succession」並說明其生態上的意義或重要性。

核心觀念： 次生演替是生態系統在受到干擾後恢復的過程，展現了生態系統的韌性。

詳解：
次生演替（Secondary succession）是指在一個已經存在生物群落的區域，由於受到火災、洪水、乾旱、砍伐、農業廢耕等干擾，導致原有群落被破壞或移除，但土壤、種子庫、根系等結構或殘留物仍然存在，進而發生的一系列有規律的演替過程。

• 特徵：
  • 起始條件： 相比於初級演替，次生演替的起始條件更為有利，因為土壤已經形成，且可能保留有先前生物體的殘餘物（如種子、根莖）。
  • 演替速度： 由於現有的土壤和種子庫，次生演替的過程通常比初級演替快得多。

此題要求解釋名詞「Clumped distribution」並說明其生態上的意義或重要性。

核心觀念： 群聚分布是生物最常見的空間分布模式，與資源、社會行為等因素密切相關。

詳解：
群聚分布（Clumped distribution），又稱聚集分布或團塊分布，是指一個族群的個體並非均勻地散布在棲地中，而是傾向於聚集在特定的區域，形成「一叢叢」、「一塊塊」的分布模式。這是自然界中最常見的空間分布模式。

• 原因： 群聚分布通常由以下因素引起：
  1. 資源的局部集中： 食物、水源、庇護所等生存必需資源在棲地中分布不均，個體會聚集在資源豐富的區域。
  2. 社會性行為： 許多物種會形成社會群體，例如為了共同覓食、禦敵、繁殖或撫育後代。

此題要求說明地球水循環中的儲存庫和移動機制，並可透過文字或繪製循環圖說明。

核心觀念： 水循環是地球系統中水不斷移動和轉化的過程，涉及儲存和移動兩個主要面向。

詳解：
水循環（Hydrologic cycle）是指水在地球大氣、陸地和海洋之間不斷進行的循環過程，涉及水的蒸發、凝結、降水、徑流、滲透等一系列物理過程。

一、儲存庫（Reservoirs）：
儲存庫是指水中暫時貯存的地理區域或載體。主要的儲存庫包括：

1. 海洋 (Oceans)： 占地球總水量約 97.5%，是最大的儲存庫。
2. 冰川與冰冠 (Glaciers and Ice Caps)： 儲存了約 1.7% 的總水量，主要以固態形式存在。
3. 地下水 (Groundwater)： 占總水量約 0.6%，儲存在土壤和岩石孔隙中。
4. 淡水湖泊 (Freshwater Lakes)： 儲存了很少一部分的總水量，但對人類和陸地生態系統非常重要。
5. 大氣 (Atmosphere)： 以水蒸氣、雲和降水的形式存在，水量相對較少，但對水循環的動態性至關重要。
6. 河流與溪流 (Rivers and Streams)： 水量極少，但流動速度快，是重要的輸送管道。
7. 生物體 (Living Organisms)： 植物、動物體內也儲存有一定量的水。

二、移動機制（Movements）：
移動機制是指水在不同儲存庫之間移動和轉化的過程。主要機制包括：

1. 蒸發 (Evaporation)： 液態水轉化為水蒸氣進入大氣的過程，主要發生在海洋、湖泊、河流表面。

此題要求說明人類活動如何影響水循環。

核心觀念： 人類活動對水循環的影響是多面向的，既有直接的改變，也有間接的長期效應。

詳解：
人類活動對水循環的影響是顯著且多樣的，主要可歸納為以下幾方面：

1. 改變地表覆蓋與蒸發散：

   • 都市化（Urbanization）： 鋪設水泥、柏油等不透水地面，大幅減少滲透，增加地表徑流，加速水流，也降低了土壤蒸發散作用。
   • 森林砍伐（Deforestation）： 減少了植物的蒸散作用，可能導致區域性降水量減少，並增加地表徑流和土壤侵蝕。
   • 農業（Agriculture）： 灌溉措施增加了水的消耗和蒸發；改變耕作方式（如休耕、輪作）也會影響土壤水分。

2. 建造水利設施：

   • 水庫與水壩（Dams and Reservoirs）： 改變河流的水量、流速和季節性變化，影響下游的生態系統，並可能增加水體蒸發量。
   • 引水工程（Water Diversion）： 將水從一個流域調往另一個流域，顯著改變了局部地區的水量平衡。

此題要求探討在棲地與資源充足的理想條件下，哪些「內在因素」會阻礙物種透過演化來適應環境變化，進而導致滅絕。

核心觀念： 物種的演化適應能力不僅受外在環境影響，其自身的遺傳、繁殖與生理特性也是關鍵的內在限制因子。

詳解：
即使在棲地良好、資源充足的理想情況下，物種也可能因內在因素而無法透過演化機制適應快速的環境變化，最終走向滅絕。這些內在因素主要與遺傳變異的產生、遺傳特徵的傳遞以及繁殖策略有關：

1. 遺傳變異不足（Lack of Genetic Variation）：

   • 低遺傳多樣性： 如果一個族群的遺傳多樣性本身就很低，那麼當環境快速變化時，就缺乏足夠的變異來產生有利於新環境的特徵。例如，近親繁殖或瓶頸效應（bottleneck effect）會顯著降低族群的遺傳變異。
   • 突變率低： 自然突變是產生新變異的根本來源。如果一個物種的突變率非常低，則產生適應性變異的速度就跟不上環境變化的速度。

2. 繁殖週期過長（Long Generation Time）：

   • 演化適應是透過世代累積遺傳變異和自然選擇來實現的。對於壽命長、繁殖週期長的物種（如大型哺乳動物、某些樹木），其世代時間非常長。即使環境變化速度相對緩慢，對這些物種而言，其演化速度也可能遠遠落後於環境變化的速度。

此題要求從能量流的角度，解釋溫室效應的發生原理，並說明其對地球環境的影響。

核心觀念： 溫室效應是地球大氣吸收和再輻射長波輻射的自然過程，但人為增強的溫室效應則會改變能量平衡，導致氣候變遷。

詳解：
溫室效應（Greenhouse effect）是指地球大氣層中的某些氣體（如二氧化碳 CO2、甲烷 CH4、水蒸氣 H2O、氧化亞氮 N2O 等，合稱溫室氣體 Greenhouse Gases, GHGs）能夠吸收並再輻射地球表面發出的長波輻射（紅外線），從而使地球表面溫度升高的現象。

一、發生原理（從能量流角度）：

1. 太陽輻射入射： 地球主要接收來自太陽的短波輻射（可見光和紫外線）。這些短波輻射大部分能夠穿透大氣層到達地球表面。
2. 地表吸收與加熱： 地球表面吸收太陽短波輻射後被加熱。
3. 地球表面長波輻射： 被加熱的地球表面會以長波輻射（紅外線）的形式向外輻射能量，試圖將能量釋放到太空中。
4. 溫室氣體吸收： 大氣中的溫室氣體對太陽短波輻射的吸收能力較弱，但對地球表面發出的長波輻射（紅外線）有很強的吸收能力。
5. 能量再輻射： 吸收了長波輻射的溫室氣體分子會向各個方向再輻射能量。其中一部分能量會散失到外太空，但另一部分能量會被重新輻射回地球表面。
6. 地球表面溫度升高： 重新輻射回地表的長波輻射，進一步加熱了地球表面及其近地面大氣，使得地球表面的平均溫度比沒有大氣時要高。這就是「自然溫室效應」，是地球維持適宜生命生存溫度的關鍵。

二、對地球環境之影響（以人為增強的溫室效應為重點）：

此題要求定義「氣候變遷」。

核心觀念： 氣候變遷強調的是「氣候」的長期、顯著變化，而非單純的短期天氣波動。

詳解：
氣候變遷（Climate change）是指在一段相當長的時期內（通常是數十年或更長），地球或區域氣候平均狀態（如平均溫度、平均降水量）或其變率（如極端天氣事件的頻率）發生的統計學上顯著的變化。

• 關鍵特徵：
  1. 時間尺度： 氣候變遷關注的是長期趨勢，與每日、每週的天氣變化不同。

此題要求說明溫室效應與氣候變遷之間的關聯。

核心觀念： 溫室效應是氣候變遷的根本原因之一，特別是人為增強的溫室效應。

詳解：
溫室效應（Greenhouse effect）與氣候變遷（Climate change）之間存在著直接且密切的因果關聯，尤其是在討論當前全球面臨的氣候變遷時。

• 關聯性：
  1. 自然溫室效應維持地球適宜溫度： 地球大氣中的溫室氣體（如水蒸氣、二氧化碳）能夠吸收和再輻射地球表面的長波輻射，這使得地球的平均溫度比沒有大氣時高出約 33°C，維持在適合生命生存的範圍內。這是「自然溫室效應」，它本身是維持地球氣候穩定的必要條件。
  2. 人為增強溫室效應是當前氣候變遷的主因： 自工業革命以來，人類活動（如燃燒化石燃料、森林砍伐）大量排放溫室氣體（主要是 CO2、CH4、N2O），顯著增加了大氣中溫室氣體的濃度。

此題要求闡述如何運用生態學知識來應對氣候變遷的挑戰。

核心觀念： 生態學提供了理解氣候變遷影響、評估風險、並發展適應與減緩策略的關鍵知識框架。

詳解：
氣候變遷是當前人類面臨的最嚴峻挑戰之一，而生態學知識在理解其影響、評估風險，以及制定有效的適應（adaptation）與減緩（mitigation）策略方面，扮演著不可或缺的角色。以下從幾個面向闡述如何運用生態學知識：

一、理解與評估氣候變遷的生態影響：

1. 物種分布與遷徙預測：

   • 生態學中的生物地理學（Biogeography）和物種分布模型（Species Distribution Models, SDMs）能預測氣候變遷如何改變物種的適宜棲地範圍，預測其可能的遷徙路徑或滯留風險。這有助於辨識脆弱物種及優先保育區域。
   • 例如，研究植物對溫度和降水的敏感性，預測其棲地是否會向高緯度或高海拔遷移。

2. 生態系統功能與服務的變化：

   • 生態學研究能量流、物質循環、物種互動等，能幫助我們理解氣候變遷如何影響（如改變降水、溫度）這些基本生態過程，進而影響生態系統提供的服務，如碳匯功能（森林、濕地）、水源涵養、授粉、病蟲害調節等。
   • 例如，研究海洋酸化對珊瑚礁生態系統固碳能力的影響。

3. 生物多樣性喪失的機制與評估：

   • 生態學揭示了氣候變遷如何透過棲地改變、物種互動失調（如時間不匹配 phenological mismatch）、極端事件等機制，加速生物多樣性喪失。
   • 例如，分析鳥類遷徙時間與昆蟲羽化時間的脫節，導致繁殖失敗。

4. 生態系統韌性（Resilience）與脆弱性（Vulnerability）評估：

   • 生態學理論（如演替理論、群落生態學）幫助我們評估生態系統在面臨氣候衝擊時的恢復能力（韌性）及其易受損程度（脆弱性）。
   • 例如，研究單一樹種的森林 vs. 多樣化樹種的森林，對乾旱的抵抗力差異。

二、制定與實施氣候變遷的適應與減緩策略：

1. 生態系統為基礎的適應（Ecosystem-based Adaptation, EbA）：
   • 利用生態系統的自然功能來幫助人類社會適應氣候變遷的影響。
   • Examples: