114 年 國立臺北大學自然資源與環境管理研究所《生態學》

此題主要在考驗考生對「淨初級生產力」這一生態學基本名詞的理解及其重要性。

核心觀念： 淨初級生產力 (Net Primary Productivity, NPP) 是指生產者（如植物、藻類）在扣除自身呼吸作用消耗的能量後，所能累積的有機質總量。

解題說明：

1. 定義： 淨初級生產力 (NPP) 是指生產者（主要是植物）在單位時間內，由光合作用固定並累積的有機質總量，扣除其自身呼吸作用 (respiration) 所消耗的能量後所剩餘的部分。其數學表達式為：
   $NPP = GPP - R$
   其中，$GPP$ (Gross Primary Productivity) 為總初級生產力，即光合作用固定的總有機質；$R$ 為生產者自身的呼吸作用消耗。

2. 生態上的意義與重要性：

   • 能量流動的基礎： NPP 是生態系統中能量流動的起點。所有異營生物（消費者和分解者）的能量最終都來源於生產者所固定的 NPP。

此題主要在考驗考生對「Shannon 指數」這一生態學基本名詞的理解及其重要性。

核心觀念： Shannon 指數 (Shannon Index, $H'$) 是一種用於衡量群集 (community) 或樣區 (sample) 中物種多樣性 (species diversity) 的指標，它同時考慮了物種的豐富度 (species richness) 和均勻度 (species evenness)。

解題說明：

1. 定義： Shannon 指數的計算公式為：
   $H' = - \sum_{i=1}^{S} p_i \ln p_i$
   其中，$S$ 是樣區內的總物種數 (species richness)；$p_i$ 是第 $i$ 個物種在樣區內個體數占總個體數的比例 (species evenness)。

此題主要在考驗考生對「物種形成」這一生態學與演化學基本名詞的理解及其重要性。

核心觀念： 物種形成 (Speciation) 是演化生物學的核心過程，指的是一個物種分化成兩個或更多獨立物種的過程。

解題說明：

1. 定義： 物種形成是演化過程中，形成新物種的過程。通常發生在一個物種的族群之間產生生殖隔離 (reproductive isolation) 時，使得這些族群無法再互相交配並產生可育的後代。當生殖隔離達到足夠程度，這些族群就被認為是獨立的物種。

2. 生態上的意義與重要性：

   • 生物多樣性的來源： 物種形成是地球上生物多樣性（物種層級）的根本來源。

此題主要在考驗考生對「溫室氣體」這一生態學與環境科學基本名詞的理解及其重要性。

核心觀念： 溫室氣體 (Greenhouse Gas, GHG) 是指能夠吸收並重新輻射地表發出的長波輻射（紅外線）的氣體，從而使大氣溫度升高的氣體。

解題說明：

1. 定義： 溫室氣體是指大氣中能吸收並再輻射紅外線輻射的氣體分子。這些氣體透過「溫室效應」(greenhouse effect) 作用，捕獲地表散失的熱能，使得地球表面溫度比沒有這些氣體時要高。主要溫室氣體包括水蒸氣 ($H_2O$)、二氧化碳 ($CO_2$)、甲烷 ($CH_4$)、氧化亞氮 ($N_2O$)、臭氧 ($O_3$)，以及氟氯碳化物 (CFCs) 等人造氣體。

2. 生態上的意義與重要性：

   • 維持地球適宜溫度： 自然存在的溫室氣體（尤其是水蒸氣和二氧化碳）是維持地球表面溫度的關鍵，使地球能夠維持液態水的存在，孕育生命。沒有溫室效應，地球平均溫度將遠低於零度。

此題主要在考驗考生對「光合作用」這一生態學與生物學基本名詞的理解及其重要性。

核心觀念： 光合作用 (Photosynthesis) 是生產者（主要是植物、藻類和某些細菌）利用光能將二氧化碳和水轉化為有機物（如葡萄糖）並釋放氧氣的過程。

解題說明：

1. 定義： 光合作用是將光能轉換為化學能，儲存在有機分子中的過程。其總反應式可簡化為：
   $6CO_2 + 6H_2O + \text{光能} \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2$
   這個過程發生在植物細胞的葉綠體中，主要包括光反應和碳反應（卡爾文循環）。

2. 生態上的意義與重要性：

   • 能量的來源： 光合作用是地球上絕大多數生態系統能量的最終來源。生產者透過光合作用將太陽能轉化為化學能，奠定了整個食物鏈的能量基礎。

此題主要在考驗考生對「限制因子」這一生態學基本名詞的理解及其重要性。

核心觀念： 限制因子 (Limiting Factor) 是指在特定環境中，某種資源或條件的缺乏或過量，對生物的生長、繁殖或存活造成限制的因素。

解題說明：

1. 定義： 利比希最小定律 (Liebig's Law of the Minimum) 指出，生物的生長和繁殖受最稀缺（或最不足）的資源或條件所限制。這個最稀缺的因素就是限制因子。限制因子可以是營養鹽（如氮、磷）、光照、水分、溫度、空間、pH值等。

2. 生態上的意義與重要性：

   • 決定生物的分布與豐度： 限制因子直接決定了某種生物能在特定環境中生存、生長和繁殖的數量，進而影響其地理分布範圍和種群密度。
   • 物種競爭的基礎： 生物之間為了獲取有限的限制因子而產生競爭。

此題主要考驗考生對生物演化發生機制的理解，需要闡述驅動演化的主要因素。

核心觀念： 生物演化是指生物群體在代代相傳過程中發生的遺傳物質變異，以及這些變異的頻率在時間推移中發生的改變。其發生機制主要包括變異、遺傳、自然選擇、遺傳漂變、基因流動等。

解題說明：
生物演化是一個複雜的過程，主要由以下幾個機制驅動：

1. 變異 (Variation)：

   • 來源： 遺傳變異是演化的「原材料」。變異主要來自基因突變 (gene mutation)（DNA序列的隨機改變）和基因重組 (genetic recombination)（在有性生殖過程中，染色體片段的交換和重新組合）。
   • 影響： 這些變異產生了個體間遺傳上的差異，為自然選擇提供了基礎。突變是新基因和等位基因的根本來源。

2. 遺傳 (Inheritance)：

   • 機制： 生物體將其遺傳特徵（由基因決定）傳遞給下一代。只有可遺傳的變異才能影響演化。
   • 影響： 透過遺傳，變異可以累積在群體中，並在後續的演化過程中被篩選。

3. 自然選擇 (Natural Selection)：

   • 機制： 在特定環境下，具有有利變異（能提高生存和繁殖機會）的個體更有可能存活下來並繁殖後代，將這些有利變異傳遞下去。而不利變異則傾向於被淘汰。這是一個非隨機的篩選過程。
   • 影響： 自然選擇導致群體中適應環境的基因頻率增加，不適應的基因頻率降低，從而使群體逐漸適應其環境。這是演化適應的主要驅動力。

此題主要考驗考生對「生態足跡」概念的理解，以及其在資源管理上的應用，並能比較不同發展程度國家在此指標上的差異。

核心觀念： 生態足跡是一種衡量人類對自然資源需求的指標，它計算出為了支持特定人口的消費水平和生活方式，需要多少具有生態生產力的土地和水域面積。

解題說明：

(1) 生態足跡在自然資源管理上的應用 (8分)

生態足跡提供了一個量化工具，幫助我們理解人類活動對地球生態系統的壓力，進而應用於自然資源管理：

• 評估資源承載力： 生態足跡可以與生物承載力 (biocapacity) 進行比較。當生態足跡大於生物承載力時，表示人類對資源的需求超過了地球的再生能力，導致生態赤字 (ecological deficit)。這能警示資源過度消耗和環境退化。
• 量化消費對環境的影響： 它將不同形式的消費（食物、居住、交通、廢物處理等）轉化為對土地和水域面積的需求，使得管理者能更直觀地了解各種消費行為對環境的壓力。
• 制定永續發展政策： 透過分析不同足跡類別（如耕地、林地、化石能源土地）的比例，政府和管理者可以識別資源管理的重點領域，並制定相應的政策，例如推動再生能源、保護森林、改善耕作方式等，以減少對特定資源的過度依賴。
• 空間規劃與土地利用： 生態足跡的組成部分（如建築用地、耕地）有助於進行區域性的土地利用規劃，確保土地使用能同時滿足人類需求和生態系統的功能。
• 提高公眾意識： 生態足跡的概念易於理解，能有效提高公眾對資源消耗和環境影響的認識，鼓勵個人和社會採取更永續的生活方式。
• 國際比較與談判： 生態足跡的標準化計算方法，便於國家之間進行資源消耗和環境影響的比較，為國際環境談判和合作提供參考。

(2) 已開發國家與未開發國家生態足跡占比的差異與原因 (8分)

一般而言，已開發國家與未開發國家在生態足跡的組成占比上存在顯著差異，這反映了它們不同的經濟結構、消費模式和發展階段：

• 已開發國家 (Developed Countries)：
  • 占比高：
    • 化石能源土地 (Carbon Footprint)： 比例最高。這是因為已開發國家通常擁有高度工業化、汽車普及率高、能源消耗大的經濟體系，依賴化石燃料（煤、石油、天然氣）驅動交通、工業和發電。
    • 建築用地 (Built-up Land)： 比例也較高，反映了較高的城市化水平、較大的居住空間、完善的基礎設施（道路、商業建築等）。

此題主要考驗考生對生物多樣性三個層次（基因、物種、生態系）的理解，以及它們與物種適應及生態演替之間的關聯。

核心觀念： 生物多樣性涵蓋了不同層級的變異，從基因、物種到生態系。這三個層級的變異都對生態系統的功能和穩定性具有重要意義。

解題說明：

(1) 與物種適應環境變化及存續有關的生物多樣性層面 (8分)

基因多樣性 (Genetic Diversity) 與物種的適應環境變化及存續最為直接相關。

• 原因：
  • 適應的基礎： 物種的適應能力來自於其族群內部的遺傳變異，即基因多樣性。不同的基因型 (genotype) 決定了個體的性狀 (phenotype) 差異，其中某些基因變異可能使個體在面對新的環境壓力（如氣候變化、疾病、污染、資源短缺）時，具有更高的生存和繁殖機率。
  • 演化的潛力： 高的基因多樣性為自然選擇提供了更廣泛的材料。當環境發生變化時，原本隱藏在族群中的有利基因變異就有機會被篩選出來，使整個物種能夠演化並適應新環境，避免滅絕。
  • 抵抗疾病與害蟲： 在面對病原體或害蟲的衝擊時，族群內部的基因差異可以確保一部分個體對該病原體/害蟲具有抗性，從而使物種得以延續。如果族群基因高度同質化，則可能面臨滅絕的風險。
  • 維持族群活力： 基因漂變或瓶頸效應導致的基因多樣性損失，會降低族群的適應能力和繁殖力，增加近親繁殖的風險，不利於物種的長期存續。

物種多樣性 (Species Diversity) 雖然也很重要，但它更多是基因多樣性累積的結果。一個區域內物種的存續，取決於每個物種自身的基因適應能力。

生態系多樣性 (Ecosystem Diversity) 則提供了一個更廣泛的棲地和資源背景，但對單一物種的直接適應能力而言，基因多樣性是更根本的。

(2) 與 ecological succession 有關的生物多樣性層面 (8分)

生態系多樣性 (Ecosystem Diversity) 和 物種多樣性 (Species Diversity) 對生態演替 (Ecological Succession) 具有更直接和重

此題主要考驗考生對「互利共生」和「指標性物種」兩個生態學概念的精確理解，以及辨析錯誤論述的能力。

核心觀念： 生物之間的相互作用有多種類型，定義需嚴謹；指標性物種的特性與滅絕風險的關聯也需釐清。

解題說明：

(1) 互利共生 (Mutualism) 的論述為何錯誤 (4分)

• 錯誤點： 「互利共生是指物種間的合作形式。」
• 說明：
  • 嚴格定義： 互利共生 (Mutualism) 確實是一種物種間的相互有利的關係，可以視為一種「合作」。
  • 然而，該論述可能過於簡化或忽略了某些細節，使得其「錯誤」之處在於「僅僅」是合作。 更精確地說，互利共生是兩到三個物種之間一種長期的、穩定的、相互依存的、且雙方均能從中獲益的關係。
  • 關鍵在於「共生」(Symbiosis)： 互利共生是共生關係的一種。共生 (Symbiosis) 是指兩種不同的生物生活在一起，這種生活方式可以是互利（mutualism）、片利共生（commensalism，一方獲益，一方不受影響），或寄生（parasitism，一方獲益，一方受損）。
  • 「合作」的含義： 「合作」一詞雖然能大致描述互利共生，但它可能無法完全涵蓋所有互利共生的情況，尤其是一些看似「被動」或「非主動」的互利關係。更重要的是，「合作」這個詞本身也可能被用於其他非共生關係，例如某些社會性昆蟲的行為。
  • 更精確的說法： 互利共生是一種特殊的共生關係，其中所有參與的物種都能從這種關係中獲得生存或繁殖上的好處。它不單純是「合作」，而是一種相互獲益且通常是緊密聯繫的生物相互作用。
  • 判斷錯誤的關鍵： 如果題目要求判斷「絕對錯誤」，那麼「僅僅是合作」這個說法可能因為不夠全面或有歧義而被視為錯誤。例如，如果「合作」被理解為僅限於主動的、協調一致的行為，則可能無法涵蓋所有互利共生。生態學中，對關係的定義通常要求精確性，避免模糊詞彙。
  • 更可能的錯誤點： 雖然「合作」可以粗略形容，但生態學上更嚴謹的定義強調的是「相互獲益」 (reciprocal benefit) 和「共生 (symbiosis)」。如果該論述被視為「唯一」的解釋，則可能是錯誤的。
  • 一個更直接的錯誤解釋： 實際上，互利共生不只是合作，它是一種緊密的、常常是長期性的、且雙方都獲益的生物聯繫。而「合作」一詞可能涵蓋更廣泛的行為，或者無法精確描述這種生物學上的依賴關係。
  • 一個更嚴謹的駁斥角度： 互利共生是一種共生 (symbiosis) 關係，其中所有參與的物種都從中獲得好處。

此題主要考驗考生對生態學與氣候變遷減緩之間關聯性的理解，以及能舉出具體的生態機制作為例子。

核心觀念： 氣候變遷減緩 (Climate Change Mitigation) 是指採取措施減少溫室氣體排放或增加溫室氣體吸收，以減緩氣候變遷的進程。生態學在理解和實現這些目標方面扮演著關鍵角色。

解題說明：

生態學與氣候變遷減緩的關聯性：

生態學提供了理解和實施氣候變遷減緩策略的科學基礎。其關聯性體現在以下幾個方面：

1. 溫室氣體的吸收與儲存 (Carbon Sequestration)：

   • 生態系統（尤其是森林、濕地、海洋等）是地球上重要的碳匯 (carbon sinks)，能夠透過光合作用等過程吸收大氣中的二氧化碳，並將碳儲存在生物量（樹木、植物）、土壤和水體中。
   • 生態學研究揭示了不同生態系統的碳儲存能力、碳交換速率以及影響這些過程的因素（如物種組成、土地利用、氣候變化本身），這為利用生態系統進行碳減排提供了科學依據（即「基於自然的解決方案」Nature-based Solutions）。

2. 影響溫室氣體排放的生態過程：

   • 生態系統的某些過程會釋放溫室氣體，例如濕地的厭氧分解釋放甲烷 ($CH_4$)，土壤的微生物活動釋放氧化亞氮 ($N_2O$)，牲畜的消化過程釋放甲烷。
   • 生態學研究有助於理解這些過程的驅動因素，從而尋找減少這些排放的方法，例如改變農業耕作方式、管理濕地植被等。

3. 生態系統的恢復力與氣候適應：

   • 雖然本題重點在「減緩」，但生態學也關乎氣候變遷的「適應」(adaptation)。一個健康的、多樣化的生態系統通常具有更強的恢復力，能夠更好地抵禦氣候變遷帶來的衝擊（如極端天氣事件），這間接有助於維持其碳匯功能，從而支持減緩目標。

4. 土地利用變遷與碳循環：

   • 森林砍伐、土地退化、濕地排水等人類活動會釋放大量儲存的碳，並降低生態系統的碳吸收能力。
   • 生態學研究強調保護和恢復這些自然生態系統的重要性，以防止碳釋放並增強碳匯功能，這是減緩氣候變遷的核心策略之一。

5. 生物多樣性與生態系統功能的穩定性：

   • 高生物多樣性的生態系統通常更穩定、更具生產力，也更不容易受到干擾，這意味著其碳匯功能也更穩定。保護生物多樣性是維持生態系統碳匯功能的重要前提。

舉例說明陸域與水域生態系與氣候變遷減緩相關的生態機制：

A. 陸域生態系：森林的碳匯機制