109 年 國立臺灣大學環境工程研究所規劃與管理組《環境生態學》

本題主要在探討公民科學（Citizen Science）的定義及其在台灣的應用實例。

核心觀念： 公民科學是一種科學研究方法，鼓勵一般大眾參與科學研究的資料收集、分析或解讀過程。

解題步驟：

1. 定義公民科學：
   公民科學是指由非專業科學家（即公眾、公民）參與，協助科學家進行研究活動的科學模式。這種參與可以包含觀察、數據收集、資料標記、甚至分析等不同層級。其目的是擴大研究的規模、收集更多樣的數據、提升公眾對科學的認識與參與度，並促進科學知識的普及。

2. 舉例台灣的公民科學計畫：
   台灣有許多活躍的公民科學計畫，例如：

   • 台灣賞鳥會或特有生物研究保育中心（TBC）的鳥類調查計畫： 許多賞鳥愛好者會記錄他們觀察到的鳥類種類、數量、地點、時間等資訊，這些數據被匯總後，成為鳥類族群動態、分布變遷、保育評估的重要依據。例如「台灣野鳥 ويب站」（eBird Taiwan）就是一個讓民眾回報鳥類觀察紀錄的平台。
   • 海洋廢棄物監測計畫： 許多環保團體或研究機構會組織淨灘活動，並在淨灘後統計、分類、記錄收集到的海洋廢棄物種類與數量。

本題主要在考察學生對生物地球化學循環（Biogeochemical Cycle）的定義及具體例子的理解。

核心觀念： 生物地球化學循環是指構成生物體和環境的化學元素，在生物、地質和化學過程的交互作用下，通過不同圈層（大氣圈、水圈、岩石圈、生物圈）不斷循環移動的過程。

解題步驟：

1. 定義生物地球化學循環：
   生物地球化學循環（Biogeochemical Cycle）是指生命體（Bio-）、地球（Geo-）和化學（-chemical）元素在自然界中的循環過程。這些循環涉及元素在生物圈（所有生物體）、大氣圈（空氣）、水圈（海洋、河流、湖泊、地下水）和岩石圈（土壤、岩石）之間的物質轉移與轉化。這些循環對於維持生態系統的穩定、養分的可利用性以及生命的延續至關重要。

2. 列舉一個生物地球化學循環的例子：
   生物地球化學循環的例子有很多，其中最為人熟知且影響深遠的包括：

   • 碳循環 (Carbon Cycle)
   • 氮循環 (Nitrogen Cycle)
   • 水循環 (Water Cycle)

本題考察學生對「全成本定價原則」在環境保護中的應用。

核心觀念： 全成本定價原則（Full-Cost Pricing）是指在商品或服務的定價中，不僅包含生產、運輸、銷售等直接成本，還應將其生產和消費過程中產生的所有外部成本（如環境污染、資源耗竭、健康損害等）納入考量，使其價格能真實反映其對社會和環境的總體影響。

解題步驟：

1. 解釋全成本定價原則的目標：
   全成本定價的目標是透過提高價格，讓消費者和生產者更清楚地認識到其行為對環境和社會造成的真實成本，進而引導其做出更環保、更可持續的決策。當價格包含了外部成本後，高污染、高耗能的產品或服務的價格會上升，消費者會傾向選擇替代品，生產者也會有誘因去開發更清潔的生產技術。

2. 說明如何應用於環境保護：
   將全成本定價原則應用於環境保護，主要有以下幾種方式：

   • 環境稅 (Environmental Taxes)： 對於會產生污染或資源耗竭的產品或行為徵收稅費，例如碳稅、水污染費、廢棄物處理費、空氣污染防制費等。這些稅費的設定應盡量貼近外部成本的估計值，讓使用者為其造成的環境損害付費。
   • 排污權交易 (Tradable Permits)： 政府設定總污染物排放總量上限，並將排放權分配給企業。企業可以透過市場機制交易這些排放權。這種方式能以經濟誘因驅動企業減排，並確保總體減排目標的達成。

本題旨在考察學生對「生態基礎解決方案」（Nature-based Solutions, NbS）在都市挑戰中的應用。

核心觀念： 生態基礎解決方案（NbS）是指利用或仿效自然生態系統的功能，來應對社會挑戰（如氣候變遷適應、水資源管理、糧食安全、災害風險降低、人類健康與福祉等）的策略。在都市環境中，NbS 旨在透過引入或強化自然元素與過程，提升城市的韌性、宜居性與可持續性。

解題步驟：

1. 解釋生態基礎解決方案在都市中的概念：
   在都市環境中，NbS 意味著將綠色基礎設施（Green Infrastructure）融入城市規劃與管理中。這些方案通常是多功能的，不僅能解決單一問題，還能帶來一系列環境、社會和經濟效益。

2. 說明如何應用於解決都市挑戰：
   NbS 可用於解決多種都市挑戰，常見應用包括：

   • 都市熱島效應與空氣品質改善：
     • 綠屋頂 (Green Roofs)： 植被覆蓋屋頂能隔熱、減少建築物能耗、吸收污染物、滯留雨水，並降低地表溫度。
     • 垂直綠化 (Vertical Greening / Green Walls)： 在建築物外牆種植植物，能提供遮蔭、隔熱、吸附空氣污染物、美化環境。
     • 都市綠化 (Urban Greening)： 增加公園、綠地、行道樹、社區花園等。樹木能提供遮蔭、蒸散作用降溫、吸收 $CO_2$ 與其他空氣污染物，並增加生物多樣性。
   • 都市洪災管理與水資源循環：

本題主要探討在海岸濕地中，不同鳥類物種佔據專門的覓食生態位（Feeding Niches）所可能帶來的演化優勢。

核心觀念： 生態位（Ecological Niche）是指一個物種在生態系統中所扮演的角色，包括其棲息地、食物來源、活動時間、與其他物種的交互作用等。生態位分化（Niche Differentiation）是物種共存的重要機制。

解題步驟：

1. 解釋生態位分化與競爭排除原則：
   根據競爭排除原則（Competitive Exclusion Principle），如果兩個物種在資源利用上過於相似，其中一個物種最終會因為競爭不過另一個物種而被排除。因此，為了在同一生態系統中長期共存，物種之間通常會發生生態位分化，即它們在資源利用上有所差異，以減少直接競爭。

2. 說明專門覓食生態位的演化優勢：
   在海岸濕地這樣資源豐富但可能有限的環境中，不同的鳥類物種發展出專門的覓食生態位，可能帶來以下優勢：

   • 減少物種間的競爭 (Reduced Interspecific Competition)： 這是最直接的優勢。如果一種鳥專門吃某種小魚，另一種專門吃特定種類的無脊椎動物，而第三種專門吃水生植物的種子，那麼這三種鳥就不會為了同一種食物而激烈競爭。這樣可以確保每個物種都能獲得足夠的食物來維持生存和繁殖。
   • 更有效地利用資源 (More Efficient Resource Utilization)： 專門的覓食習慣通常伴隨著特定的覓食技巧、喙的形態、消化系統的適應等。例如，長喙的鳥類可能擅長在泥灘中探尋貝類，而有特殊喙型的鳥類可能善於處理特定的種子或昆蟲。

本題要求說明酸雨（Acid Deposition）的成因、影響，以及防治方法，並繪製圖示。

核心觀念： 酸雨是指pH值低於正常雨水（約 5.6）的降水，其主要成因是大氣中的污染物（主要是二氧化硫 $SO_2$ 和氮氧化物 $NOx$）與水、氧氣、其他化學物質反應，形成硫酸 ($H_2SO_4$) 和硝酸 ($HNO_3$)，隨後以降水（雨、雪、霧）或乾沉降（塵埃）的形式落到地面。

解題步驟：

1. 繪製圖示與說明成因 (Causes)：
   圖示應包含：

   • 主要污染源： 燃燒化石燃料的工廠煙囪、汽車廢氣、火力發電廠。
   • 主要污染物： 二氧化硫 ($SO_2$) 和氮氧化物 ($NOx$)。
   • 大氣化學反應： $SO_2$ 和 $NOx$ 在大氣中與水 ($H_2O$)、氧氣 ($O_2$) 反應，生成硫酸 ($H_2SO_4$) 和硝酸 ($HNO_3$)。
     • $SO_2 + \frac{1}{2}O_2 \rightarrow SO_3$
     • $SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$
     • $NOx + \text{其他化學物質} \rightarrow HNO_3$
   • 沉降過程：
     • 濕沉降 (Wet Deposition)： 形成的酸性物質溶解在雨水、雪、霧中，形成酸雨、酸雪、酸霧。
     • 乾沉降 (Dry Deposition)： 酸性氣體和顆粒物直接沉降到地表（植物、建築物、土壤）。

   🖼️【此處應繪製圖示，說明污染源排放 $SO_2$、$NOx$，在大氣中轉化為 $H_2SO_4$、$HNO_3$，再以濕沉降（酸雨）或乾沉降形式落下的過程。】

2. 說明影響與問題 (Problems)：
   酸雨對環境和人類社會造成廣泛的破壞：

   • 對水體生態的影響：
     • 使湖泊、河流酸化，pH 值降低，影響魚類、兩棲類等水生生物的生存，導致生物多樣性下降，甚至生態系統崩潰。
     • 釋放水體中沉積物的重金屬（如鋁離子 $Al^{3+}$），對水生生物造成毒害。

本題要求繪製全球碳循環圖，說明其中的主要過程與儲存庫，並闡述如何達成碳中和。

核心觀念： 碳循環是指碳元素在地球生物圈、岩石圈、水圈和大氣圈之間不斷交換和轉化的過程。碳中和（Carbon Neutrality）是指在特定時期內，透過各種方式抵銷人為活動產生的溫室氣體排放量，達到淨零排放的目標。

解題步驟：

1. 繪製圖示與說明全球碳循環 (Global Carbon Cycle)：
   圖示應包含以下主要儲存庫 (Reservoirs) 和過程 (Processes)：

   主要儲存庫：

   • 大氣 (Atmosphere)： 主要以二氧化碳 ($CO_2$) 形式存在，是碳循環的活躍部分。
   • 海洋 (Ocean)： 溶解了大量的 $CO_2$，也存在於海洋生物和沉積物中。海洋是最大的碳儲存庫之一。
   • 陸地生物圈 (Terrestrial Biosphere)： 包括植物、動物和土壤有機質。植物透過光合作用吸收碳。
   • 岩石圈 (Lithosphere)： 包括化石燃料（煤、石油、天然氣）、碳酸鹽岩（如石灰石）。這是最大但交換速率最慢的儲存庫。

   主要過程：

   • 光合作用 (Photosynthesis)： 植物、藻類和某些細菌吸收大氣或水中的 $CO_2$ 和水，利用光能合成有機物，釋放氧氣。這是將大氣碳轉移到生物圈的主要過程。
     • $CO_2 + H_2O + \text{光能} \rightarrow (\text{CH}_2\text{O})_n + O_2$
   • 呼吸作用 (Respiration)： 所有生物（植物、動物、微生物）分解有機物以獲取能量，釋放出 $CO_2$ 和水。
     • $(\text{CH}_2\text{O})_n + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O + \text{能量}$
   • 分解作用 (Decomposition)： 微生物分解動植物遺體，釋放出 $CO_2$ 或甲烷 ($CH_4$)。
   • 燃燒 (Combustion)： 自然界的森林火災或人為燃燒化石燃料，將儲存的碳快速釋放到大氣中，產生 $CO_2$ 和其他污染物。
   • 海洋-大氣交換 (Ocean-Atmosphere Exchange)： $CO_2$ 在海洋表面與大氣之間溶解和釋放。
   • 碳酸鹽形成與風化 (Carbonate Formation and Weathering)： 地質過程中，碳酸鹽岩石的形成和風化會緩慢地在岩石圈和水圈/大氣圈之間轉移碳。
   • 沉積與埋藏 (Sedimentation and Burial)： 有機物沉入水底或被埋藏，長期可能形成化石燃料。

   🖼️【此處應繪製圖示，展示大氣 $CO_2$ 被植物光合作用吸收，植物呼吸作用釋放 $CO_2$，動植物死亡後被分解者分解釋放 $CO_2$ 或 $CH_4$；海洋吸收和釋放 $CO_2$；燃燒化石燃料釋放大量 $CO_2$ 到大氣；岩石風化等過程。